水泥用量對泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響

黃任遠，黃萬坦

（1.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽550008；2.招商局重慶交通科研研究院有限公司，重慶400067）

泡沫瀝青冷再生技術是一種利用專業的銑刨設備將破損的瀝青路面面層甚至基層破碎銑刨掉，然后加入適量的新集料和泡沫瀝青黏結料，最后把新拌制成的泡沫瀝青混合料攤鋪、壓實的施工過程[1]。泡沫瀝青冷再生技術應用在道路維修改造中具有適用性強、環保節能、儲存性能好、成本低、早期強度高等特點[2]。國內外對其進行了大量研究，長安大學徐金枝博士[3]提出了泡沫瀝青冷再生混合料的配合比設計方法；曹翠星等人[4]研究了泡沫瀝青的發泡機理，并提出了發泡性能的衰退方程；同時我國于2008 年編寫了《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）[5]。在泡沫瀝青冷再生混合料中摻入一定量的水泥對其物理力學性能會產生一定影響[6]，本文將對水泥摻量變化對泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響規律進行研究。

1 原材料

1.1 瀝青

本試驗研究選用中海70#基質瀝青進行發泡瀝青的制備。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052—2011），通過室內試驗對基質瀝青的具體指標進行測定和評價，具體試驗技術指標見表1。

表1 基質瀝青技術指標

通過室內瀝青發泡試驗，結合膨脹率和半衰期的試驗結果，最終確定中海70#瀝青的最優發泡條件見表2。

表2 泡沫瀝青發泡條件

1.2 水泥

本試驗水泥選用的是32.5#普通硅酸鹽水泥，具體技術指標見表3。

表3 水泥技術指標

1.3 集料與礦粉

本試驗研究依托于山西某城市道路大修工程，集料選用的是瀝青原路面面層銑刨料，新集料選用的是玄武巖。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052—2011）對集料的技術指標進行測定，具體指標參數見表4。

表4 集料技術指標

根據《公路泡沫瀝青冷再生路面設計與施工技術規程》（DB33/T 715—2008）中的級配要求，本試驗選用的摻配比例為：面層銑刨料∶碎石∶石屑∶水泥=81%∶7%∶10%∶2%，最佳拌和用水量取6.2%，最佳泡沫瀝青用量取3.0%。

2 水泥對混合料性能的影響分析

復合設計要求的泡沫瀝青混合料應具有良好的物理力學性能、水穩定性以及高溫穩定性等性能。本文在此重點對上述三種性能進行研究，找出它們隨水泥用量的變化規律，為以后的工程設計提供可靠的參考依據。

2.1 物理性能分析

瀝青混合料的物理性能主要包括密度和孔隙率。研究表明，泡沫瀝青混合料的密度要比普通熱拌瀝青混合料小，更難壓實，而水泥的添加能夠有效改善泡沫瀝青混合料的壓實性能。本文通過室內試驗，利用表干法測定水泥用量分別為0%、1%、2%、3%時泡沫瀝青混合料的孔隙率和密度。首先利用馬氏擊實儀將按上述配合比拌制而成的泡沫瀝青混合料成型為標準的馬歇爾試件，養生12h后脫模，然后利用表干法測定密度和孔隙率。具體試驗結果見表5，密度和空隙隨水泥用量的變化規律如圖1所示。

表5 密度和孔隙率測定值

圖1 密度和孔隙率隨水泥用量的變化規律圖

從表5 和圖1 可以看出，泡沫瀝青混合料的毛體積密度和最大理論密度都隨著水泥用量的增加而增大，而毛體積密度的增大速率要比最大理論密度快，所以混合料的孔隙率隨著水泥用量的增加而減小。當水泥用量從0%增加到3%時，毛體積密度增大了0.076g/cm3，而最大理論密度僅增大了0.052g/cm3，孔隙率則降低了1.2%。這主要是因為水泥與細集料相比更細，更容易填充進粗集料間的空隙中，從而使得混合料更加密實，孔隙率更小。

2.2 水穩定性分析

目前國內外通常采用增加瀝青用量的方法來提高泡沫瀝青混合料的水穩定性[7]，因為隨著瀝青用量的增加，孔隙率不斷減小，而且瀝青用量的增加可以增強集料與瀝青之間的黏附力，但這種方法會使混合料的高溫性能受到影響。部分研究表明，水泥的添加能夠對混合料的水穩定性產生影響。本文在此利用間接拉伸試驗對0%、1%、2%、3%水泥用量泡沫瀝青混合料的殘留劈裂強度比進行對比分析，以評價泡沫瀝青冷再生混合料的水穩定性，計算公式如式（1）所示[8]。

式中： ITSret為泡沫瀝青混合料的殘留劈裂強度比； ITSwet為浸水養護后測定的間接拉伸強度；ITSdry為干燥條件下測定的間接拉伸強度。

通過室內試驗測定試件的ITSwet和ITSdry，具體結果見表6。間接拉伸強度與殘留強度比隨水泥用量的變化規律如圖2所示。

表6 間接拉伸試驗結果

圖2 間接拉伸強度與殘留強度比的變化規律

從表6 和圖2 可以看出，泡沫瀝青混合料的干、濕間接拉伸強度和殘留強度比均隨著水泥用量的增加而增大，但是當水泥用量超過2%時，殘留強度比的增長速度明顯減慢，當水泥用量從0%增加到3%時，ITSdry增加了34.97kPa，ITSwet增加了138.37kPa，而殘留強度比則增加了22.15%。水泥之所以能夠顯著改善泡沫瀝青混合料的水穩定性，其主要原因是水泥這種堿性材料添加到含有弱酸性羥基及亞砜的瀝青膠結料中，能夠促進水泥與瀝青的化學反應，生成黏結性更強、更穩定的新物質，這種物質具有極強的吸附能力，當其牢牢吸附在瀝青集料表面時能夠使混合料黏結得更加牢固，從而有效改善泡沫瀝青混合料的水穩定性。

2.3 抗剪切性能分析

各黏結層間的抗剪切強度是評價瀝青混合料抵抗車輛水平剪切應力破壞的關鍵指標。由于泡沫瀝青冷再生混合料的強度較低，通常用于基層材料，因此本文采用45°斜剪試驗來測定混合料與面層及基層的抗剪切強度，以此來評價混合料的抗剪切性能及黏結性能。測定基層黏結時是以水泥穩定碎石為下基層，泡沫瀝青混合料為上基層；測定面層黏結時，選用泡沫瀝青混合料為基層，AC—20 混合料為面層。斜剪試驗在UTM—100試驗機上完成，加載速度為10mm/min。具體試驗結果見表7，抗剪切強度隨水泥用量的變化規律如圖3所示。

表7 斜剪試驗結果

圖3 抗剪切強度隨水泥用量的變化規律

從表7 和圖3 可以看出，泡沫瀝青混合料與面層和基層的黏結強度都隨著水泥用量的增加而增大。水泥用量從0 增加到3%時，兩種黏結力分別增大了0.88MPa 和0.54MPa。從圖中可以看出，混合料與面層的黏結強度要比與基層的黏結強度大。水泥的添加之所以能夠提高泡沫瀝青混合料的抗剪切性能，主要是由于弱酸性的瀝青能夠與堿性的水泥發生化學反應生成黏結強度更高的物質，而且水泥是一種水硬性材料，能夠提高瀝青混合料的塑性，因此對泡沫瀝青與面層及基層的黏結性能有顯著的改善作用。大量研究表明，通常在行車荷載作用下，距離瀝青路面面層5cm以下深處的剪切力均小于0.52MPa，這表明泡沫瀝青冷再生混合料既能夠用于高等級公路的基層，也可以用于低等級公路的下面層。

2.4 高溫穩定性分析

瀝青路面在高溫下常會出現推移、擁抱、泛油等病害，而瀝青混合料的高溫穩定性能夠較好地表征路面抵抗剪切流動變形的能力，是評價路用性能的重要指標之一。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），本文選用車轍試驗測定動穩定度，作為評價泡沫瀝青混合料高溫性能的指標。首先利用車轍板成型機成型300mm×300mm×50mm 的車轍板，然后在60℃±1℃的車轍試驗機中進行車轍試驗。試驗機采用直徑200mm、寬50mm、輪壓0.7MPa 的實心橡膠輪胎，加載運行速度為42±1 次/min，計算公式如式（2）[8]所示。

式中：DS 為動穩定度；d1與d2分別為加載時間為t1與t2時所對應的豎向變形，通常情況下t1與t2分別取45min與60min；C1與C2分別為試驗機類型修正系數和試件系數；N為加載速率。

車轍試驗結果見表8，車轍深度和動穩定度隨水泥用量的變化規律如圖4所示。

表8 車轍試驗結果

圖4 車轍深度和動穩定度隨水泥用量的變化規律

從圖4可以看出，隨著水泥用量的增加和養護時間的增長，泡沫瀝青混合料的動穩定度也不斷增大，而車轍深度則不斷減小，水泥用量從0增加到3%時，養護7d 后的動穩定度提高了65%左右，而車轍深度則減小了1倍左右，這說明添加水泥能夠提高泡沫瀝青混合料在高溫條件下的抗車轍能力（即高溫穩定性）。而我國一般規范規定瀝青路面的動穩定度不得低于3000 次/mm。由表8 可知，只要達到一定水泥用量和一定養護時間的泡沫瀝青混合料均能滿足設計要求。這主要由于水泥不僅是一種水硬性材料，添加到瀝青混合料中能夠增加其硬度，增強混合料抵抗變形的能力，而且還能與瀝青反應生成更加牢固的物質，因此可以有效提高瀝青混合料的高溫穩定性。

3 結論

室內試驗和理論分析表明，泡沫瀝青冷再生技術是一種經濟環保的維修養護工藝，水泥的添加能夠有效地改善泡沫瀝青冷再生混合料的物理力學性能。本文通過試驗研究，得出以下結論：

（1）水泥作為細集料對泡沫瀝青混合料的空隙進行填充，使其密度隨著水泥用量的增加而增大，而孔隙率則不斷減小；水泥用量從0 增加到3%時，孔隙率降低了1.2%；

（2）由于水泥是一種水硬性材料，又可以與瀝青反應生成黏度和強度更高的物質，因此泡沫瀝青冷再生混合料的抗剪切能力、水穩定性及高溫穩定性均隨著水泥用量的增加而增強；水泥用量從0 增加到3%時，殘留強度比增加了22.15%，養護7d 后的動穩定度也提高了65%左右，而作為黏結層時與面層及基層的黏結力分別提高了0.88MPa和0.54MPa。

[1] 詹海玲，潘艷珠.瀝青和水泥摻量對泡沫瀝青混合料強度的影響[J]. 公路交通科技：應用技術版，2013（8）：75-79.

[2] 拾方治.瀝青路面泡沫瀝青再生基層的研究[D].上海：同濟大學，2006.

[3] 徐金枝.泡沫瀝青及泡沫瀝青冷再生混合料技術性能研究[D].西安：長安大學，2007.

[4] 曹翠星，何桂平，邱欣.兩種進口瀝青衰退方程的比較和機理分析[J].中國公路學報，2005（7）：32-36.

[5] JTG F41—2008，公路瀝青路面再生技術規范[S].

[6] 拾方治，赫振華，呂偉民，等.泡沫瀝青混合料設計方法的試驗研究[J].公路交通科技，2004，21（10)：1-4.

[7] 王云彤.瀝青混合料水穩定性試驗方法剖析[J].山西交通科技，2011（1）：17-18.

[8] JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].