全深式乳化瀝青冷再生混合料的性能研究

尹曉波，李俊曉

(1.華潤(rùn)水泥控股有限公司運(yùn)營(yíng)部，廣西 南寧 530000；2.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)

?

全深式乳化瀝青冷再生混合料的性能研究

尹曉波1，李俊曉2*

(1.華潤(rùn)水泥控股有限公司運(yùn)營(yíng)部，廣西 南寧 530000；2.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)

摘要：采用水泥和乳化瀝青固化回收舊瀝青路面材料(RAP)和穩(wěn)定土，制備全深式冷再生基層材料。研究了乳化瀝青摻量的變化對(duì)不同配比混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合微觀測(cè)試闡述了水泥和乳化瀝青在冷再生混合料中的作用機(jī)理。結(jié)果表明，適量的乳化瀝青摻量對(duì)混合料的性能提高有益，最佳乳化瀝青摻量為3%。微觀分析表明，水泥水化產(chǎn)物形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與瀝青乳液破乳后形成的瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互貫穿，不可分割，把冷再生混合料緊密地結(jié)合為一個(gè)半剛性的整體，使冷再生混合料強(qiáng)度得以形成和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：全深式冷再生；乳化瀝青；水泥；強(qiáng)度；水穩(wěn)定性

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%，每年在路面的翻修、改建和養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料。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)噸的廢舊瀝青混合料產(chǎn)生，而且可以預(yù)見(jiàn)的是，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，每年會(huì)產(chǎn)生更多的廢舊瀝青混合料。在許多實(shí)際工程中，廢舊的瀝青混合料往往會(huì)被廢棄處置，這不僅是一種資源的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)占用很多土地，并且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。采用瀝青道路冷再生技術(shù)，使得舊路面的材料得到重新利用，是解決這一問(wèn)題的一個(gè)有效措施，而且冷再生一般可節(jié)省總投資40%～50%[1～3]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于瀝青路面冷再生方面的研究進(jìn)展很快，取得了許多成果[1-4]。但文獻(xiàn)資料表明[5-8]，更多的冷再生研究側(cè)重于對(duì)瀝青路面面層材料進(jìn)行回收利用，即面層冷再生技術(shù)。而實(shí)際冷再生工程中，再生層往往不僅僅局限于瀝青面層，還包括非瀝青材料層，即全深式冷再生技術(shù)。因此，本文以全深式冷再生技術(shù)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)研究了不同配合比時(shí)，乳化瀝青用于全厚度冷再生基層材料時(shí)混合料的性能，并對(duì)乳化瀝青全厚度冷再生基層材料的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行了探討。

1試驗(yàn)

1.1原料

回收舊瀝青路面材料(RAP)取自湖北省武漢市某高速公路面層銑刨料，其中舊瀝青含量約4.0%；穩(wěn)定土為跟RAP取自同一路段的基層銑刨料，RAP與穩(wěn)定土的粒徑分布見(jiàn)圖1；乳化瀝青為自制的陽(yáng)離子乳化瀝青；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1；水為一般自來(lái)水。

圖1　RAP與穩(wěn)定土粒徑分布Fig.1　Particle size distribution of stabilized soil and RAP

成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OSO3燒失量質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%21.734.252.6763.592.210.552.391.75

1.2配合比設(shè)計(jì)

1.2.1混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

實(shí)際冷再生施工時(shí)，冷再生混合料中RAP與穩(wěn)定土的比例隨銑刨深度的變化而不同，銑刨越深，則混合料中RAP所占比例越小，穩(wěn)定土所占比例越大。為真實(shí)地模擬瀝青路面全深式冷再生工藝，冷再生混合料為RAP(R)與穩(wěn)定土(S)按質(zhì)量比R/S為1：1、1：2，1：4混合制備而成。三組合成級(jí)配均符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034-2000)[9]中所規(guī)定的二級(jí)及二級(jí)以下公路用作基層時(shí)水泥穩(wěn)定土的顆粒組成范圍。表2為混合料合成級(jí)配，并與規(guī)范級(jí)配進(jìn)行了比較。

表2　混合料合成級(jí)配

1.2.2乳化瀝青、水泥及水的用量

乳化瀝青共有5個(gè)摻量，在每組混合料中，其摻量分別為R+S總質(zhì)量的0%、1.5%、3%、4.5%和6%；水泥在本研究中僅作為穩(wěn)定劑[10-15]，而不將其看做活性填料，不考慮其摻量對(duì)混合料級(jí)配的影響，每組混合料的水泥摻量固定為R+S總質(zhì)量的3%；用水量根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水量添加。

1.3試件制備與試驗(yàn)方法

混合料配合比確定之后，對(duì)每組混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定出混合料的最佳拌合用水量，后續(xù)試驗(yàn)用水量均據(jù)此添加；最佳含水量確定以后，采用靜壓法制備試件，試件尺寸為Φ×H=100 mm×100 mm。擊實(shí)試驗(yàn)和試件制備均參照現(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)[16]規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。試件成型后，將試件用塑料薄膜裹覆，置于20 ℃的恒溫養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

本研究對(duì)混合料的7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并結(jié)合微觀照片分析了乳化瀝青全厚度冷再生基層材料的強(qiáng)度形成機(jī)理。

2結(jié)果與討論

2.1混合料擊實(shí)特性

圖2　混合料擊實(shí)特性Fig.2　Compaction characteristics of the mixture

不同配比時(shí)混合料擊實(shí)特性(最佳含水率和最大干密度)如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)RAP與穩(wěn)定土比例一定時(shí)，混合料最佳含水率隨著乳化瀝青用量的增加而降低，這是由于乳化瀝青中含有的水分可以為混合料提供部分拌和需水量，從而減少了外加水量；當(dāng)乳化瀝青摻量一定時(shí)，混合料的最佳含水率隨RAP與穩(wěn)定土質(zhì)量比的降低而增加，這是由于相同質(zhì)量的RAP與穩(wěn)定土相比，穩(wěn)定土拌和均勻所需要的用水量較多，而混合料中穩(wěn)定土的質(zhì)量是隨著RAP與穩(wěn)定土質(zhì)量比的降低而增加的，從而導(dǎo)致了混合料最佳含水率的增加；當(dāng)乳化瀝青摻量一定時(shí)，R/S為1:1的混合料最大干密度要比R/S為1:2和1:3兩組的大，這是由于在該配合比下，顆粒級(jí)配相對(duì)更佳，擊實(shí)后更易密實(shí)，從而表現(xiàn)為較大的最大干密度。

2.2無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)前，應(yīng)在養(yǎng)生齡期的最后一天將試件置于20 ℃的恒溫水槽內(nèi)浸泡24 h，然后將試件取出，吸干表面自由水，再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。圖3為混合料在7 d和28 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖3　混合料的7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3　Unconfined compressive strength of the mixture for 7 d and 28 d

從圖3可以看出，對(duì)于任一配比的冷再生混合料，其強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)大致相當(dāng)：當(dāng)乳化瀝青摻量低于3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著乳化瀝青摻量的增加而增大；而當(dāng)乳化瀝青摻量超過(guò)3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著乳化瀝青摻量的增加而顯著降低。當(dāng)乳化瀝青摻量為6%時(shí)，各組混合料的28 d強(qiáng)度較7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)不大，僅分別增長(zhǎng)了0.05、0.08、0.14 MPa。這是因?yàn)槿榛癁r青對(duì)混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的形成起著正反兩方面的作用：一方面由于適量乳化瀝青的加入，破乳后的瀝青與水泥水化產(chǎn)物共同作用，形成相互交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將RAP和穩(wěn)定土顆粒包裹起來(lái)，有利于混合料抗壓強(qiáng)度的形成；另一方面，當(dāng)混合料中乳化瀝青摻量過(guò)大時(shí)，破乳后形成的油膜會(huì)將未水化的水泥顆粒或水泥水化產(chǎn)物包裹住，阻礙了水泥的水化及其膠結(jié)作用的發(fā)揮，且乳化瀝青摻量越大，這種效應(yīng)越明顯。

當(dāng)乳化瀝青摻量固定為3%時(shí)，R/S=1:1的混合料7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均較其他兩組大，分別為2.78和3.14 MPa。這是因?yàn)樵谠撆浜媳认碌幕旌狭项w粒級(jí)配相對(duì)更佳，壓實(shí)后更加密實(shí)，有利于強(qiáng)度的發(fā)展，與擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.3水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)混合料路用性能的重要指標(biāo)。將試件在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)28 d，保水24 h后再風(fēng)干48 h，共經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)，最后保水24 h后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。對(duì)比試件則在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)生至干濕循環(huán)結(jié)束，飽水24 h后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)[17-18]。混合料的水穩(wěn)定性用干濕循環(huán)試件與對(duì)比試件的抗壓強(qiáng)度比來(lái)表征。圖4為不同配比時(shí)混合料的水穩(wěn)定性。

圖4　不同配比時(shí)混合料的水穩(wěn)定性Fig.4　Water stability of the mixture for different mix ratios

從圖4可以看出，乳化瀝青的加入可顯著提高混合料的水穩(wěn)定性，含乳化瀝青的混合料水穩(wěn)定性均大于0.8，當(dāng)乳化瀝青摻量在3%～4.5%時(shí)，混合料的水穩(wěn)定性最佳。與強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律不同的是，當(dāng)乳化瀝青摻量大于3%時(shí)，混合料的水穩(wěn)定性并不會(huì)隨乳化瀝青摻量的增加而顯著降低，且當(dāng)R/S=1:1時(shí)，6%乳化瀝青摻量的混合料比4.5%的混合料水穩(wěn)定性更佳。這是由于在多次干濕循環(huán)的過(guò)程中，隨著水分的滲透，混合料中被多余瀝青所包裹的水泥顆粒有一部分得以水化，對(duì)因水分侵蝕而造成的混合料強(qiáng)度損失起到了一定的補(bǔ)償作用。

3機(jī)理分析

圖5　混合料顯微形貌Fig.5　Microscopic morphology of the mixture

圖6　混合料SEM照片F(xiàn)ig.6　SEM photos of the mixture

冷再生混合料中的水泥水化后，水化產(chǎn)物以水泥顆粒為中心向四周空間發(fā)展，縱橫交錯(cuò)，逐漸填充滿混合料內(nèi)的所有毛細(xì)空間，從而形成均勻、密實(shí)且孔隙閉合的整體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了混合料的整體強(qiáng)度和抗水損害性[19]；同時(shí)，在瀝青乳液的水溶液部分，以水化硅酸鈣凝膠為主的水泥水化產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)在乳液的水相中形成和發(fā)展；另一方面，混合料中的瀝青乳液因壓實(shí)揮發(fā)等原因，逐漸開(kāi)始分解破乳，瀝青從乳液的水相中分離出來(lái)，形成許多微小瀝青顆粒，它們相互聚結(jié)，成為連續(xù)的整體薄膜，大部分以結(jié)構(gòu)瀝青的形式粘結(jié)在礦料表面。在這幾方面的共同作用下，當(dāng)兩種膠凝材料以適當(dāng)?shù)谋壤浜蠒r(shí)，它們之間既相互獨(dú)立又相互貫穿，不可分割，形成兩種材料和性質(zhì)均不相同的立體空間網(wǎng)絡(luò)，把冷再生混合料緊密地結(jié)合為一個(gè)半剛性的整體。這就是水泥乳化瀝青全厚度冷再生基層材料強(qiáng)度形成的原因。

圖5為R/S=1:1，乳化瀝青摻量為3%時(shí)混合料的顯微形貌，從圖中可以看出，混合料中的RAP和穩(wěn)定土與乳液破乳后放出的瀝青相互裹覆，形成了一個(gè)整體。為進(jìn)一步證實(shí)水泥在冷再生混合料中的作用機(jī)理，對(duì)上述混合料取樣進(jìn)行SEM測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6中有明顯的針狀和纖維狀凝膠，它們相互交織搭接，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一方面填充了混合料內(nèi)的毛細(xì)空間，另一方面也會(huì)在瀝青乳液的水相中繼續(xù)形成和發(fā)展，證實(shí)了前面對(duì)水泥在冷再生混合料中作用機(jī)理的分析。

4結(jié)語(yǔ)

(1)RAP與穩(wěn)定土比例一定時(shí)，混合料最佳含水率隨著乳化瀝青用量的增加而降低；乳化瀝青摻量一定時(shí)，混合料最佳含水率隨著RAP與穩(wěn)定土質(zhì)量比的降低而增加，且R/S=1:1的冷再生混合料最大干密度較R/S為1:2和1:3兩組的大。

(2)乳化瀝青摻量為3%時(shí)，各種配比的冷再生混合料抗壓強(qiáng)度均最大；乳化瀝青摻量低于或高于3%時(shí)，混合料強(qiáng)度均相對(duì)要低。

(3)乳化瀝青的加入可顯著提高冷再生混合料的水穩(wěn)定性，含乳化瀝青的冷再生混合料水穩(wěn)定性均大于0.8。與強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律不同的是，乳化瀝青摻量大于3%時(shí)，混合料的水穩(wěn)定性并不會(huì)隨乳化瀝青摻量的增加而顯著降低。

(4)水泥水化產(chǎn)物形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與瀝青乳液破乳后形成的瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互貫穿，不可分割，把冷再生混合料緊密地結(jié)合為一個(gè)半剛性的整體，此即水泥乳化瀝青全厚度冷再生基層材料強(qiáng)度形成的原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]HARDISON T.Guidelines for cold in-place recycling[C]//Asphalt Emulsion Manufacturers Association 22nd Annual Meeting and the 19th Annual Meeting of the Asphalt Recycling & Reclaiming Association. Annapolis, MD, US:AEMA/ARRA,1995:102-127.

[2]拾方治,李秀君,孫大權(quán),等. 冷再生瀝青混合料設(shè)計(jì)方法概述[J].公路, 2004,(11) :102-107.

[3]KANDHAL P S, MALLICK R B.Pavement recycling guide lines for state and local goverments-participant's handbook [EB/OL].[2014-11-10].http://ntl.bts.gov/lib/7000/7600/7607/Frontpg.pdf

[4]丁樸,陳曉光.瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)冷再生研究[J].公路與汽運(yùn),2006(1):33-36.

[5]曾夢(mèng)瀾,肖杰,吳超凡,等.冷再生瀝青混合料RAP含量對(duì)使用性能的影響[J].中南公路工程,2007,32(2):27-31.

[6]吳曠懷,李燕楓,楊國(guó)梁,等.乳化瀝青冷再生瀝青混合料的研究[J].暨南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,29(3):281-285.

[7]陳祥峰,張嘉林,常明豐.廠拌乳化瀝青冷再生配合比設(shè)計(jì)[J].公路,2012 (8):208-211.

[8]鐘夢(mèng)武,吳超凡,于永生,等.摻加水泥的乳化瀝青冷再生瀝青混合料設(shè)計(jì)方法研究[J].公路,2008 (1):195-199.

[9]JTG F41-2008, 公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[S].

[10]ISSA R, ZAMAN M M, MILLER G A, et al. Characteristics of cold processed asphalt millings and Portland cement emulsion composite[C]//80th annual meeting of TRB.2001.

[11]CROSS S A, YOUNG D A. Evaluation of type C fly ash in cold in-place recycling[J]. Transportation Research Record, 1997(1583):82-90.

[12]NIAZI Y, JALILI M. Effect of Portland cement and lime additives on properties of cold in-place recycled mixtures with asphalt emulsion[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23(3): 1338-1343.

[13] TAHA R, AL-HARTHY A, AL-SHAMSI K, et al. Cement stabilization of reclaimed asphalt pavement aggregate for road bases and subbases[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2002, 14(3): 239-245.

[14]何亮,王真,馬育,等.發(fā)泡劑對(duì)瀝青發(fā)泡和混合料水穩(wěn)定性的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2010,13(2):198-202.

[15]TAHA R, ALI G, BASMA A, et al. Evaluation of reclaimed asphalt pavement aggregate in road bases and subbases[J]. Transportation Research Record, 1999 (1652): 264-269.

[16]JTG E51-2009.公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[17]凌建明,謝華昌,莊少勤,等.水泥-石灰土水穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,29(6):733-737.

[18]王建明.石灰粉煤灰穩(wěn)定高液限粘土的路用技術(shù)性能[J].粉煤灰綜合利用，1998 (3):7-10.

[19] 江蘇省交通科學(xué)研究院. 滬寧高速公路瀝青路面再生技術(shù)研究階段匯報(bào)[Z]. 2004:22-28.

【環(huán)境與生態(tài)】

Performance of emulsified asphalt full thickness

cold recycling subgrade materials

YIN Xiao-bo1,LI Jun-xiao2*

(1.Operation Department, China Resources Cement Holdings Co.Ltd., Nanning 530000, China ;

2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Institute of

Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

Abstract∶Cement and emulsified asphalt were employed to solidify RAP and stabilized soil, which were then employed to prepare full thickness cold recycling subgrade materials.We addressed the impact of emulsified asphalt adding amount change on unconfined compressive strength, indirect tensile strength and water stability of different ratios of cold recycled mixtures.We further state the function mechanism of cement and emulsified asphalt in the mixtures via microscopic test.Results show that appropriate emulsified asphalt addition can improve the performance of cold recycled mixtures, the optimum emulsified asphalt addition of 3%.Microscopic test indicates cement hydration formed space network structure interfingers with emulsified asphalt post-emulsion formed asphalt network structure,not detachable.They closely combine the cold recycled mixtures to be a semi-rigid whole.The strength of the cold mixtures can be formed and developed.

Key words∶full thickness cold recycling; emulsified asphalt; cement; strength; water stability

中圖分類號(hào)：TU528.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2015)04-0065-06

通訊作者＊。Email:caike0501@163.com

作者簡(jiǎn)介：尹曉波(1987-)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榈缆饭こ滩牧稀⒔ㄖこ滩牧稀?/p>

收稿日期：2014-12-04

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.012