路面材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

沈世鑫

（青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810007）

0 引言

城市化的建設(shè)推動(dòng)了道路發(fā)展，道路建設(shè)任務(wù)艱巨的同時(shí)，其養(yǎng)護(hù)與維修任務(wù)也日益繁重。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)道路建設(shè)主要形式為半剛性基層瀝青路面，長(zhǎng)期以來(lái)，在自然因素和人為因素的影響下，很多道路都會(huì)出現(xiàn)大量松散、裂紋等路面危害[1]。長(zhǎng)年累月下，嚴(yán)重影響道路的安全，在道路路面的維修和養(yǎng)護(hù)方面需要消耗大量的資金和資源，并且在維修和養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，有很多廢舊的混合料被廢棄，處理不當(dāng)?shù)那闆r下周圍的環(huán)境被嚴(yán)重污染[2]。因此，瀝青路面再生技術(shù)受到廣泛關(guān)注。但是面對(duì)現(xiàn)階段越來(lái)越多的道路建設(shè)和越來(lái)越重的車輛行駛負(fù)擔(dān)，并且混合料中同時(shí)存在泡沫結(jié)合料和舊瀝青，這兩種材料結(jié)合后，在高溫情況下，重復(fù)的車輛荷載作用將會(huì)造成混合料粘彈性變形，以往的一些配合比很難滿足現(xiàn)階段道路建設(shè)的養(yǎng)護(hù)下對(duì)泡沫瀝青混合料的實(shí)際需求。因此，需研究道路建筑材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比，通過(guò)科學(xué)合理的配合比，設(shè)計(jì)性能更好的泡沫瀝青冷再生混合料。

1 泡沫瀝青冷再生混合料的配合比

1.1 冷再生混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

冷再生混合料的使用需要時(shí)間較長(zhǎng)的運(yùn)輸過(guò)程中，導(dǎo)致混合料的拌和和攤鋪之間的延遲時(shí)間比較長(zhǎng)，因此在泡沫瀝青冷再生混合料的配比中，應(yīng)使用慢裂型泡沫瀝青，因此選用陽(yáng)離子型泡沫瀝青[3]。

用于冷再生混合料中的活性填料為道路硅酸鹽水泥，水泥強(qiáng)度等級(jí)為42.5。采用這種規(guī)格的水泥作為活性填料，是為了加速泡沫盡快乳化，提高冷再生混合料的早期強(qiáng)度[4]。但是如果過(guò)多使用水泥填料，會(huì)降低冷再生混合料的疲勞性能，因此為了避免出現(xiàn)這種情況，在設(shè)計(jì)中設(shè)定水泥用量為2%以下。設(shè)計(jì)中使用的細(xì)集料為機(jī)制砂，粗集料為石灰?guī)r碎石，瀝青路面材料則是從路面銑刨料中回收[5]。冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)混合料的連續(xù)密實(shí)性，這就需要降低混合料的礦料間的間隙率。因此根據(jù)AC-20 的礦料級(jí)配范圍，優(yōu)化組合上述3 種材料，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出兩種原材料組成比例。

1.2 確定最佳拌和用水量

為了確保良好的拌和效果與較好的壓實(shí)度，冷再生混合料在拌和過(guò)程中需加入適量的水。水量的多或少都會(huì)對(duì)冷再生混合料產(chǎn)生不良的影響，如果拌和水量過(guò)少，冷再生混合中粘結(jié)料不能均勻分散，容易產(chǎn)生瀝青團(tuán)，降低了冷再生混合料的施工性[6]。如果拌和水量過(guò)多，則會(huì)降低泡沫瀝青對(duì)集料的吸附性，導(dǎo)致混合料孔隙率過(guò)大，強(qiáng)度下降。因此，為了保證泡沫瀝青冷再生混合料具有良好的實(shí)用性能，在拌和中確定一個(gè)最佳拌和用水量。

1.3 確定最佳泡沫瀝青用量及配合比驗(yàn)證

道路路面基層主要承受豎向壓應(yīng)力和水平拉應(yīng)力作用，當(dāng)基層底部的抗彎拉強(qiáng)度或粘結(jié)強(qiáng)度不能滿足規(guī)范的要求，在行車荷載反復(fù)作用下，基層就會(huì)被破壞，直接影響路面面層[7]。因此，考慮冷再生混合料穩(wěn)定性的要求，在保持最佳拌和用水量不變的情況下，制備馬歇爾試件，用于確定泡沫瀝青用量。篩選出最合適的配合比，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證得到結(jié)果見表1。標(biāo)準(zhǔn)：舊水穩(wěn)基層銑刨料100%利用，水泥摻量為1.5%。泡沫瀝青最佳發(fā)泡溫度為150 ℃，發(fā)泡用水量為2.5%。水穩(wěn)基層泡沫瀝青冷再生混合料的最佳含水量為6.5%，最大干密度為2.137 g/cm3。泡沫瀝青最佳用量為2.7%。

從表1 中結(jié)果可以看出，兩種配合比均符合技術(shù)要求，相比之下，合成級(jí)配1 的結(jié)果要優(yōu)于合成級(jí)配2，因此，設(shè)計(jì)的合成級(jí)配1 為道路建筑材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比最佳結(jié)果。

表1 冷再生混合料性能驗(yàn)證結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

選用RAP 材料，并選取有代表性的舊料進(jìn)行配合比實(shí)驗(yàn)研究，在泡沫瀝青冷再生混合配料比實(shí)驗(yàn)研究中，重復(fù)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)和間接拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)是綜合評(píng)價(jià)效果最好的方法。從兩種實(shí)驗(yàn)方法所需試件形式考慮，重復(fù)彎曲實(shí)驗(yàn)中以輪碾成型的板塊試件切割出的小梁試件作為實(shí)驗(yàn)樣本，間接拉伸實(shí)驗(yàn)以采用馬歇爾擊實(shí)成型的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件作為實(shí)驗(yàn)樣本。

由于泡沫瀝青冷再生混合料中含有一定量的瀝青，材料具有一定的粘彈性性質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中不考慮高溫對(duì)材料的疲勞破壞，因此確定泡沫瀝青冷再生混合料配合比的疲勞性研究溫度為15 ℃±1 ℃。

2.2 疲勞性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

疲勞性實(shí)驗(yàn)研究中，使用UTM-100 萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)作為主要設(shè)備，實(shí)驗(yàn)裝置包括加載設(shè)備、環(huán)境箱和控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中采用3 種不同的泡沫瀝青冷再生混合料配合比，其中兩種是比較傳統(tǒng)的配合比，一種是設(shè)計(jì)的配合比。在間接拉伸疲勞性實(shí)驗(yàn)中，采用擊實(shí)成型的馬歇爾試件加載波形，在應(yīng)力比相同的情況測(cè)試3 種不同試件的壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體內(nèi)容見表2~表3。劈裂測(cè)試需耗費(fèi)至少24 h，不利于現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制，為此提出一種快速方法，利用單級(jí)材料，分別采用馬歇爾穩(wěn)定度及劈裂強(qiáng)度確定最佳油石比。將兩檔單級(jí)配料與各自所占的比例相乘，再相加，得出合成級(jí)配1。

表2 3 種不同配合比泡沫瀝青冷再生混合料的重復(fù)彎曲疲勞性實(shí)驗(yàn)結(jié)果 MPa

表3 3 種不同配合比泡沫瀝青冷再生混合料的間接拉伸疲勞性實(shí)驗(yàn)結(jié)果 MPa

表中RM1 表示第1 種傳統(tǒng)泡沫瀝青冷再生混合料配合比，RM2 表示第2 種傳統(tǒng)泡沫瀝青冷再生混合料配合比，RM3 表示設(shè)計(jì)的泡沫瀝青冷再生混合料配合比。對(duì)比觀察表中數(shù)據(jù)分布情況可知，RM1下的各個(gè)試件疲勞壽命較短，其標(biāo)準(zhǔn)差和偏差系數(shù)均比較高，很難滿足實(shí)際需求；RM2 下的各個(gè)試件雖然疲勞壽命較RM1 較長(zhǎng)，但是其標(biāo)準(zhǔn)差和偏差系數(shù)均比較高；而RM3 下的各個(gè)疲勞壽命比較高，標(biāo)準(zhǔn)差、偏差系數(shù)比較低，能夠更進(jìn)一步滿足實(shí)際需求。實(shí)驗(yàn)中，考慮到實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性，在疲勞性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從材料的抗變形性出發(fā)，設(shè)計(jì)蠕變實(shí)驗(yàn)，通過(guò)蠕變實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證材料的性能。

2.3 蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

蠕變實(shí)驗(yàn)中，向試件加載軸向荷載，并在一定時(shí)間后卸載，試件在此過(guò)程中將產(chǎn)生蠕變變形，通過(guò)加載末變形、卸載末變形、蠕變勁度模型等參數(shù)可以分析出試件的抗變形能力。泡沫瀝青冷再生混合料自身具有粘彈性，蠕變變形得到一定程度的恢復(fù)，但最終仍會(huì)殘留部分變形無(wú)法恢復(fù)，這種就是永久變形，永久變形量過(guò)高說(shuō)明泡沫瀝青冷再生材料抗變形性能一般。

在荷載施加初始階段，蠕變變形迅速增大，3 種配合比下的材料卸載末變形所差無(wú)幾，產(chǎn)生的初始?jí)好茏冃我泊笾孪嗤侨渥冏冃芜M(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展的階段后，在蠕變速率上，RM3 下的變形速度更小，說(shuō)明其變化更穩(wěn)定，再對(duì)比殘留變形百分率可知，RM3 下試件的殘留變形百分比更少，說(shuō)明該材料蠕變變形恢復(fù)效果更好。在整個(gè)試件變形完成后，通過(guò)蠕變勁度模量和蠕變?nèi)崃靠芍琑M3 下的試件整體抗變形能力更好。

將疲勞性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與抗變形性實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合在一起，分析可知，設(shè)計(jì)的道路建筑材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比更為科學(xué)合理，在此配合比下生成的材料具有更好的實(shí)用性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞著道路材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比的設(shè)計(jì)展開研究，在原有研究資料和成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高其實(shí)際性能，相比以往一些常規(guī)的配合比，本文研究的冷再生混合料配合比更加科學(xué)合理，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，證明了在設(shè)計(jì)的配合比下，泡沫瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度更好，更適合應(yīng)用在實(shí)際項(xiàng)目中。但是由于時(shí)間有限，本文只進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于泡沫瀝青冷再生混合料的性能還需要進(jìn)一步研究，結(jié)合室內(nèi)和室外實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證和補(bǔ)充。