水泥-乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)及其水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李俊曉 ，尹曉波 ，徐娟，袁健

(1.山東省海洋環(huán)境檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001;2.華潤(rùn)水泥控股有限公司運(yùn)營(yíng)部，廣西 南寧 530000)

我國(guó)高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)中瀝青路面所占比例約為75%，按照每年12%的高等級(jí)公路路面需要維修來(lái)計(jì)算，每年就有約220 萬(wàn)噸的瀝青回收料(recaimed asphalt pavement，RAP)產(chǎn)生［1］。若直接將RAP 廢棄處置，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)也是一種對(duì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，所以對(duì)RAP 再生技術(shù)進(jìn)行研究十分必要。乳化瀝青冷再生技術(shù)是一種能夠重新利用RAP，使再生混合料具有良好的和易性且可在常溫下施工的瀝青混合料再生技術(shù)，是一種成本效益高的瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修、升級(jí)方式［2-3］。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于乳化瀝青冷再生方面的研究進(jìn)展很快，均取得了一定成果，且得到了廣泛的應(yīng)用。

乳化瀝青冷再生的效果受多種因素影響，如乳化瀝青的種類(lèi)及用量、混合料的級(jí)配、新集料的用量、拌和用水量、水泥的種類(lèi)及用量等。本文以不同比例的RAP 與新集料進(jìn)行配合，設(shè)計(jì)了3 種不同級(jí)配的乳化瀝青冷再生混合料，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定了混合料的最佳用水量，以干濕劈裂強(qiáng)度比為指標(biāo)分別評(píng)價(jià)了水泥用量和RAP 用量對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響，并得到了最優(yōu)試驗(yàn)級(jí)配。本文研究結(jié)果可為實(shí)際乳化瀝青冷再生工程配合比設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 原材料

乳化瀝青為自制改性陽(yáng)離子乳化瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。RAP 為某廢棄瀝青路面的銑刨料，本研究?jī)H將其看做黑色集料，RAP 中老化瀝青在冷再生過(guò)程中的機(jī)理暫不考慮。單純使用RAP 作為再生混合料集料，達(dá)不到設(shè)計(jì)的級(jí)配要求，故需要引入一定量的新集料，本研究使用的新集料有3 種，為石灰?guī)r質(zhì)，其技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，RAP 與新集料級(jí)配見(jiàn)表2。水泥為華新水泥廠生產(chǎn)的P.O.425 普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。水為一般自來(lái)水。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical parameters of asphalt emulsion

表2 RAP 與新集料級(jí)配Table 2 Gradation of RAP and new mixture

表3 水泥化學(xué)組成Table 3 Chemical compositions of the cement

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

關(guān)于冷再生混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外規(guī)范很多，但尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本研究的級(jí)配設(shè)計(jì)參照了《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)［4］中對(duì)乳化瀝青冷再生混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的要求，按照不同的RAP 用量，設(shè)計(jì)了3 個(gè)級(jí)配的冷再生混合料，3 種混合料各集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:混合料1 為25%RAP+40%1#新集料+35%2#新集料，混合料2 為50%RAP+25%1#新集料+25%2#新集料，混合料3 為75%RAP+15%1#新集料+5%2#新集料+5%3#新集料。3 個(gè)級(jí)配均滿(mǎn)足文獻(xiàn)［4］所規(guī)定的中粒式級(jí)配要求。圖1 為冷再生混合料合成級(jí)配曲線(xiàn)，與規(guī)范級(jí)配進(jìn)行了比較。

圖1 冷再生混合料合成級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Gradation curves of cold recycling mixtures

2.2 水泥和乳化瀝青用量

水泥在本研究中僅作為穩(wěn)定劑，而不將其看做活性填料，不考慮其對(duì)混合料級(jí)配的影響。為了考察水泥摻量變化對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響，本研究設(shè)定了5 個(gè)水平的水泥摻量，依次為RAP +新集料總質(zhì)量的0%，1%，2%，3%和4%;乳化瀝青在本研究中摻量固定為RAP+新集料總質(zhì)量的4.2%。

2.3 級(jí)配設(shè)計(jì)

混合料拌和均勻需要適量水分。如水分過(guò)少，則乳化瀝青難以分散、集料顆粒間潤(rùn)滑不足，導(dǎo)致混合料難以壓實(shí)，同時(shí)水泥也不能充分水化;如水分過(guò)多，則由于動(dòng)水壓力增加，也會(huì)導(dǎo)致混合料難以壓實(shí)，同時(shí)還會(huì)使乳化瀝青與水泥漿流失、水化物晶體發(fā)展不充分、養(yǎng)生時(shí)間延長(zhǎng)、材料強(qiáng)度降低［5］。因此，需要通過(guò)試驗(yàn)確定最佳拌和用水量。

將乳化瀝青用量固定為4.2%，參照現(xiàn)行《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)［6］中規(guī)定的方法，變化含水率對(duì)混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到3 種混合料各自在不同水泥摻量時(shí)的最大干密度，此時(shí)混合料的含水率即為最佳含水率OWC。本試驗(yàn)所用RAP 與新集料均為風(fēng)干料，可認(rèn)為它們含水率為0，故外加水量就等于混合料的最佳含水率OWC 與瀝青乳液所含水量的差值。表4 為通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)求得的混合料最佳液體總量和最大干密度，并計(jì)算出了試驗(yàn)時(shí)所需的實(shí)際外加水量。

從表4 可以看出，所有混合料的最大干密度均在2.00～2.20 g·cm-3之間。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Compaction test results

3 混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用15℃濕劈裂強(qiáng)度與干劈裂強(qiáng)度的比值來(lái)對(duì)混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體試驗(yàn)方法為:按配合比將混合料拌和均勻后，參照《公路的工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052-2000)［7］規(guī)定的方法，雙面各擊實(shí)75 次，制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件;完成擊實(shí)后，將試樣連同試模一起側(cè)放在60℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生72 h;然后將試模從烘箱中取出，側(cè)放在地面上，在室溫下冷卻20 h 后脫模。用于測(cè)定干劈裂強(qiáng)度的試件需先在15℃的空氣浴中放置1 d，然后進(jìn)行15℃劈裂試驗(yàn);用于測(cè)定濕劈裂強(qiáng)度的試件需要先浸泡在25℃的恒溫水浴中23 h，再在15℃的恒溫水浴中浸泡1 h，然后取出試件進(jìn)行15℃劈裂試驗(yàn)。

3.2 水泥用量對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響

圖2 反映了3 種混合料各自在不同水泥摻量下，其干劈裂強(qiáng)度與濕劈裂強(qiáng)度的變化情況。

圖2 混合料干濕劈裂強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between dry and wet splitting strength of mixtures and cement content

從圖2 可以看出，混合料3 的干劈裂強(qiáng)度和濕劈裂強(qiáng)度均隨著水泥摻量的提高而增大;當(dāng)水泥摻量低于3%時(shí)，混合料1 和混合料2 的干劈裂強(qiáng)度和濕劈裂強(qiáng)度也隨著水泥摻量的提高而增大，而當(dāng)水泥摻量為4%時(shí)，它們的干劈裂強(qiáng)度和濕劈裂強(qiáng)度均比3%水泥摻量時(shí)略低。

表5 為3 種冷再生混合料在不同水泥摻量時(shí)的水穩(wěn)定性。從表中可以看出，對(duì)于3 種類(lèi)型的混合料，其水穩(wěn)定性隨著水泥摻量的提高而增加;將1%水泥摻量與0%水泥摻量?jī)煞N情況進(jìn)行對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)3 種混合料的水穩(wěn)定性增幅分別達(dá)到了20.3%，20.8%和22.6%，水泥的加入對(duì)混合料水穩(wěn)定性的提升作用十分明顯。

表5 不同水泥摻量下混合料的干濕劈裂強(qiáng)度比Table 5 Ratio of dry and wet splitting strength of different cement content mixtures

以水化硅酸鈣凝膠為主的水泥水化產(chǎn)物一方面以水泥顆粒為中心向四周空間發(fā)展，逐漸將混合料內(nèi)的毛細(xì)空間填滿(mǎn)，從而形成均勻、密實(shí)、孔隙閉合的整體結(jié)構(gòu);另一方面水泥水化產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)在瀝青乳液的水相中形成和發(fā)展，與乳液破乳后放出的瀝青相互纏繞聚結(jié)，將混合料緊密結(jié)合為一個(gè)整體。在這兩方面的共同作用下，混合料的劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性隨水泥摻量的增加而得以提高。但是水泥摻量并不是越高越好，因?yàn)樗嘤昧康脑黾訒?huì)導(dǎo)致混合料干縮增加［8］，從而產(chǎn)生嚴(yán)重收縮裂縫使強(qiáng)度降低。這是水泥摻量為4%時(shí)，混合料2 和混合料3 的強(qiáng)度比3%水泥摻量時(shí)略低的原因。因此，確定本試驗(yàn)最佳水泥用量為3%。

3.3 RAP 用量對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響

選取水泥摻量為3%時(shí)，3 種混合料的干濕劈裂強(qiáng)度值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 3 種不同類(lèi)型混合料干濕劈裂強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Contrast of dry and wet splitting strength of three different types of mixtures

混合料1～料3 的RAP 用量分別為25%、50%和75%，從圖3 可以看出，隨著混合料中RAP 比的增加，混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度均逐漸減小;3 種混合料的干濕劈裂強(qiáng)度比分別為0.967，0.955，0.804，也是呈降低規(guī)律，但25%RAP 摻量的混合料水穩(wěn)定性?xún)H比50%RAP 摻量的混合料大1.2%，比75%RAP 摻量的混合料大16.3%。這是由于隨著RAP 用量的增加，混合料中石屑的含量會(huì)相對(duì)降低，從而導(dǎo)致集料與乳化瀝青的粘附作用減弱，使混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性降低。由于水泥的膠結(jié)作用，RAP 摻量從25%上升到50%的過(guò)程中，混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性降低幅度較小;當(dāng)進(jìn)一步增加混合料中RAP 用量時(shí)，水泥的膠結(jié)作用不足以補(bǔ)償因集料與乳化瀝青粘附作用減弱而損失的那部分強(qiáng)度，從而在宏觀上表現(xiàn)為混合料干、濕劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性較大幅度的降低。

實(shí)際冷再生施工時(shí)，混合料中新集料用量越少，則材料成本越低;但RAP 用量越大，混合料的性能往往越差。綜合考慮這兩方面的因素，本試驗(yàn)確定混合料2 級(jí)配為最優(yōu)級(jí)配。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)添加一定摻量和顆粒組成的新集料，與RAP 進(jìn)行配合，可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)工程設(shè)計(jì)級(jí)配要求的乳化瀝青冷再生混合料。

(2)水泥的加入可顯著提高乳化瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，但過(guò)高的水泥摻量會(huì)使混合料中形成嚴(yán)重收縮裂縫，反而會(huì)降低混合料的強(qiáng)度。

(3)隨著RAP 用量的增加，3 種混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均降低;但50% RAP 摻量的混合料與25% RAP 摻量的混合料相比，干、濕劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性降低幅度較小;75% RAP 摻量的混合料與25%RAP 摻量的混合料相比，干、濕劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性降低幅度較大。

(4)本研究最佳混合料配比為50%RAP+25%1#新集料+25%2#新集料，水泥摻量3%，乳化瀝青摻量4.2%，外加水量5.15%。最佳配合比混合料的15℃干劈裂強(qiáng)度為0.554 MPa，15℃濕劈裂強(qiáng)度為0.529 MPa，干濕劈裂強(qiáng)度比為0.955，均滿(mǎn)足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

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