乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性的試驗研究*

汪德才 郝培文 李瑞霞 劉 娜

(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院1) 鄭州 450000) (河南省道路材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心2) 鄭州 450006)(河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司3) 鄭州 450006)(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點試驗室4) 西安 710064)

0 引 言

隨著乳化瀝青冷再生技術(shù)應(yīng)用在高等級公路路面結(jié)構(gòu)層位的不斷提升，如瀝青路面中下面層，對其混合料技術(shù)性能的要求也有相應(yīng)提高，筆者通過對早期修建的乳化瀝青冷再生路段長期跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)部分服役路段早期出現(xiàn)了諸如橫向裂縫、縱向裂縫與網(wǎng)裂等病害，而文獻[1]對低溫抗裂性并未提出明確技術(shù)要求，這也成為制約該項技術(shù)發(fā)展的一項瓶頸，因此如何提升乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性逐漸成為大家的共識[2].李鋒等[3]基于半圓彎曲SCB試驗分析研究了水泥對乳化瀝青冷再生混合料低溫性能的影響，并推薦了低溫評價指標(biāo)斷裂能密度及相應(yīng)技術(shù)要求.韓慶奎等[4]研究了SBR膠乳對乳化瀝青冷再生混合料低溫性能的影響，試驗表明SBR用量增加提高了混合料的彎曲勁度模量及彎拉強度，增大了彎拉應(yīng)變，當(dāng)SBR用量為3%時，混合料具有良好低溫性能.馬露露[5]基于彎曲破壞試驗與間接拉伸試驗，研究了乳化瀝青用量、試驗溫度、水及水泥對乳化瀝青冷再生混合料低溫性能的影響，并分析了破壞強度的變化規(guī)律.李亞菲[6]研究了不同用量的水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青冷再生混合料中早期強度與耐久性的影響，得出水性環(huán)氧樹脂能顯著改善混合料早期強度、高低溫性能及耐久性.陳誠等[7]基于室內(nèi)試驗研究得出橡膠粉改性乳化瀝青用于冷再生混合料中，能顯著改善混合料早期強度、低溫抗裂性與疲勞性能.

綜上所述，關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料技術(shù)手段主要是添加水泥、SBR改性乳液、環(huán)氧樹脂及橡膠粉等，對于乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性提升的技術(shù)手段很少涉及到再生劑、玄武巖纖維、布敦巖瀝青等方式，本文針對如何提升乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性，以抗彎拉應(yīng)力與斷裂能密度為評價指標(biāo)，開展四種技術(shù)手段共七種不同類型的冷再生混合料低溫抗裂性的試驗研究，提升乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性.

1 材料組成

試驗所用RAP為某高速公路瀝青面層銑刨后所得，集料為石灰?guī)r碎石，對RAP進行抽提試驗，測得RAP中舊瀝青含量為4.87%，回收瀝青25 ℃針入度為2.4 mm，15 ℃延度為11.6 cm，軟化點為60.8 ℃，60 ℃黏度為3 013 Pa·s.RAP抽提前后的級配組成見表1所示.選用工程中常用的冷再生陽離子慢裂快凝型乳化劑，采用70號道路石油瀝青，在室內(nèi)通過膠體磨制備乳化瀝青，其殘留分含量為62.7%，篩上殘留物(1.18 mm篩)指標(biāo)為0.65，25 ℃針入度指標(biāo)為7.7 mm,15 ℃延度指標(biāo)為56.6 cm，常溫儲存穩(wěn)定性0.4%/1 d，1.3%/5 d.

當(dāng)RAP的級配組成不滿足設(shè)計要求時，需要添加新集料來調(diào)整材料組成，參考文獻[1]中乳化瀝青冷再生混合料級配要求設(shè)計，為減小材料組成的變異性，將RAP篩分為四擋，并添加了10%的石灰?guī)r碎石10～20 mm，RAP篩分結(jié)果及級配組成見表2，級配曲線見圖1.

表1 RAP抽提前后級配組成

表2 乳化瀝青冷再生材料組成

圖1 乳化瀝青冷再生混合料級配曲線

試驗所用水泥為32.5普通硅酸鹽水泥，其0.075 mm篩通過率為94%，初凝時間約4.5 h，終凝時間約7.0 h，水泥外摻用量1.5%，水為飲用自來水，原材料技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求.最佳乳化瀝青用量、拌和用水量均基于旋轉(zhuǎn)壓實50次成型試件時最大劈裂強度而確定，分別為4.0%，3.6%.

選用再生劑、玄武巖纖維、SBR膠乳與布敦巖瀝青四種技術(shù)手段對乳化瀝青冷再生混合料進行改性，考察四種不同技術(shù)手段對其冷再生混合料低溫抗裂性的影響.

再生劑(rejuvenation agent，RA)為熱再生常用，60 ℃黏度2.3 Pa·s，飽和分含量25%，芳香分含量75%，TFOT前后質(zhì)量變化1.6%，粘度比2.1.這種再生劑常溫下粘度較大，若按推薦用量直接添加，難以均勻分散，為提高再生劑的分散和滲透效果，按1∶2的比例與自制的有機溶劑進行混合，均勻的噴灑在舊料表面.添加比例按舊料中舊瀝青含量的4%，8%，12%.短切玄武巖纖維(basalt fiber，BF)，外觀為金褐色，密度2.463g/cm3，直徑15 μm，長度6mm，斷裂伸長率3.1%，抗拉強度3 000～4 800 MPa，彈性模量90～100 GPa，吸油率70%.布敦巖瀝青(buton rock asphalt,BRA)由高黏度純?yōu)r青(rock asphalt，RA)與高活性礦物質(zhì)(buton rock，BR)組成，礦物質(zhì)顆粒粒徑很細(xì)，吸附瀝青能力較強.為黑褐色顆粒，瀝青含量25%，灰分含量75%,密度1.71 g/cm3，含水量小于1%.SBR膠乳常溫下呈乳白色液狀，易于流動，是一種陰離子型聚合物分散體，能顯著改善瀝青感溫性和粘彈性.采用進口SBR膠乳，帶陽離子電荷，固含量50%，pH值5～7，機械穩(wěn)定性(5 min)≤1%.根據(jù)各材料廠家推薦最佳摻量，并參考相關(guān)研究成果及工程經(jīng)驗，BF設(shè)計摻量為冷再生混合料的3.5‰，BRA設(shè)計摻量為冷再生混合料的3.5‰，SBR膠乳設(shè)計摻量為乳化瀝青用量的3%.

2 試驗方法及參數(shù)

2.1 SCB試驗方法

SCB試驗方法[8-9]是近年來歐洲和美國應(yīng)用和發(fā)展的一種半圓試件進行彎拉等試驗的方法，這種試驗方法可以對多種成型方法的瀝青混合料進行分析與評價，尤其可以對路面芯樣進行方便快捷的多種目的試驗.半圓彎曲試驗原用于巖石力學(xué)性能的研究，被ISRM(the International Society for Rock Mechanics)推薦為測定巖石斷裂強度的方法，后引入到瀝青加鋪層的設(shè)計中，用于評價加鋪層的抗裂性能，稍后有Mull等采用帶切口的半圓試件驗評價了橡膠瀝青混合料的抗裂性能，半圓彎曲試驗裝置見圖2.

圖2 半圓彎曲試驗示意圖

2.2 SCB試驗參數(shù)

本試驗采用旋轉(zhuǎn)壓實儀50次成型直徑150 mm，高(105±5) mm的試件后脫模，先放在自然環(huán)境中自然養(yǎng)生24 h，再放入40 ℃鼓風(fēng)烘箱中加速養(yǎng)生不少于72 h.為了保證乳化瀝青冷再生混合料的均勻性，采用直徑為100 mm的鉆芯取樣機，鉆取直徑為100 mm、高為100 mm 的圓柱體試件，然后用巖石切割機從高度中點位置將試件切割成上下對稱的兩個圓柱體試件，并分別將每個圓柱體試件沿直徑方向切割成兩個高度25 mm、直徑100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)半圓試件，對每個半圓柱體直徑邊的中點向半圓方向切割一條深度為(15±2.5) mm、寬度(2.5±1) mm的直縫，采用加載速率為5 mm/min.兩支座距離80 mm，試驗溫度為-10 ℃.試驗設(shè)備為IPC UTM-25.

2.3 SCB試件抗彎拉強度及應(yīng)變計算

1) 試件底部拉應(yīng)力值計算 在試件底部支點距離為試件直徑的0.8倍時，為

(1)

式中：σt為試件底部拉應(yīng)力值，MPa；B為試件厚度，mm；D為試件直徑，mm；F為豎直方向荷載，N.

2) 試件底部拉應(yīng)變計算

式中：ε為試件底部中心處的應(yīng)變；d為試件底部中心處的撓度，mm；D為試件直徑，mm；s為兩個托輪間距離0.8D，mm.

3) 斷裂能密度計算

(3)

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述既定的試驗方案及SCB試驗設(shè)定的參數(shù)，對七組不同類型的乳化瀝青冷再生混合料進行SCB試驗，試驗結(jié)果見表3.

表3 乳化瀝青冷再生混合料SCB試驗結(jié)果

由表3可知：

1) 與普通乳化瀝青冷再生混合料的彎拉應(yīng)力對比分析來看，除摻加玄武巖纖維后的乳化瀝青冷再生混合料彎拉應(yīng)力降低15%外，添加再生劑、SBR膠乳及布敦巖瀝青的冷再生混合料彎拉應(yīng)力均有不同程度提升.當(dāng)乳化瀝青冷再生混合料中添加再生劑為4%，8%，12%時，其冷再生混合料彎拉應(yīng)力分別增加128%，204%，175%；當(dāng)采用SBR膠乳改性乳化瀝青時，其冷再生混合料彎拉應(yīng)力增加21%；當(dāng)乳化瀝青冷再生混合料摻加布敦巖瀝青時，其冷再生混合料的彎拉應(yīng)力增加20%.以上分析可以看出提升乳化瀝青冷再生混合料彎拉應(yīng)力最明顯的是添加再生劑，其次是SBR改性與布敦巖瀝青改性方式，從不同用量的再生劑提升冷再生混合料彎拉應(yīng)力分析來看，存在一個最佳再生劑用量.

2) 計算乳化瀝青冷再生混合料的斷裂能密度發(fā)現(xiàn)：當(dāng)乳化瀝青冷再生混合料中添加再生劑4%，8%，12%時，其冷再生混合料斷裂能密度分別增加120%，189%，247%，增加的幅度越來越小；當(dāng)乳化瀝青冷再生混合料摻加玄武巖纖維時，其冷再生混合料的斷裂能密度降低30%；采用SBR膠乳改性乳化瀝青時，其冷再生混合料的斷裂能密度增加8%；當(dāng)乳化瀝青冷再生混合料摻加布敦巖瀝青時，其冷再生混合料的斷裂能密度降低3%.

3) 對比分析彎拉應(yīng)力與斷裂能密度試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)四種不同技術(shù)手段下的乳化瀝青冷再生混合料所表現(xiàn)的規(guī)律并不完全一致，對于彎拉應(yīng)力而言，除在冷再生混合料中摻加玄武巖纖維方式外，其他五種冷再生混合料的彎拉應(yīng)力均有不同程度增加.對于斷裂能密度而言，添加不同用量的再生劑與SBR改性對乳化瀝青冷再生混合料斷裂能密度均有提升，且隨著再生劑用量的增加，冷再生混合料斷裂能密度增加，而在冷再生混合料中摻加布敦巖瀝青的技術(shù)手段相比于普通乳化瀝青冷再生混合料的斷裂能密度稍有下降；摻加玄武巖纖維的乳化瀝青冷再生混合料斷裂能密度有明顯降低.

4) 再生劑的主要作用是降低老化瀝青的粘度，軟化過硬的舊瀝青混合料，在旋轉(zhuǎn)壓實作用下會進一步均勻分散，提高瀝青材料粘附性；另外部分再生劑滲入RAP，充分與舊瀝青組分融合，軟化部分舊瀝青，并使得冷再生混合料更易壓實，降低空隙率，提高強度，再生劑用量越多，反而抗彎拉強度有所減小，但抗變形能力不斷增加，所以從冷再生混合料彎拉強度的角度分析，并非再生劑用量越多越好，存在最佳摻量.通過改善瀝青組分間配伍關(guān)系，摻加再生劑后的抗變形能力不斷增加后，從而會使得摻加再生劑后的冷再生混合料斷裂能密度不斷增大.

瀝青和SBR共混結(jié)構(gòu)中，低溫狀態(tài)下的瀝青和SBR屬于“硬包軟”的狀態(tài)，此時SBR屬于軟彈狀態(tài)，而瀝青則屬于剛性較硬狀態(tài)，SBR的加入讓瀝青在低溫下的變形能力增強，因此摻加膠乳后混合料低溫抗裂性能會得到明顯的改善.

對于玄武巖纖維改性方式，在一定程度上反而降低了冷再生混合料的低溫抗裂性，分析原因主要是玄武巖纖維比表面積較大，且表面粗糙，降低了和易性，從而增加了壓實的難度；玄武巖纖維具有良好親水性，當(dāng)玄武巖纖維投入冷再生混合物后，隨即分散成極細(xì)的絮狀纖維絲，包裹這些絮狀纖維絲需要大量漿體，難以確保舊料的裹復(fù)效果.再者，玄武巖纖維難以分散均勻，拌合時容易成團，與乳化瀝青相容性較差，也可能削弱了乳化瀝青與舊瀝青或集料間的界面.

BRA巖瀝青是經(jīng)過億萬年的海底沉淀形成的一種天然瀝青，與舊瀝青相容性有天然優(yōu)勢；另一方面BRA巖瀝青中有石灰?guī)r礦物質(zhì)，不僅粒度細(xì)，而且吸油能力好，可以提高瀝青與集料間的粘附性，同時包含的一部分礦物成分能填充乳化瀝青混合料的空隙，也會形成新老瀝青的薄弱界面，雖然整體上有所提升冷再生混合料的抗彎拉強度，但抗變形能力有所下降，從而整體上對冷再生混合料的斷裂能密度影響不大.

4 結(jié) 論

1) 與普通乳化瀝青冷再生混合料彎拉應(yīng)力對比分析，除摻加玄武巖纖維后的乳化瀝青冷再生混合料彎拉應(yīng)力有所降低外，添加再生劑、布敦巖瀝青及SBR膠乳改性方式對其冷再生混合料彎拉應(yīng)力均有不同程度提升，其中乳化瀝青冷再生混合料彎拉應(yīng)力提升最明顯的是添加再生劑方式，其次是SBR膠乳改性與布敦巖瀝青改性方式，且再生劑存在一個最佳用量，其冷再生混合料的抗彎拉應(yīng)力最大.

2) 分析七種不同乳化瀝青冷再生混合料斷裂能密度發(fā)現(xiàn)：添加再生劑的技術(shù)方式能顯著改善乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性，其次是SBR膠乳改性，摻加布敦巖瀝青的技術(shù)方式對其冷再生混合料低溫抗裂性影響較小，而摻加玄武巖纖維的技術(shù)方式降低了冷再生混合料的低溫抗裂性，其中乳化瀝青冷再生混合料斷裂能密度隨再生劑用量增加而增大，但增加幅度減小.

3) 采用抗彎拉應(yīng)力指標(biāo)與斷裂能密度指標(biāo)對其不同改性方式的乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性進行評價，結(jié)果并不完全一致，尤其對不同用量的再生劑改性冷再生混合料低溫抗裂性方面，在評價乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性時推薦采用斷裂能密度指標(biāo)，并輔以抗彎拉應(yīng)力指標(biāo).