級配和水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料路用性能的影響

李強，許傲，陳浩，商健林，張帥

級配和水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料路用性能的影響

李強1, 2，許傲1，陳浩3，商健林4，張帥4

(1. 南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037；2. 機電產品包裝生物質材料國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南京 210037；3. 常州星河協通房地產開發有限公司，江蘇 常州 213100；4. 江蘇北極星交通產業集團有限公司，江蘇 南通 226010)

為評價級配和水泥摻量的影響，分別采用無側限抗壓強度試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗和小梁彎曲試驗對不同類型泡沫瀝青冷再生混合料的力學性能、水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性進行測試。研究結果表明：在再生料中摻加新集料可以降低2.3%～3.3%的空隙率。通過同時摻加新粗、細集料和礦粉來進行再生料級配優化可以獲得最優的力學性能和高溫穩定性，但是其水穩定性和低溫抗裂性不如僅摻加新細集料和礦粉的情況。雖然再生料路用性能隨著水泥摻量的增加而不斷提高，但是考慮到潛在的收縮開裂問題，建議在控制水泥摻量的前提下通過優化級配來改善泡沫瀝青冷再生混合料的路用性能。級配和水泥摻量對于不同的路用性能的影響顯著性有所差異。級配對高溫穩定性的影響更加顯著，而水泥劑量對水穩定性的影響更加顯著。

瀝青混合料；泡沫瀝青冷再生；級配；水泥摻量；顯著性分析

在極短的時間內將眾多細微水體顆粒噴入高溫瀝青中，水體顆粒遇熱形成氣泡使瀝青體積迅速膨脹，從而產生大量的瀝青泡沫，瀝青泡沫隨后會出現破裂，這種包含水、氣、瀝青的三相混合體就是泡沫瀝青。近年來廢舊路面材料回收及再生技術受到了極大的關注，泡沫瀝青主要適用于冷再生和溫拌技術[1?2]。與溫拌技術相比，泡沫瀝青冷再生技術不僅同樣能夠實現節能減排，而且還能有效使用廢舊路面材料，兼具節約資源和保護環境的優勢。泡沫瀝青冷再生混合料主要用于道路底面層或基層，其路用性能一直是研究的熱點。在級配設計方面，李鵬飛等[3]提出摻加20%的19～26.5 mm粗集料能夠提升AC-25泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強度和穩定度；劉玉國[4]發現級配較細的泡沫瀝青混合料具有更高的抗壓強度；王玥珩[5]認為摻加20%的機制砂可以使再生料達到最優的高溫性能。在水泥摻量方面，喬得偉[6]發現摻加1.5%的水泥的再生料具有良好的高溫性能和水穩定性；LI等[7]提出為保證再生料低溫抗裂性，建議水泥摻量不大于2%。上述研究表明在泡沫瀝青冷再生混合料級配設計理念方面還存在一定的爭議，另外在最佳水泥摻量方面也缺乏明確的結論。本文基于室內試驗對泡沫瀝青冷再生混合料的力學強度、水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性進行研究，并評價級配和水泥摻量對其路用性能的影響。

1 試驗方案

1.1 原材料

通過對某實體道路工程AC-13普通瀝青混凝土層進行銑刨獲取舊瀝青混合料。從表觀上看舊料主要由大量完全被瀝青裹覆的集料和少量未被瀝青裹覆或被瀝青部分裹覆的集料組成，說明已出現瀝青與集料剝離的現象。銑刨料的最大顆粒粒徑小于26.5 mm，4.75 mm以下銑刨料的砂當量為60.3%，滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)的技術要求(≥50%)。經抽提試驗檢測得到銑刨料油石比為5.0%。選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥和滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)性能要求的石灰巖新集料及礦粉[8]。經比選最終采用韓國雙龍70號瀝青進行配合比設計和性能試驗，新舊瀝青的技術性能指標如表1所示。最佳發泡條件為發泡溫度170 ℃和發泡用水量2.0%，在此條件下測得的最大膨脹率為12倍，半衰期為11.5 s[9]。

1.2 配合比設計

級配是影響瀝青混合料性能的關鍵因素[10]。根據《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)中規定的中粒式級配范圍，綜合考慮銑刨料級配和工程實踐經驗，設計了3種再生料組成設計方案，分別是同時摻加新粗、細集料(級配A)、只摻加新細集料(級配B)和未摻加任何新集料(級配C)，用以對比不同級配優化方法對泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響。各方案中舊料、新粗集料(9.5～19.0 mm)、新細集料(0～2.36 mm)、新礦粉的質量比分別為：級配A(70%:10%:15%:5%)、級配B(80%: 0%:15%:5%)、級配C(100%:0%:0%:0%)。在每種級配下分別采用3種水泥摻量，分別為集料質量的1.0%，1.5%和2.0%。銑刨料和3種再生料的級配曲線如圖1所示。

圖1 級配曲線

采用重型擊實試驗確定泡沫瀝青冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，將再生料最佳含水量的80%作為最佳拌和用水量，擊實試驗結果如表2所示。成型馬歇爾試件，將其放置在40±2 ℃的通風烘箱內養生72 h。采用25 ℃劈裂試驗測試泡沫瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強度(ITSD和ITSW)與劈裂強度比(ITS)，以此為指標確定其最佳瀝青用量。根據表3所示結果，級配A，B和C再生混合料的最佳瀝青用量分別為2.5%，2.5%和2.0%。

配合比設計結果表明在相同的瀝青用量級配A和B再生料的空隙率基本相同，在7%～9%之間，比未摻加新集料的級配C下降了2.3%～3.3%。這說明摻加新細集料和礦粉可以有效地填充再生料的空隙，但是同時摻加新粗集料對空隙率的影響很小。其主要是因為摻加新粗集料一方面可以優化級配，使再生料更密實；另一方面也會使再生料級配變粗，兩方面作用相互抵消。再生料空隙率隨著水泥摻量的增加稍有降低或者幾乎不變，這是由于水泥水化產物的空隙填充作用有限。

表2 擊實試驗結果

表3 劈裂強度試驗結果

1.3 試驗方法

分別采用25 ℃無側限抗壓強度試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、60 ℃車轍試驗、?10 ℃小梁彎曲試驗評價不同級配和水泥摻量下泡沫瀝青冷再生混合料的力學性能、水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性。其中，將試件放置在40±2 ℃的通風烘箱內養生72 h后再進行性能測試，其余試驗步驟同《公路瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)一致。

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度試驗結果如圖2所示。不同級配再生料3 d無側限抗壓強度均隨水泥摻量的增加而顯著增大。其原因是水泥水化后會發揮一定的膠結作用，同時還能改善礦料表面棱角性，有利于分散的泡沫瀝青膠漿黏附在礦料表面。與級配C相比，在相同的水泥摻量下級配A再生料的抗壓強度提高了36%～70%，級配B再生料的抗壓強度提高幅度略低，為35%～43%。這說明級配的優化有利于提高再生料的力學性能，其中粗集料含量對其骨架結構的形成更具決定性的作用，這一點與抗拉性能規律有所區別。級配對再生料強度的影響隨著水泥摻量的增加而愈發顯著。

圖2 無側限抗壓強度和水泥摻量的相關關系

2.2 水穩定性

浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果如表4所示。在相同的水泥摻量下，級配B再生料表現出最優的水穩定性，其次為級配A，最差的是級配C。根據《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)，雖然大部分再生料的凍融劈裂殘留強度比R都滿足重及以上交通荷載等級的技術要求(FT≥75%)，但是僅在水泥摻量達到2.0%的條件下級配C混合料的馬歇爾穩定度才超過6 kN。與級配C相比，級配A再生料的浸水前和浸水后馬歇爾穩定度1和2分別提高了1.0～1.2倍和1.0～1.1倍，凍融前和凍融后劈裂強度σ1和σ2分別提高了0.7～1.4倍和0.8～1.5倍；級配B再生料1和2的增幅更是分別達到2.0～2.4倍和2.1～2.6倍，σ1和σ2的增幅也達到1.2～1.6倍和1.3～1.8倍。這說明級配對于再生料水穩定性的影響非常顯著，摻加新細集料和礦粉(尤其是粉料)有助于形成足夠的新瀝青砂漿，可以有效彌補因水分侵蝕和凍融作用而引起的空隙增大和黏附性能劣化[11]。與級配B相比，級配A再生料中摻加10%新粗集料替代銑刨料，因此需要更多的瀝青砂漿對其進行裹覆；但是由于其細集料和粉料含量偏小，無法形成足夠的瀝青砂漿。另外，新粗集料與瀝青砂漿的裹覆性也不如銑刨料，因此造成摻加新粗集料后再生料水穩定性有所降低。這與文獻[3]的研究結果不一致，其主要原因是兩者銑刨料級配的粗細程度存在明顯差異。由于水泥可以同時起到膠結和填充效果，水化產物和分散的泡沫瀝青膠漿相互交織，可以進一步阻礙水分的侵蝕，提高再生料的水穩定性。因此，再生料水穩定性隨著水泥摻量的增加而不斷增強，但是其增幅逐漸下降。

表4 浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果

2.3 高溫穩定性

車轍試驗結果如圖3所示。摻加水泥可以顯著改善再生料的高溫穩定性，其動穩定度增幅隨著水泥劑量的增加而不斷增大。這是因為在高溫狀態下以“點焊”形式包裹在集料表面的泡沫瀝青容易發生流動變形，而水泥水化產物和瀝青膠漿的交織作用會在再生料內形成空間網狀結構，可以有效地限制其變形[12]。根據《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)，雖然3種級配再生料動穩定度在任何水泥摻量下均滿足要求(≥2 000次/mm)，在相同的水泥摻量下，級配A再生料的動穩定度比級配C混合料高68%～86%，級配B再生料的動穩定度比級配C混合料高54%～64%。考慮到過高的水泥摻量會引起混合料收縮開裂問題，說明通過改善級配來提升再生料的高溫穩定性更為可行。其中新粗集料的摻加(級配A)可以使再生料由懸浮密實結構向骨架密實結構轉變，從而表現出最優的高溫穩定性。

圖3 動穩定度和水泥摻量的相關關系

2.4 低溫抗裂性

小梁彎曲試驗結果如表5所示。隨著水泥摻量的增加，不同級配再生料的抗彎拉強度σ和應變能密度E逐漸增大，破壞應變ε逐漸減小。表明再生料逐漸脆化，但是總體上低溫抗裂性能有所提升。在相同的水泥摻量下，級配B再生料表現出最優的低溫抗裂性，其次為級配A再生料。與級配C相比，級配A再生料的σ，ε和E分別提高57%～63%，11%～12%和74%～84%，級配B再生料的σ，ε和E分別提高25%～30%，4%～5%和32%～35%。這說明改善級配有利于提高再生料的低溫抗裂性能，尤其是在摻加新細集料和礦粉后，可以形成足夠的瀝青砂漿以保證其與集料之間存在良好的黏結力。

表5 小梁彎曲試驗結果

表6 方差分析結果

2.5 顯著性分析

采用SPSS軟件在95%置信水平下對試驗結果進行方差分析，對比不同因素對泡沫瀝青冷再生混合料各項路用性能的影響顯著性，結果如表6所示。統計分析表明級配和水泥摻量對再生料抗壓強度、水穩定性和高溫穩定性均有顯著影響，對低溫抗裂性的影響不顯著。其中，水泥摻量對抗凍融性能的影響程度大于級配，而級配對高溫穩定性的影響大于水泥摻量，對于其他性能兩者影響顯著性相當。

3 結論

1) 通過摻加新細集料和礦粉來優化級配可以使得泡沫瀝青冷再生混合料空隙率減小2.3%～3.3%，并顯著改善其抗壓強度、水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性。

2) 在摻加新細集料和礦粉的基礎上再摻加新粗集料有利于形成骨架結構，可以進一步提高其力學性能和高溫穩定性，但是對其水穩定性和低溫抗裂性略有不利影響。

3) 隨著水泥摻量的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的抗壓強度、水穩定性、高溫穩定性和低溫抗彎拉強度不斷提高，低溫破壞應變不斷減小。考慮到收縮開裂問題，建議通過改善級配和控制水泥摻量來提升泡沫瀝青冷再生混合料的路用性能。

4) 級配和水泥摻量對于不同的路用性能的影響顯著性有所差異。水泥摻量對抗凍融性能的影響程度大于級配，級配對高溫穩定性的影響大于水泥劑量，兩者對于其他性能的影響顯著性相當。

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Effects of aggregate gradations and cement content on pavement performance of cold recycled mixture with foamed asphalt

LI Qiang1, 2, XU Ao1, CHEN Hao3, SHANG Jianlin4, ZHANG Shuai4

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. National-Provincial Joint Engineering Research Center of Electromechanical Product Packaging, Nanjing 210037, China;3.Changzhou Galaxy Xietong Real Estate Development Co., Ltd., Changzhou 213100, China;4. Jiangsu Polaris Transportation Industry Group Co., Ltd., Nantong 226010, China)

The unconfined compressive test, immersion Marshall test, freeze-thaw splitting test, wheel tracking test, and beam bending test were conducted on different types of cold recycled mixtures with foamed asphalt to measure the mechanical strength, moisture stability, high-temperature performance, and low-temperature performance, respectively. The effects of aggregate gradations and cement content were evaluated. It is found that adding new aggregates in recycled mixtures reduces the air void by 2.3%～3.3%. The best mechanical and high-temperature performance can be achieved by adding new coarse and fine aggregates as well as fillers to optimize the gradation. However, its moisture stability and low-temperature performance are poorer than those by only adding fine aggregates and fillers. Although the performance of recycled mixtures is enhanced constantly with the increase of the cement content, it is recommended that the performance of cold recycled mixtures with foamed asphalt should be improved by the gradation optimization based on the limitation of the cement content in consideration of the potential shrinkage cracking problem. The effect significance of aggregate gradations and cement content varies with the pavement performance. Aggregate gradations show a more significant effect on the high-temperature performance whereas the cement content has a more significant effect on the moisture stability.

asphalt mixture; cold recycled mixture with foamed asphalt; gradation; cement content; significance analysis

U416.26

A

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200329

1672 ? 7029(2021)02 ? 0402 ? 06

2020?04?20

江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)資助項目(BK20181404)；江蘇高校“青藍工程”資助項目(蘇教師(2016)15號)；江蘇省建設系統科技計劃項目(2017ZD146)；南京林業大學“青年骨干教師培養對象”資助項目(2017年)

李強(1982?)，男，江蘇新沂人，教授，博士，從事路面結構與材料方面研究；E?mail：liqiang2526@njfu.edu.cn

(編輯 涂鵬)