養生條件對冷再生混合料性能的影響研究★

蘆 欣，孫 斌

(1.新疆交投建設管理有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830094； 2.北京盛廣拓再生科技股份有限公司，北京 100025)

1 概述

乳化瀝青廠拌冷再生技術，也稱乳化瀝青廠拌常溫再生技術，因其大用量和優秀的環保特性，越來越受到廣泛的重視[1-2]。自2006年江西昌九高速大規模成功應用至瀝青上基層以來，近年來越來越多在公路改擴建、翻修重建中的上基層和下面層得到廣泛應用，已逐步成為我國路面大修和改擴建的主要再生技術。與熱拌、溫拌瀝青混合料不同，乳化瀝青廠拌冷再生混合料中含有水分，尤其是隨著養生時間的延長和養生溫度的提升，混合料中含水率的變化直接關系到混合料的綜合性能。

國外研究者Bhasin和Masad等人基于微觀檢測技術利用表面能和物理化學知識分析了殘留水分對混合料抗壓、斷裂能力的損傷效果，發現了水分的存在會導致瀝青與骨料的黏合能力以及瀝青內聚力的降低[3-5]。北京建筑大學針對殘留水對乳化瀝青混合料性能影響進行研究，發現混合料動態、靜態模量及高、低溫和水穩性能均與含水率(質量分數，下同)相關[6]。同時考慮到冷再生混合料二次熱壓實成型機理[7-9]，實際施工過程控制時，冷再生結構層碾壓、養生結束后，檢測的相關性能指標均為一次壓實后的指標，而項目完工時，均是在鋪筑了熱拌瀝青混合料之后，檢測的指標均為二次壓實后的指標，因此有必要區分一次壓實與二次壓實后的技術指標。

綜上，研究養生條件對混合料含水率的影響，區分一次壓實和二次壓實的效果，分析含水率的變化對乳化瀝青廠拌冷再生混合料的強度影響，推薦合適的養生條件，對于提升冷再生混合料施工效率，保證混合料的性能是非常有意義的。

2 試驗

2.1 試驗原材料

回收瀝青路面材料(RAP)來自某高速公路大修項目的銑刨料，分成0 mm～4.75 mm(Ⅰ檔)、4.75 mm～9.5 mm(Ⅱ檔)和9.5 mm～26.5 mm(Ⅲ檔)分三檔規格進行級配分析，具體見表1，抽提后實際礦料級配與RAP料級配比較明顯變細，三檔集料抽提后通過率顯著大于抽提前通過率。

天然集料選擇石灰巖碎石，主要檢測指標見表2。經測試，RAP及天然集料的檢測結果均能滿足《公路瀝青路面再生技術規范》[10]的要求。乳化瀝青是在實驗室經小型膠體磨加工而自制獲取，主要技術指標見表3，水泥材料選擇42.5級普通硅酸鹽水泥，主要技術指標見表4。

表1 三檔RAP料級配情況

表2 天然集料級配情況

表3 乳化瀝青技術指標測試結果與技術要求

表4 水泥主要技術指標檢測結果與技術要求

2.2 乳化瀝青冷再生混合料配合比設計

依據RAP三檔規格的篩分試驗結果和礦料級配設計要求，通過添加部分新集料進行再生料級配設計。選擇標準馬歇爾試驗方法，試件采用雙面擊實成型。再生料各檔材料組成最終比例為：RAP-Ⅰ∶RAP-Ⅱ∶RAP-Ⅲ∶天然碎石∶礦粉=40∶13.5∶37∶8∶1.5，研究選擇最大干密度時的含水率3.8%為最佳含水率，水泥為外摻1.5%，最佳乳化瀝青用量為3.5%。

2.3 試驗方案與方法

為量化含水率的變化對乳化瀝青廠拌冷再生混合料性能的影響，研究在60 ℃養生條件下，分別設定0 h，8 h，16 h，24 h，32 h，40 h，48 h，60 h，72 h，96 h，120 h的養生時間，并分別測試在不同養生時間下試件的空隙率、劈裂強度、含水率。綜合考慮冷再生混合料存在二次壓密成型機理，本次試驗方案設計充分考慮了一次擊實和二次擊實的效果，實驗過程以8 h養生時間為例，一次擊實成型10個試件，在60 ℃烘箱養生后，其中4個試件測試劈裂強度與空隙率、2個試件測試含水率，另外4個試件再進行二次擊實，最后測試再生混合料空隙率、劈裂強度。具體實驗方案設計過程如圖1所示。為研究養生溫度對再生混合料性能的影響，研究分別成型三組試件，各組試件經過第一次擊實后，分別在60 ℃，70 ℃，80 ℃條件下養生48 h，然后進行第二次擊實，最后測試再生混合料的體積參數和性能指標。

3 試驗結果與分析

3.1 養生時間對混合料性能的影響

3.1.1 養生時間對混合料含水率的影響

在60 ℃養生溫度下，不同養生時間的混合料含水率隨養生時間的變化情況及回歸擬合曲線見圖2。

由圖2可以看出，隨著養生時間的延長，再生混合料含水率逐漸下降，試件在養生8 h之后，混合料的含水率已經低于2%。分析含水率曲線下降速率可以發現，自養生開始至養生16 h之內，下降速度較快，含水率由初始的3.3%下降至1.53%，下降54%；養生48 h后含水率為0.97%，低于1%；養生時間大于60 h，曲線下降速率極為緩慢，養生時間在60 h～96 h內，含水率幾乎保持不變。因此，基于本研究的試驗結果，研究認為現行行業技術規程推薦的48 h的養生時間是偏于保守的。同時，由擬合回歸曲線分析可知，含水率與養生時間之間的相關關系遵循指數函數關系，回歸系數R2高達0.95，在已知養生時間的前提下，可根據回歸關系式初步預估含水率。

3.1.2 養生時間對混合料空隙率的影響

為進一步研究合理的養生時間，保證再生混合料養生后強度，分別對劈裂強度、空隙率隨養生時間的變化規律進行研究。60 ℃養生溫度下，室內一次擊實成型和二次擊實成型試件的空隙率隨養生時間的變化情況及回歸擬合曲線見圖3。

由圖3可以看出，總體表現為隨著養生時間的延長，混合料空隙率逐漸增大；養生時間少于24 h時，二次擊實試件的空隙率明顯低于一次擊實試件，其中，養生時間8 h時，一次與二次擊實試件的空隙率分別為9.7%,7.8%，二次擊實后空隙率下降了1.9%；養生16 h時，一次與二次擊實試件的空隙率分別為9.9%,8.8%，二次擊實后空隙率下降了1.1%。結合混合料含水率與養生時間的關系圖可看出，在養生16 h之前，從最佳含水率3.3%下降到含水率為1.53%，含水率下降了54%，含水率下降幅度非常明顯，說明混合料中的水分蒸發后，混合料中存在大量的微空隙，通過二次擊實后，混合料更加致密，空隙率降低。在養生24 h之后，一次擊實試件與二次擊實試件的空隙率變化較小，說明隨著含水率的下降，混合料已經逐步形成強度，再進行二次擊實，對混合料的壓實效果有限。同時，由擬合回歸曲線分析可知，空隙率與養生時間之間的相關關系遵循指數函數關系，且第一次擊實回歸曲線的擬合效果不及第二次擊實，回歸系數分別為0.82和0.89。

3.1.3 養生時間對混合料劈裂強度的影響

60 ℃養生溫度下，室內一次擊實成型和二次擊實成型試件的劈裂強度隨養生時間的變化情況及回歸擬合曲線見圖4。

由圖4可以看出，隨著養生時間的延長而增加，試件的劈裂強度逐漸增大，在養生120 h范圍內，混合料一次擊實后，劈裂強度從0.48 MPa增加至1.39 MPa，二次擊實后，混合料劈裂強度從0.62 MPa增加至1.4 MPa，但在這個過程中，混合料含水率從最佳含水率3.3%下降到0.41%，說明混合料的劈裂強度與含水率密切相關，含水率越低，混合料的劈裂強度越高。且結合圖中可以看出，試件在養生時間16 h內，混合料含水率下降非常明顯，養生16 h后，由于混合料中水分蒸發速度減緩，二次擊實與一次擊實后的劈裂強度差異越來越小。從擬合關系曲線來看，一次擊實和二次擊實條件下，混合料劈裂強度的增長規律遵循指數函數關系曲線，回歸系數R2均為0.98。在已知養生時間的前提下，可根據回歸關系式預估混合料一次擊實和二次擊實的強度。

3.2 養生溫度對混合料性能的影響

《公路瀝青路面再生技術規范》規定乳化瀝青廠拌冷再生混合料的養生溫度為60 ℃，為進一步提升混合料性能，嘗試提高混合料養生溫度，并積累時溫等效經驗。研究分別成型三組試件，各組試件第一次擊實完成后，分別在60 ℃,70 ℃,80 ℃條件下養生48 h，之后進行第二次擊實。不同養生溫度條件下，再生混合料的性能指標試驗結果如表5所示。

表5 不同養生溫度下再生混合料性能試驗結果

首先，從空隙率指標來看，由表5量化數據可知，隨著養生溫度的提升，冷再生混合料的空隙率與含水率逐漸下降。說明養生溫度越高，在相同時間范圍內，混合料中的水分蒸發越多，水分蒸發之后剩余的空隙越多，在第二次擊實后，空隙率進一步下降，混合料更加密實。特別是當養生溫度從60 ℃增加到80 ℃時，養生48 h含水率從0.85%降低到0.1%，混合料的水分基本上全部蒸發結束。

其次，從干、濕劈裂強度指標來看，干、濕劈強度在養生48 h的條件下，養生溫度越高，混合料的劈裂強度越高。當養生溫度從60 ℃變化到80 ℃時，其干劈裂強度從1.15 MPa增加到1.50 MPa，增長了30.4%。說明在相同的時間范圍內，提高養生的溫度，混合料中的水分進一步蒸發，混合料強度顯著提高。

再次，從干濕劈裂比與凍融劈裂強度比來看，隨著養生溫度的提高，干濕劈裂比與凍融劈裂強度比均呈現遞增趨勢，特別是養生溫度從70 ℃變化到80 ℃時，干濕劈裂比與凍融劈裂強度比增長明顯，在80 ℃養生溫度條件時，干濕劈裂比與凍融劈裂強度比分別達到了98.9%與96.2%。尤其是凍融劈裂強度指標，由60 ℃的78.6%提升至80 ℃的96.2%。

最后，從動穩定度指標來看，盡管動穩定度在70 ℃時出現了最低值，但是混合料的動穩定度指標對養生溫度的高低不敏感，變化幅度較小，絕對值均在8 500次/mm～9 000次/mm之間。

因此，基于上述試驗結果，在滿足提高養生溫度的條件下，可以適當縮短養生時間，以提升施工效率。

3.3 養生時間、養生溫度對混合料性能交互影響的探究分析

結合上述養生時間與劈裂強度的相關關系的試驗結果，仔細分析可以發現，混合料在60 ℃養生120 h條件下，混合料的含水率為0.4%，劈裂強度為1.4 MPa，在70 ℃養生48 h條件下，含水率為0.1%，劈裂強度為1.5 MPa，數據非常接近，表明冷再生混合料在70 ℃養生48 h與60 ℃養生120 h的養生效果基本等效。因此，提高養生溫度，延長養生時間，均有助于強度的增長，在增長規律方面表現出“時溫等效”的特征，其更深層次的分析有待深入研究。

4 結語

1)隨著養生時間的延長，再生混合料含水率逐漸下降，自養生開始至16 h以內，混合料的含水率由初始的3.3%下降至1.53%，下降了54%；養生48 h后混合料的含水率已低于1%；養生時間在60 h～96 h內，含水率幾乎保持不變。

2)基于劈裂強度與養生時間的關系曲線，隨著養生時間的延長，混合料含水率逐漸降低，空隙率逐漸增大，劈裂強度逐漸提升；養生時間低于24 h時，二次擊實試件的空隙率明顯低于一次擊實試件；養生時間高于24 h之后，一次擊實試件與二次擊實試件的空隙率變化較小，說明隨著含水率的下降，混合料已經逐步形成強度。

3)在相同養生時間內，隨著養生溫度的提升，冷再生混合料的空隙率與含水率逐漸下降，混合料綜合性能逐漸提升。說明養生溫度越高，在相同時間范圍內，混合料中的水分蒸發越多，水分蒸發之后剩余的空隙越多，在第二次擊實后，空隙率進一步下降，混合料更加密實。

4)冷再生混合料在70 ℃養生48 h與60 ℃養生120 h，養生效果基本等效。提高養生溫度，延長養生時間，均有助于強度的增長，在增長規律方面表現出“時溫等效”的特征。研究推薦在滿足養生溫度不低于60 ℃的條件下，養生時間不低于24 h即可。