基于普氏擊實試驗的冷再生混合料設計優化

田文將

(中鐵國際集團有限公司，北京 100039)

0 引言

高速公路在一定運營周期后，會陸續出現損壞或運營能力不足等資源匹配不均衡問題，目前主要通過行駛質量間接評價路面劣化水平，也可通過路面明顯病害特征如車轍和表面裂縫直接評價。如圖1所示，每種路面病害機制均有其特定的性能與時間函數關系，因此，如何對破損路面進行及時和有效的養護是亟需解決的問題。現階段我國高速公路逐步由建設期轉入養護期，科學有效、具有可持續性的路面養護手段在延長路面壽命和節省資源投入方面尤為重要。傳統瀝青路面養護方法將產生大量的廢棄瀝青混合料(RAP)，若不能妥善處理，不僅資源浪費，還會造成嚴重的環境污染。瀝青路面再生技術在修復瀝青路面中能夠有效利用廢舊路面材料，并且具有降低施工成本，縮短施工時間，節能減排和減少交通干擾等優點。國內外常見的路面再生技術包括就地熱再生、廠拌熱再生、廠拌冷再生、就地冷再生和全深式再生。其中，乳化瀝青冷再生技術(Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture，簡稱EACRM)符合資源節約和環境友好型社會建設目標，因其節省公路養護成本，保證再生層質量，節約施工時間、減少交通中斷、降低溫室氣體排放等多重優點被廣泛推廣[1]。

合理的冷再生混合料設計方法和實驗室成型工藝是乳化瀝青冷再生技術成功應用的基礎。對此，國內外學者對冷再生材料的應用進行了大量的研究和實踐。提出了一些建設性的理論和設計方法，如AASHTO改進的馬歇爾方法、瀝青再生協會(ARRA)設計方法、加利福尼亞方法、AI方法、賓夕法尼亞方法和俄勒岡設計方法[2]。不同的壓實方法和壓實工藝導致瀝青混合料的空隙率以及力學性能的差異，最終會影響再生路面的壽命[3]。冷再生瀝青混合料運輸到施工現場需要一定的時間，如果長期放置，對混合料的施工性能、壓實效果和穩定性都有較大影響，目前應用于混合料的擊實技術主要有Proctor，馬歇爾，旋轉擊實和振動擊實，不同擊實試件的方法決定了瀝青混合料的空隙率和線性粘彈性特性，擊實的主要目的是反映現場條件，如壓實程度、骨料排列(內部結構)、空隙率分布和百分比等。因此，研究不同擊實方法和合理的養護條件對冷再生混合料應用推廣有一定的積極意義[4-9]。使用改進的Proctor擊實方法，對不同乳化瀝青和水泥摻量的冷再生混合料的力學行為進行評價，通過分析不同的養護溫度和養護時間，提出了一種快速、實用的實驗室冷再生瀝青混合料配合比設計方法。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗選用的原材料包括乳化瀝青、水泥、RAP。乳化瀝青采用陽離子慢裂快凝型聚合物改性乳化瀝青(CRS-2P)，乳化瀝青指標如表1所示。水泥為硅酸鹽水泥，RAP為路面修復工程中破舊路面銑刨料，舊路面結構為20 cm水泥穩定就地冷再生底基層水穩碎石基層，5 cm 中粒式瀝青混凝土和4 cm細粒式改性瀝青混凝土。RAP篩分結果如表2所示。

表1 乳化瀝青指標

表2 RAP篩分結果和冷再生混合料合成級配

1.2 試驗方法

在確定原材料和級配后，采用改進的Proctor測試程序并依據現行規范進行試件成型，標準Proctor測試(ASTM D 698/AASHTO T 99)是估算路基和壓實填充段的最大干密度和最佳含水量的方法。由于高速公路路面設計需要承載更高的交通負荷，因此對于乳化瀝青冷再生混合料需要更高的混合料密度，在這種情況下，在實驗室中使用改進的Proctor試驗，以確定瀝青混合料的壓實特性，與用于路基的標準Proctor試驗相比，改進試驗通常會導致混合料的最大干密度增加，最佳含水量降低。圖2為試驗所用圓柱形模具，試件高度為116 mm，內徑為102 mm，試驗重復3次取平均值，錘的質量為2.5 kg，自由落體距離為305 mm。將混合物中粒徑大于19 mm的顆粒剔除，用粒徑小于19 mm且總質量相同的顆粒進行替換，試件制備流程依據美國AASHTO T180方法C。

試件成型后分別采用無側限抗壓強度試驗(UCS)、間接拉伸強度試驗(ITS)和彈性模量(Mr)進行力學性能評價，試驗測試均按照現行規范要求進行。為了防止樣品水分流失，將其放在密封的塑料袋中養生。試件養護設備選用0 ℃～100 ℃的恒溫箱，試驗的養護工藝參數包括養護溫度分別為25 ℃，40 ℃，60 ℃和100 ℃，時間周期分別為1 d，3 d，7 d，28 d，60 d和90 d。

2 試驗結果分析

由于冷再生混合料在馬歇爾試驗擊實方法等傳統擊實方法下力學行為并沒有隨成分含量的變化而發生顯著改變[10]，因此針對另一種壓實方法的力學行為進行評價，采用改進的Proctor測試程序進行擊實試驗。首先，以乳化瀝青含量為變量，水泥含量為固定量，在冷再生混合料中加入2%，3%和4%三種不同含量的乳化瀝青以及1%的水泥，經攪拌后，在25 ℃條件下養護7 d。以水泥含量為變量，乳化瀝青含量為固定量，在乳化瀝青摻量固定為3%的情況下，水泥摻量分別為0%，1%和2%。壓實曲線(干密度與含水率)如圖3所示。從圖3中數據可以得出，在相同的乳化瀝青含量范圍內，含水率的變化對瀝青混合料干密度影響較小，差異小于約0.05 g/cm3，這表明冷再生混合料的干密度指標幾乎不受含水率影響，而在以往研究中馬歇爾擊實的試件中同樣觀測到相似的結果[11]，這可能是因為在再生混合料級配曲線中細集料比例較低，Daffalla在尺寸為100 mm×100 mm的試件中也發現類似的趨勢[12]。盡管干密度結果基本相似，由于再生瀝青混合料設計方法應力求簡單以方便生產，如圖3所示，使用曲線中的干密度峰值作為參考，與試件制備過程中觀察到的工作性(以定性的方式)一致，最終確定3%的乳化瀝青作為最優選擇，并對每個試件進行無側限抗壓強度試驗(UCS)測試。

不同乳化瀝青和水泥含量組合UCS測試結果如圖4所示。

從圖4(a)數據可以得出，對于三種不同的乳化瀝青含量，含水率的變化對UCS試驗結果影響不大，隨著乳化瀝青的加入，強度有降低的趨勢，摻量為4%的乳化瀝青具有較低的抗壓強度。盡管低含量的乳化瀝青具有較低的密度，但抗壓強度隨著乳化瀝青摻量的增加而下降，即4%乳化瀝青含量的混合料具有較低的UCS值。一般來說，含水率的變化對任何乳化瀝青含量的UCS結果都沒有重大影響。由此可知，乳化瀝青含量對UCS的結果有較為明顯的影響，而混合料密度受水含量的影響更大。針對上述情況，對每個試件在養生期間的水分損失進行了驗證。結果表明，所有試樣在壓實過程中均沒有失去所有的水分。試樣結構內保持了平均1.5%的水分，這與Batista和Antunes的報告中的結果類似[13]。一般來說，添加的水含量越高，水分損失就越大。圖4(b)中表明隨著水泥含量的增加，強度有明顯增加的趨勢，瀝青混合料的最佳含水率會隨著水泥的含量增加而增加，這可能由于更細的顆粒往往會增加被水浸潤的表面積，而與含有1%或2%水泥的瀝青混合料相比，不含水泥的混合料的UCS值較低，由此可知含水率的變化對試驗結果的影響較小。

通過對水泥、水和乳液含量變化的影響研究后，重點研究了不同養護過程(包括不同的溫度和時間)對混合料性能的影響。在這個過程中，保持瀝青乳液、水、水泥含量不變，分別固定為3.0%，5.5%(4.36%的自由水加1.14%的乳液水)和1.0%，這是上述材料含量變化影響研究中性能最好的再生混合料配比，也是施工現場中通常使用的含量數值。第一種養生方法是在25 ℃的溫控室完成的，養生時間周期分別為7 d，28 d，60 d和90 d。使用相同試驗工藝制備六組不同養生時間段的試件，在不同的養生時間下，試件的平均干密度值約2 000 kg/m3。并對養護前后的瀝青混合料含水率進行驗證，驗證結果表明，養護28 d后剩余含水率相對穩定，水的質量分數平均為1.5%，這可能是由于水泥水化反應導致含水率較養護前降低。彈性模量實驗結果如圖5所示，在養護7 d～28 d的時間內，試件的Mr值增加了約24%，但養護28d后試件剛度沒有明顯增加，尤其是60 d后，混合料的Mr值變化不明顯，其中每個養護期測試了6個試樣，結果之間的變化非常小(變化系數小于10%)。彈性模量實驗可以得出，在不同的養護周期內，試驗中施加的圍壓對瀝青混合料的彈性模量影響不大，這是由于乳化瀝青的黏聚力和水泥的水化反應作用，部分研究學者提出使用動態模量測試來表征冷再生瀝青混合料和瀝青乳液[14]。在Mr試驗結束后，分別進行ITS(3個)和UCS(3個)試驗。

圖6為ITS，UTS試驗結果，試驗結果表明，養生60 d后其ITS值有所提高。養生60 d后的平均值幾乎比養護前7 d的平均值高100%。在60 d～90 d之間，平均抗拉強度下降，但數值仍然非常相似，所以觀察到的微小差異更有可能是由于材料和試驗變異性本身。對于相同養護周期的試件，CV值均小于10%。UCS試驗結果表明，UCS的試驗結果與Mr和ITS的結果有相同的趨勢，隨著養護時間的增加，無側限抗壓強度有增大的趨勢，其最終抗壓強度比養護7 d高100%。在養護60 d后，抗壓強度保持不變，直至最后養護齡期(90 d)。該試驗結果的CV值也比較低(小于15%)。對于ITS和UCS的試驗結果，進行了統計學t檢驗，比較了養護28 d～60 d以及養護60 d～90 d之間的值。檢驗的結果是P值高于顯著性水平(見表3)，這意味著對于任意時間的養護期，該平均值具有統計學意義。

表3 學生t檢驗的P值

在上述養護養生時間的研究中，雖然較長的養護周期會明顯提升強度，但不適合瀝青路面快速開放交通的特點，因此通過改變養護溫度以達到加速養生的目的，研究了不同的養護溫度和時間對冷再生混合料強度的影響，以更快和更實際的過程預測瀝青混合料的最終力學性能。共制備乳液、水、水泥摻量(分別為3.0%，5.5%，1.0%)相同的試件27個，結合溫度(40 ℃，60 ℃，100 ℃)和周期(1 d，3 d，7 d)，共9套不同的養護工藝。在加速養生的研究中，只進行ITS試驗，試件在標準溫度(25 ℃)下進行測試，這意味著在每次養護過程結束后，試件在至少5 h內穩定到該溫度。圖7給出了每個溫度和每個養護時間的ITS結果。結果表明，在養生過程中提升溫度更有利于冷再生瀝青混合料的設計，與25 ℃的養生溫度相比，試件的最終力學特性可以在更短的時間內實現。在40 ℃條件下，僅養護1 d，試件的ITS值與25 ℃條件下養護7 d的試件的ITS值相似，將養生時間延長至7 d后，瀝青混合料的強度也有明顯的提升。與其他養生溫度相比，60 ℃在各齡期的強度在所有研究的養生溫度中最高。而100 ℃相對于60 ℃有所降低，這可能是由于高溫可能導致混合料內部結構的劣化。此外，100 ℃的溫度可能會迅速蒸發部分用于水泥水化的水，這也會降低瀝青混合料強度。

圖8為常規養生工藝(25 ℃)和加速養生工藝(更高溫度)的結果。結果表明，ITS值隨養生時間的增加而增加，并比較經過7 d的養護，在所有的養護溫度(40 ℃，60 ℃和100 ℃)下，產生的混合料的ITS值都相似，這表明這是該類型混合料強度增長的極限。養護溫度為25 ℃的ITS結果顯示，在養護28 d后達到平均最大值，而在較低的養護齡期則遠低于其他養護溫度下的抗壓強度。在25 ℃條件下，混合料經過60 d或90 d的養護的強度性能，在60 ℃條件下僅經過1 d即可達到類似的強度性能。因此，60 ℃可以作為加速養生的最佳溫度。

3 冷再生混合料配合比設計方法的優化

基于上述試驗結果分析，提出了一種冷再生混合料配合比實驗室設計方法的優化，其中材料選擇如下：骨料由100% RAP材料組成，其公稱最大粒徑(NMAS)為19 mm或以下；瀝青乳液可以改性或不改性；水泥添加劑應為水泥或熟石灰；水為蒸餾水。攪拌過程為先將水泥和RAP按試驗所需要求進行攪拌混合，按順序加入水、瀝青乳液進行二次攪拌。試件成型和養護使用Proctor壓實設備和溫度可覆蓋20 ℃～100 ℃范圍內的烘箱。為了獲得最佳的瀝青乳液、水泥和含水量，首先，根據RAP的等級和路面現場相關經驗，選擇3種不同的乳化瀝青摻量，各摻量之間的變化幅度為1%。對于每個乳化瀝青含量，應制作5個不同含水率的試樣，選擇最大干密度的最高值的乳化瀝青含量作為參考摻量。之后，選擇3種不同的水泥摻量，在60 ℃養護1 d的養護條件和周期內，對所有試件進行UCS試驗(試驗結果不低于0.2 MPa)，其中UCS測試速度為每分鐘1 mm，并且必須在測試開始前需要至少5 h將試樣的溫度穩定在25 ℃進行測試，最終以力學強度最大的水泥摻量為最佳摻量。通過ITS試驗進行配合比驗證(試驗結果不低于0.4 MPa)，養護條件和試驗前溫度穩定流程與UCS試驗一致，ITS測試速度為每分鐘50 mm。最終根據資源利用最大化和經濟合理性原則，選擇最優配合比材料摻量以平衡路面工作性和經濟適用性。

4 結語

基于改進的Proctor擊實試驗，通過改變水、瀝青乳液和水泥的含量，以及在不同的養護溫度和養護周期下進行了力學試驗(Mr，ITS和UCS)，提出了一種摻加乳化瀝青和硅酸鹽水泥的冷再生混合料的實驗室設計方法，基于試驗結果得出以下結論：1)相對于馬歇爾擊實方法，Proctor擊實試件的力學行為隨著材料含量變化更為顯著，建議使用改進的Proctor擊實方法成型試件以確定冷再生瀝青混合料設計中的水、乳化瀝青、水泥的最佳含量。2)在不同的養護溫度和周期組合中，60 ℃條件下養護1 d內的試件ITS相關的力學性能，與在25 ℃條件下28 d后的結果相似。因此，60 ℃的養護溫度與較短的養生時間更有利于提升瀝青混合料的力學性能，達到優化設計的目的。3)基于大量的室內試驗，提出了一種使用普氏擊實試驗的冷再生瀝青混合料的實驗室設計方法，旨在為冷再生瀝青混合料設計提供一種快速、實用的方案優化和參考。