基于黏附性的水泥穩(wěn)定RAP混合料性能改善研究

任自銘 杜冰潔 殷世林 楊中長(zhǎng)

摘 要：為解決再生混合料力學(xué)性能較差的問(wèn)題，通過(guò)老化試驗(yàn)和不同老化程度的混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，分析研究回收瀝青路面材料（RAP）老化程度對(duì)混合料性能的影響;通過(guò)集料比表面積和有效瀝青膜厚度初選乳化瀝青劑量，并分析乳化瀝青劑量與混合料抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和回彈模量的關(guān)系，計(jì)算得到最佳乳化瀝青劑量。結(jié)果表明：RAP料老化是再生混合料力學(xué)性能較差的重要原因，存在合理的乳化瀝青摻量，可有效提高再生混合料的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：RAP;乳化瀝青;黏附性;最佳摻量;力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.028

引用格式：任自銘，杜冰潔，殷世林，等.基于黏附性的水泥穩(wěn)定RAP混合料性能改善研究[J].人民黃河，2022，44（2）：138-142.

Abstract： In order to solve the issue of poor mechanical properties of the recycled mixture， this paper analyzed and studied the influence of RAP material aging degree to the performance of the mixture through aging test and unconfined compressive strength and splitting strength test of the mixture under different aging degrees.Primary emulsified asphalt dosages were selected by specific surface area of aggregate and effective asphalt film thickness. Then， by analyzing the relationship between the dosages of emulsified asphalt and the compressive strength， splitting strength and resilient modulus of the mixture， the best dosage of emulsified asphalt was calculated.The results show that RAP aging is an important reason for poor mechanical properties of the recycled mixture， and reasonable emulsified asphalt content can effectively improve the mechanical properties of the recycled mixture.

Key words： RAP;emulsified asphalt;adhesion;optimum dosage;mechanical properties

在大眾環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)和資源逐漸減少的當(dāng)今，資源的再生利用成為大勢(shì)所趨。如今，我國(guó)道路工程中所消耗的大量瀝青材料，其回收后經(jīng)過(guò)水泥穩(wěn)定處理，并應(yīng)用于道路基層中的現(xiàn)象已十分普遍[1]。但回收瀝青路面材料（RAP）為回收再生材料，其表面瀝青材料老化較為嚴(yán)重，易使再生混合材料內(nèi)部形成薄弱面，從而導(dǎo)致強(qiáng)度較低。在實(shí)際工程中，通常采用提高水泥劑量或降低RAP料摻量的方法提高再生混合料的強(qiáng)度，但增加水泥劑量的方法易導(dǎo)致再生混合料基層產(chǎn)生收縮裂縫且增加成本，而大幅減少RAP料的摻量將直接降低再生利用率。因此，不能僅通過(guò)提高水泥劑量或降低RAP摻量來(lái)改善再生混合料的性能[2]。

Amir Modarres等[3]通過(guò)在再生混合料中添加煤矸石粉，以期改善其性能，結(jié)果表明煤矸石粉的加入對(duì)提高再生混合料的強(qiáng)度及水穩(wěn)定性有一定的作用，但效果不明顯。孫建秀等[4]研究了不同改性劑對(duì)冷再生混合料強(qiáng)度的影響，提出復(fù)合改性劑能夠明顯提高冷再生混合料的早期強(qiáng)度，但工程造價(jià)較高。Bressi等[5]通過(guò)對(duì)再生材料進(jìn)行示蹤器追蹤發(fā)現(xiàn)，RAP料表面老化瀝青使得RAP與黏結(jié)劑的黏結(jié)效果明顯低于新集料。

在解決冷再生混合料力學(xué)性能較差的問(wèn)題時(shí)，摻加纖維、改性劑等材料將提高工程造價(jià)，而增大水泥劑量將導(dǎo)致混合料抗裂性能下降。因此，本文針對(duì)RAP料老化對(duì)再生混合料力學(xué)性能的影響，通過(guò)改善水泥與RAP料的黏附性，進(jìn)一步改善冷再生混合料的力學(xué)性能。

1 水泥穩(wěn)定RAP混合料組成設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用RAP料取自臨黃大堤堤頂?shù)缆窛?jì)南段右岸下段K4+000—K7+000，由維特根WR2500S路面銑刨機(jī)銑刨而來(lái)，水泥選用黃河牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，新集料為濟(jì)南市堤頂?shù)缆饭こ趟玫氖規(guī)r。按照現(xiàn)行規(guī)范的檢測(cè)方法對(duì)新集料的壓碎值、密度、吸水率等性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)檢驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。通過(guò)篩分試驗(yàn)對(duì)其級(jí)配進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

由圖1可知試驗(yàn)所用RAP料中細(xì)集料較少，根據(jù)規(guī)范推薦的級(jí)配范圍，初擬50∶50、40∶60、70∶30、80∶20、90∶10五種RAP料與新集料的摻配比例，并針對(duì)各種集料的組成特點(diǎn)設(shè)計(jì)了5種合成級(jí)配。各合成級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)大量實(shí)際工程及研究論文的分析比較，擬定4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%等6個(gè)水泥劑量，對(duì)水泥穩(wěn)定RAP混合料抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，并進(jìn)行級(jí)配篩選。5種級(jí)配混合料7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化見(jiàn)圖2。

根據(jù)圖2試驗(yàn)結(jié)果分析可知，各級(jí)配水泥穩(wěn)定RAP混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在水泥劑量相對(duì)較低時(shí)增幅較大。與4.5%水泥劑量的混合料相比，6.0%水泥劑量的JP1和JP2混合料強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了54%和50%，JP3、JP4和JP5混合料增長(zhǎng)幅度均小于40%。這說(shuō)明再生混合料在粗集料較少的情況下，水泥使得混合料內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。經(jīng)分析，JP1和JP2混合料的強(qiáng)度明顯優(yōu)于其他3種級(jí)配，故本文選用JP1和JP2作為設(shè)計(jì)級(jí)配，水泥劑量范圍為4.5%～6.0%。

2 RAP料老化對(duì)混合料性能的影響

2.1 老化試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中推薦的T0734方法對(duì)RAP料進(jìn)行進(jìn)一步老化，即將各級(jí)配RAP料放入85 ℃±1 ℃烘箱中加熱，通過(guò)設(shè)置不同的老化梯度對(duì)混合料性能影響開(kāi)展研究。混合料再老化模擬時(shí)間見(jiàn)表2。

為確定RAP在加熱過(guò)程中的老化程度，在RAP再老化前通過(guò)阿布森法同期抽提RAP中的老化瀝青，并將抽提的老化瀝青按照上述再老化時(shí)間分組，然后與RAP料一起進(jìn)行老化試驗(yàn)，待達(dá)到預(yù)定再老化時(shí)間后對(duì)老化瀝青的3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)瀝青老化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。RAP中抽提原樣瀝青及其再老化后的3個(gè)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青的針入度降低。在烘箱加熱老化72 h后，瀝青針入度較初始狀態(tài)降低了8%，加熱老化288 h后，針入度較初始狀態(tài)降低了28%;與針入度相比，再老化過(guò)程中瀝青軟化點(diǎn)的變化幅度較小，老化72 h后軟化點(diǎn)較初始狀態(tài)升高了3%，老化288 h后軟化點(diǎn)較初始狀態(tài)升高了14%;再老過(guò)程中加熱72 h以后，老化瀝青的延度值已降至0，說(shuō)明老化瀝青的塑性已基本喪失。

2.2 老化程度對(duì)混合料性能的影響

選取JP1和JP2兩種級(jí)配類(lèi)型開(kāi)展RAP老化程度對(duì)再生混合料強(qiáng)度的影響研究。當(dāng)再生混合料達(dá)到再老化期限后，測(cè)定不同老化程度再生混合料的7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。

2.2.1 老化程度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著再生混合料中RAP老化程度的加重，兩種級(jí)配混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，且當(dāng)水泥劑量較低時(shí)其抗壓強(qiáng)度的減小最為明顯。當(dāng)水泥劑量為4.5%時(shí)，JP1和JP2中RAP老化288 h時(shí)再生混合料的抗壓強(qiáng)度較原狀混合料分別降低了18.6%和20.7%;隨著水泥劑量的增加，兩種級(jí)配混合料強(qiáng)度的降幅逐漸減小，水泥劑量為5.5%、6.0%時(shí)，JP1和JP2混合料中RAP老化288 h時(shí)再生混合料的抗壓強(qiáng)度較原狀混合料分別平均降低了7.9%和12.1%。

兩種級(jí)配RAP料再老化時(shí)間為72 h時(shí)，混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化較小。隨著瀝青老化程度的加重，瀝青逐漸“脆硬化”，其老化程度的加重同時(shí)也降低了RAP料表面的粗糙程度，從而降低了水泥漿在RAP料表面的黏附性，使得再生混合料的強(qiáng)度隨老化程度的加重而逐漸降低。

2.2.2 老化程度對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析不同老化程度混合料劈裂強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，見(jiàn)圖4。

由圖4可知，隨著RAP料再老化程度的增加，兩種級(jí)配再生混合料的劈裂強(qiáng)度均明顯降低。水泥劑量較低時(shí)，隨老化時(shí)間增加，再生混合料劈裂強(qiáng)度的降幅較大。當(dāng)水泥劑量為4.5%時(shí)，老化288 h時(shí)JP1和JP2再生混合料的劈裂強(qiáng)度分別降低了26.0%和25.3%。相較于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，RAP料的老化程度對(duì)再生混合料劈裂強(qiáng)度的影響更為明顯。與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化的原因相似，RAP料表面瀝青老化程度的加劇使其表面粗糙度降低且質(zhì)地脆硬，降低了水泥漿與集料的黏附性，故再生混合料的劈裂強(qiáng)度下降明顯。

綜上所述，除RAP料的集料性能衰減外，其表面裹覆瀝青的老化導(dǎo)致混合料黏附性降低也是導(dǎo)致再生混合料強(qiáng)度較差的重要原因?；诖?，從改善水泥與RAP料黏附性角度出發(fā)，尋求改善水泥穩(wěn)定RAP料性能的措施。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，乳化瀝青破乳后會(huì)同時(shí)與水泥水化產(chǎn)生相互作用，在集料、瀝青和水泥3種材料界面發(fā)生多種反應(yīng)，水化產(chǎn)物與乳化瀝青相互連接，既可增強(qiáng)RAP料與水泥的黏附性，又能提高集料之間的黏結(jié)性，從而提高再生混合料的整體性能[6]。因此，本研究在水泥穩(wěn)定RAP料中加入乳化瀝青，以期改善混合料的整體性能。

3 乳化瀝青處治水泥穩(wěn)定RAP方法研究

乳化瀝青劑量對(duì)RAP處治效果的影響至關(guān)重要，而集料的級(jí)配組成及表面積會(huì)直接影響乳化瀝青的摻加量。本研究根據(jù)水泥穩(wěn)定RAP混合料的級(jí)配特點(diǎn)初選用于處治的乳化瀝青的劑量。參考瀝青混合料設(shè)計(jì)方法中結(jié)構(gòu)瀝青的控制方法，通過(guò)計(jì)算組成集料表面積和控制黏結(jié)膜厚度初選乳化瀝青劑量[7]。《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中集料表面積計(jì)算公式為

式中：SA為集料表面積之和，m2;Pi為各粒徑集料通過(guò)百分率，%;FAi為表面積系數(shù)，m2/kg，取值見(jiàn)表4。

國(guó)內(nèi)學(xué)者提出結(jié)構(gòu)瀝青膜厚度在4～8 μm范圍內(nèi)時(shí)瀝青混合料的性能最優(yōu)[8]。本研究結(jié)合冷再生RAP混合料的性能特點(diǎn)，以2、4、6、8 μm四種瀝青膜厚度對(duì)應(yīng)的瀝青劑量作為乳化瀝青的初選劑量，根據(jù)式（2）計(jì)算各瀝青膜厚度下乳化瀝青的初選劑量W。

式中：hi為有機(jī)黏結(jié)劑膜的厚度，m;ρd為25 ℃時(shí)瀝青的密度，g/cm3。

根據(jù)JP1和JP2各瀝青膜厚度下乳化瀝青的初選劑量計(jì)算結(jié)果，取平均值選定0.35%、0.65%、0.95%和1.25%四種乳化瀝青劑量對(duì)RAP表面進(jìn)行處治，并對(duì)乳化瀝青處治后水泥穩(wěn)定RAP混合料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

4 乳化瀝青對(duì)水泥穩(wěn)定RAP性能的影響

為研究乳化瀝青對(duì)水泥穩(wěn)定RAP混合料力學(xué)性能改善效果，選用瀝青含量較高的慢裂型普通乳化瀝青，采用0.35%、0.65%、0.95%和1.25%四種乳化瀝青劑量，對(duì)JP1和JP2兩組級(jí)配的乳化瀝青處治水泥穩(wěn)定RAP混合料進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和抗壓回彈模量試驗(yàn)。

4.1 乳化瀝青對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

摻加不同劑量乳化瀝青的各級(jí)配混合料7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化情況見(jiàn)圖5。

由圖5可知，乳化瀝青對(duì)兩種級(jí)配混合料的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。當(dāng)水泥劑量為5.0%、乳化瀝青摻量為0.65%時(shí)，JP1和JP2混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較于未摻加乳化瀝青時(shí)分別增長(zhǎng)了7.9%和6.3%。但隨乳化瀝青劑量的繼續(xù)增加，再生混合料強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度逐漸減小。乳化瀝青劑量增加至1.25%時(shí)，5.0%水泥摻量下JP1和JP2混合料的強(qiáng)度較未摻加時(shí)分別降低了4.4%和6.5%。同時(shí)，當(dāng)水泥劑量較高時(shí)，乳化瀝青對(duì)再生混合料強(qiáng)度的提高作用更佳。因此，采用乳化瀝青處治水泥穩(wěn)定RAP混合料可有效提高其抗壓強(qiáng)度。

4.2 乳化瀝青對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

摻加不同劑量乳化瀝青的各級(jí)配混合料90 d齡期劈裂強(qiáng)度變化情況見(jiàn)圖6。

由圖6分析可知，乳化瀝青對(duì)不同水泥劑量混合料的劈裂強(qiáng)度有不同程度的改善，且隨水泥劑量的增加，乳化瀝青的改善效果逐漸增強(qiáng)。以水泥劑量為4.5%為例，當(dāng)乳化瀝青劑量達(dá)到0.65%時(shí)，JP1和JP2再生混合料90 d劈裂強(qiáng)度平均提高了3.1%;而當(dāng)乳化瀝青劑量增加至1.25%時(shí)，JP1和JP2再生混合料90 d劈裂強(qiáng)度較未摻加時(shí)平均降低了12.9%。因此，存在合理的乳化瀝青劑量范圍，使得混合料劈裂強(qiáng)度得到最佳改善。

4.3 乳化瀝青對(duì)抗壓回彈模量的影響

摻加不同劑量乳化瀝青的各級(jí)配混合料90 d齡期抗壓回彈模量變化情況見(jiàn)圖7。

由圖7可知，各水泥劑量混合料的抗壓回彈模量隨著乳化瀝青劑量的增加均有不同程度的提高，兩種級(jí)配混合料的抗壓回彈模量隨著乳化瀝青劑量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。因此，存在合理的乳化瀝青劑量范圍，使得水泥穩(wěn)定RAP混合料的抗壓回彈模量得到有效改善。

5 主要結(jié)論

（1）通過(guò)老化試驗(yàn)和不同老化程度對(duì)水泥穩(wěn)定RAP混合料力學(xué)性能的影響分析發(fā)現(xiàn)，RAP料的老化使得水泥與混合料黏附性能減弱，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定RAP料力學(xué)性能較差。

（2）采用集料表面積和有效瀝青膜厚度計(jì)算初選乳化瀝青劑量以增強(qiáng)水泥與RAP料的黏附性，通過(guò)分析乳化瀝青劑量與混合料抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和回彈模量的影響關(guān)系，可以綜合分析計(jì)算合理的乳化瀝青劑量。

（3）不同乳化瀝青劑量對(duì)RAP混合料力學(xué)性能的影響不同，當(dāng)乳化瀝青劑量較低時(shí)對(duì)混合料瀝青性能影響較小。乳化瀝青對(duì)不同水泥劑量混合料的力學(xué)性能有不同程度的改善作用，對(duì)水泥劑量較低的RAP混合料改善作用較小，隨著水泥劑量的增加，乳化瀝青的改善作用逐漸增強(qiáng)，且存在最佳乳化瀝青劑量，在該劑量下混合料力學(xué)性能提高作用最為顯著。

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【責(zé)任編輯 許立新】