水泥穩定基層泡沫瀝青就地冷再生配合比及性能研究*

暢曉鈺

(1.山西交通科學研究院集團有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西省交通科技研發有限公司， 山西 太原 030006)

中國現有高速公路大多采用水穩類基層，與面層相比，基層厚度、體量更大，針對水穩類基層的再生利用可更大程度處理廢舊材料，降低公路建設成本。水穩碎石基層泡沫瀝青就地冷再生技術利用現有水泥穩定基層材料，在廢舊無機回收料(RAI)中添加適量的泡沫瀝青、集料、水等進行再生循環利用，經現場銑刨、重新拌合、鋪筑成型性能良好的新結構層。文獻[2]分析了不同水泥摻量、粗集料摻量下泡沫瀝青就地冷再生混合料的力學性能，并推薦了摻量取值。文獻[3]分析了不同類型瀝青及其摻量、養生方式、拌合用水量對泡沫瀝青混合料抗拉強度的影響。文獻[4] 揭示了開放養生、半密封養生、半密封+全密封養生3種養生方式下泡沫瀝青就地冷再生混合料的強度變化規律。文獻[5]進行了水泥穩定基層泡沫瀝青冷再生混合料配合比設計方法研究。文獻[6]對水泥穩定基層泡沫瀝青再生進行了配合比設計優化，并通過劈裂、抗壓強度和回彈模量探究了混合料的力學性能。文獻[7]通過室內與現場試驗，研究了水泥穩定基層泡沫瀝青就地冷再生技術的工程應用。該文采用純銑刨料和摻加新料2組級配進行配合比設計及對比分析，研究養生方式、水泥摻量和泡沫瀝青用量等影響下再生混合料性能變化規律。

1 原材料

1.1 瀝青

選擇中海70#瀝青進行發泡制作泡沫瀝青，經檢測，其指標均達到規范要求。進行室內發泡試驗，不同條件下泡沫瀝青膨脹率和半衰期見表1。

表1 發泡試驗檢測數據

從表1可看出：瀝青加熱溫度升高、發泡用水量加大時，泡沫瀝青膨脹率慢慢增大，半衰期則慢慢減小。綜合兩項指標，最佳發泡條件為155 ℃、2.0%。

1.2 銑刨料RAI

基層再生料RAI通過銑刨山西某高速公路原路面水泥穩定基層獲取，按照再生規范要求篩分計算獲得級配，RAI篩分結果見表2。由表2可知：對水穩碎石基層進行銑刨，獲取的銑刨料中細料偏少，已偏出規范要求的下限值，粗料也貼著規范要求的上限值。建議摻部分粗細集料優化銑刨料級配，增強混合料的整體強度。

表2 RAI篩分試驗結果

按照再生規范要求測試RAI的性能指標，結果見表3。

表3 RAI性能指標檢測值

1.3 水泥

水泥的添加可提升再生混合料的早期強度和水穩定性。采用普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為287 min，終凝時間為456 min。

1.4 新摻集料

摻加10～20 mm粗集料、0～5 mm細集料對級配進行改善，新摻集料的篩分結果見表4。經檢測，新摻粗細集料的各指標都達到規范要求。

表4 集料篩分試驗結果

2 配合比設計

2.1 級配設計

水泥穩定基層在路面服役過程中會受到車輛荷載的作用，銑刨過程中刀頭的破碎會導致RAI級配在一定程度上細化，同時水泥的存在，細料部分極大程度上會依附于其他顆粒中，導致細料欠缺。因此，RAI在級配上表現為粗細料同時缺乏，而中間檔集料較多，前文銑刨篩分結果也說明了這一點。根據RAI篩分結果，19 mm篩孔通過百分率為91.5%，而0.075 mm只有2.4%，對于基層，缺少粗集料形成骨架，細集料也不足以填充密實。為探討級配對混合料性能的影響，選擇2組級配(1#原銑刨料RAI，2#摻加新集料)進行分析。

1#級配不摻加任何新料，水泥摻量為1.7%，即RAI∶水泥=98.3%∶1.7%。2#級配銑刨料中摻加部分新料，為保證再生利用率，摻加70%銑刨料，水泥摻量為1.7%，2#級配為RAI∶10～20 mm∶0～5 mm∶水泥=70%∶10%∶18.3%∶1.7%。2種混合料的合成級配見圖1。

圖1 混合料級配曲線

2.2 最佳含水率

水泥摻量采用1.7%。對2組級配分別進行擊實試驗，擊實結果見圖2、圖3。

圖2 1#級配的擊實曲線

由圖2、圖3可知：2#級配由于摻加新集料，尤其是細集料的摻加，最佳含水率比1#級配略大。根據有關研究，一般以擊實試驗最佳含水率OMC的60%～80%作為再生混合料最合理的拌合用水量。考慮到RAI表面沒有裹覆瀝青且粉塵略多，所需拌合用水量可能比瀝青混合料回收料(RAP)大，拌合用水量采用80%OMC。通過試驗計算分析，2組級配的最佳拌合用水量分別為4.4%、4.8%。

圖3 2#級配的擊實曲線

2.3 最佳瀝青用量

分別選取2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫瀝青用量，根據最佳拌合用水量成型水泥穩定基層再生混合料試件，放置于60 ℃溫度環境下養生40 h。參照JTG/T 5521—2019進行干、濕劈裂試驗，試驗結果見圖4、圖5。

圖4 1#級配劈裂試驗結果

圖5 2#級配劈裂試驗結果

由圖4、圖5可知：1) 隨著泡沫瀝青用量的增大，2組級配混合料的劈裂強度先升高后下降，均在2.5%～3.0%用量時達到峰值。表明合理的泡沫瀝青用量能提升混合料的強度及性能。若泡沫瀝青用量不足，則提供給混合料的黏結強度較低；若泡沫瀝青用量過多，瀝青膠漿容易在集料顆粒界面形成潤滑，導致再生混合料強度及性能下降。2) 泡沫瀝青用量由2.5%提高至3.0%時，1#級配混合料的干劈裂強度及干濕劈裂強度比略微下降，而2#級配混合料略微提高。2組級配的泡沫瀝青最佳用量為2.5%～3.0%，2#級配由于摻加細集料，瀝青用量會略高一點。對2組級配劈裂強度進行擬合，1#級配、2#級配的最佳瀝青用量分別為2.6%、2.8%。

雖然1#級配中細料部分偏出規范范圍，含量偏低，但由于未摻加新料，尤其是細集料，其最佳瀝青用量比2#級配略低。從試驗結果分析，2組級配混合料劈裂強度差異并不明顯。可見，級配稍差時，合理摻量的泡沫瀝青和水泥水化所形成的強度依然能使混合料強度及性能有較好的表現。

2.4 凍融劈裂性能

分別按2組級配成型水泥穩定基層再生混合料試件，通過凍融劈裂試驗檢驗其性能，結果見圖6。

圖6 2組級配混合料的凍融劈裂試驗結果

由圖6可知：2組級配混合料的劈裂強度和凍融劈裂強度比均滿足規范要求。1#級配的凍融劈裂強度比只有75.6%；而2#級配通過添加集料加以改善，級配更合理，尤其是細集料的填充使試件成型后更密實，其凍融劈裂強度比達到84.9%，比1#級配增加9.3%，對于水穩定性有較大提升作用。為提高泡沫瀝青再生混合料的性能，新集料的添加十分有必要，尤其是將其用于更高層位或對水穩定性的要求較高時。

3 性能影響因素分析

選擇性能試驗結果較優的2#級配，對水泥穩定基層再生混合料進行相關試驗研究，探究各因素條件下混合料的強度及性能。

3.1 養生條件的影響

目前水泥穩定基層再生混合料試件的養生方式有2種：一種是在60 ℃溫度下養生40 h；另一種是對試件進行包裹，并在40 ℃溫度下養生48 h。在2種方式下分別養生1、3、5、7 d后進行混合料強度及含水率檢測，結果見圖7、圖8。

圖7 2種養生方式下水泥穩定基層再生混合料強度

圖8 2種養生方式下水泥穩定基層再生混合料含水率

從圖7、圖8可看出：1) 2種養生方式下，隨著養生時間的延長，試件強度逐漸升高，含水率逐漸減小。2) 采用養生方式一時，試件養生3 d時的強度即可達到較高的水平，約為7 d強度的95%，此時含水率為0.28%，在這種條件下水分消耗及強度提升都較快，一般養生3 d即可；養生方式二條件下，水分散失較慢，強度提高也較慢，7 d養生期內強度呈現持續平穩上升的趨勢。3) 含水率在混合料強度形成過程中發揮著極其重要的作用。在養生方式一條件下，水分蒸發消耗較快，水泥水化受到抑制，部分水泥未水化形成強度，導致混合料的強度增長受到限制；而養生方式二條件下，水分散失較慢，含水率高，導致早期強度較低，但水泥水化作用更充分，隨著水分消耗與蒸發，強度慢慢增長，而且成型更充分。

3.2 水泥摻量的影響

水泥在混合料中的主要作用：一部分以填料的形式與瀝青結合；另一部分在拌合時與拌合用水發生水化作用，形成一定的強度。分別取水泥摻量0、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%，采用2#級配成型水泥穩定基層再生混合料試件，養生后測試其性能，結果見圖9。

圖9 水泥用量對水泥穩定基層再生混合料強度的影響

從圖9可看出：提高水泥摻量，試件的劈裂強度逐漸增大，干濕劈裂強度比先增大后減小，抗壓強度逐漸增大(呈線性相關)。水泥摻量由零升至1%時，試件的干劈裂強度上升41.4%，干濕劈裂強度比提高16%，抗壓強度增大近1倍。提高水泥摻量有利于混合料強度的提高，但超過1.5%后，濕劈裂強度上升不明顯，會導致干濕劈裂強度比下降。干濕劈裂強度比在1.5%摻量時達到最大值92.6%。

3.3 瀝青用量的影響

取泡沫瀝青用量為1.5%、2.5%、3.5%，分析其對混合料性能的影響。采用2#級配成型水泥穩定基層再生混合料試件，養生后進行強度測試，結果見圖10。

從圖10可看出：隨著泡沫瀝青用量的增大，試件的劈裂強度和抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢。泡沫瀝青用量從1.5%升至2.5%時，混合料的干劈裂強度、濕劈裂強度、干濕劈裂強度比、無側限抗壓強度均有一定提高；泡沫瀝青用量為2.5%左右時，劈裂強度和抗壓強度達到峰值，干、濕劈裂強度分別為0.69、0.63 MPa，干濕劈裂強度比為91.5%，抗壓強度為1.76 MPa；用量繼續加大，強度有所下降。采用合理的泡沫瀝青用量，混合料具有較好的強度及性能。其用量不足時，提供的黏結強度較低；用量過多時，瀝青膠漿容易在集料顆粒界面形成潤滑，導致再生混合料強度及性能下降。

圖10 泡沫瀝青用量對水泥穩定基層再生混合料強度的影響

4 結論

(1) 純銑刨料和摻加新料的2組級配的最佳拌合用水量分別為4.4%、4.8%，最佳瀝青用量分別為2.6%、2.8%；其強度均滿足規范要求，但凍融劈裂強度比有所差異。建議再生時適當摻加部分粗集料及細集料進行級配改善，提高再生混合料的承載能力、密實度和水穩定性，尤其是在用于更高層位或對水穩定性的要求較高時。

(2) 養生方式決定水分在強度形成中發揮作用的程度。采用包裹試件后在40 ℃溫度下養生48 h的養生方式，水泥水化強度形成更充分，但其強度增長較慢；采用60 ℃溫度下養生40 h的養生方式，后期強度雖略低，但在3 d養生期即可達到較高的強度水平，在室內研究時可減少養生時間，提高效率。

(3) 水泥摻量增大可同時提高混合料的劈裂及抗壓強度，但摻量超過1.5%時會導致干濕劈裂強度比降低，且摻量過大會增加混合料的剛性，增大開裂風險。工程應用時，建議將水泥摻量嚴格按照規范中1.8%上限進行控制。

(4) 合理的泡沫瀝青用量能提升混合料的強度及性能，其用量不足時黏結強度較低，過多時集料顆粒界面形成潤滑，導致再生混合料強度及性能下降。