路面基層廠拌冷再生混合料配合比設計與性能研究

崔鵬舉

(河南交投交通建設集團有限公司豫南分公司 漯河市 462000)

0 引言

隨著服役年限增加,早期建成的各等級公路普遍會出現路面老化等病害,需要進行大中修養護。對于養護過程產生大量的路面銑刨廢料,如何充分利用廢舊銑刨料,減少環境污染,成為亟待解決的問題。乳化瀝青廠拌冷再生技術是常用的廢舊銑刨料再利用方法[1-2],該方法受環境影響較小,便于控制質量,廢舊料利用率高達90%以上,綜合成本相對較低。

諸多學者對乳化瀝青冷再生技術開展了相關研究。郝林等[3]研究了不同試件成型方法對于面層用乳化瀝青冷再生混合料的空隙率、強度等性能的影響,認為旋轉壓實成型方法效果最佳。戶桂靈等[4]通過Witzack模型和Hircsh模型預估乳化瀝青冷再生混合料的動態模量。郭天星等[5]針對影響乳化瀝青冷再生混合料早期強度的因素,分別進行試驗研究。此外也有冷再生混合料反射裂縫、性能衰變規律等相關研究[6-7]。綜上,當前冷再生混合料相關研究主要集中在路面面層,對于廠拌冷再生混合料的基層應用研究較少。

基于此,文章以某高速公路改擴建工程為依托,將乳化瀝青廠拌冷再生混合料應用于路面基層,研究其配合比設計和路用性能,以期為乳化瀝青廠拌冷再生技術的工程應用提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

銑刨料分為10～20mm舊料、5～10mm舊料和0～5mm舊料。添加的10～30mm新集料采用石灰巖集料。乳化瀝青為陽離子慢裂型,蒸發殘留物含量在60%～65%。新集料和乳化瀝青指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)要求。

1.2 試驗方法

冷再生混合料用于基層時,主要評價其抗反射裂縫性能。通過四點彎曲疲勞試驗和半圓彎曲試驗評價基層混合料在減緩裂縫的發生與發展方面的性能。四點彎曲疲勞試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011),試驗儀器采用IPC UTM-30,試驗參數見表1。

表1 疲勞試驗參數

半圓彎曲試驗參照AASHTO TP124標準,試驗儀器采用UTM-30,測試溫度為-10℃和10℃,加載速率為5mm/min。從150mm圓柱形試件中切出厚度50mm的圓柱片,再將圓柱片平均切割為兩個半圓片,在半圓片對稱軸位置垂直切割預裂縫,深度15mm,寬度1.5mm,測試過程中試件底部支撐跨徑120mm,具體見圖1。

圖1 半圓彎曲試驗示意圖

高溫穩定性試驗、水穩定性試驗和劈裂強度試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)進行。擊實試驗參照《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)進行。無側限抗壓強度試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG 3441-2024)進行。

2 冷再生混合料配合比設計

2.1 級配設計

文章根據ATB-25級配范圍確定各檔集料摻配比例。盡可能使級配曲線呈現平滑的“S”形,減少混合料離析,提高施工和易性,利于攤鋪碾壓,保障施工質量。參考《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)級配范圍,確定冷再生混合料各檔集料摻配比例和合成級配,具體見表2和表3。

表2 冷再生混合料各檔集料摻配比例

表3 冷再生混合料合成級配

2.2 確定最佳含水量及最大干密度

乳化瀝青冷再生混合料中的水分源于乳化瀝青中的水及外加水。為確定冷再生混合料外加水量,結合以往工程實例,固定乳化瀝青用量為4%,變化外加水量,采用擊實試驗確定最佳含水量和最大干密度。外加水量以3.0%為基準,上下浮動0.5%和1.0%。另外,乳化瀝青中含有1.6%水分,總計含水量為3.6%、4.1%、4.6%、5.1%和5.6%。不同含水量下的干密度試驗結果見圖2。

圖2 不同含水量下冷再生混合料干密度

根據圖2可知,含水量與干密度之間呈現二次函數曲線關系,當外加水量為3.0%,總計含水量為4.6%時,干密度最大。因此,乳化瀝青冷再生混合料最佳含水量為4.6%,對應的最佳外加水量為3.0%。

2.3 乳化瀝青最佳含量確定

結合以往工程經驗,乳化瀝青冷再生混合料選擇3.50%為起始摻量,以0.25%增量遞增,共計5個摻量。不同乳化瀝青摻量下,混合料性能評價指標為馬歇爾試驗空隙率以及劈裂試驗的干、濕劈裂強度。試驗結果見圖3。

圖3 不同乳化瀝青用量下冷再生混合料的劈裂強度和空隙率

由圖3可知,當乳化瀝青冷再生混合料中乳化瀝青的含量逐漸增加時,混合料空隙率以不同速率減小。當乳化瀝青摻量小于4.0%時,隨著乳化瀝青用量增加,空隙率變化緩慢;當乳化瀝青摻量大于4.0%時,隨著乳化瀝青用量增加,空隙率變化速率顯著加快。同時,冷再生混合料的劈裂強度在乳化瀝青摻量為4.0%時達到峰值。為使冷再生混合料同時具有較好的高溫穩定性和抗水損害能力,其應具有較高的劈裂強度和適宜的空隙率。因此優先選擇乳化瀝青用量為4%。

2.4 水泥摻量確定

2.4.1不同水泥摻量下的干縮性能

在混合料中添加不同劑量的水泥時,冷再生混合料干縮系數隨時間的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知,齡期7d時,不同水泥摻量冷再生混合料的干縮系數均顯著增長。齡期7d后,干縮系數增速減緩并趨于穩定。齡期28d時,水泥摻量越高,混合料干縮系數越大。

圖4 不同水泥摻量下的干縮系數

2.4.2不同水泥摻量下的高溫穩定性

不同水泥摻量下混合料的高溫穩定性評價指標采用車轍試驗得到的動穩定度,試驗結果如表4所示。由表4可知,隨著冷再生混合料中水泥摻量增加,變形整體呈減小趨勢,動穩定度逐漸增大,再生混合料柔性減小,剛性增加,抗變形能力提高。

表4 乳化瀝青冷再生混合料車轍試驗結果

目前,通常要求面層冷再生混合料動穩定度大于3000次/mm,應用于基層的冷再生混合料無動穩定度要求。參照面層動穩定度指標要求,不同水泥摻量下,冷再生混合料動穩定度均大于規范要求值。同時,基層動穩定度不宜過大,否則混合料剛性過大,在荷載作用下容易產生裂縫。

2.4.3水泥摻量對水穩定性的影響

不同水泥摻量的冷再生混合料凍融劈裂試驗結果見表5。由表5可知,隨著乳化瀝青冷再生混合料中水泥用量增大,混合料的凍融劈裂強度比先增大后減小。當水泥摻量為1.5%時,凍融劈裂強度比最大。不同水泥摻量的混合料凍融劈裂強度比均滿足規范要求。

表5 凍融劈裂試驗結果

2.4.4水泥摻量對無側限抗壓強度的影響

不同水泥摻量的冷再生混合料無側限抗壓強度試驗結果見表6。由表6可知,冷再生混合料強度與水泥用量之間呈正相關變化趨勢。當水泥摻量小于1.5%時,冷再生混合料的強度增長較快;水泥摻量大于1.5%時,冷再生混合料的強度增長減緩。水泥摻量由1.0%增加至1.5%和2.0%時,冷再生混合料強度分別增加了1.22MPa和0.28MPa。水泥摻量大于1.5%時,乳化瀝青冷再生混合料的無側限抗壓強度滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)規范要求。

表6 不同水泥摻量下無側限抗壓強度試驗結果

3 冷再生混合料性能

為分析冷再生混合料性能,增設熱拌瀝青混合料試驗組進行對比。兩者級配相同,熱拌混合料油石比根據工程經驗和試拌效果選定3.3%。

3.1 疲勞性能

冷再生混合料和熱拌混合料疲勞壽命測試在每個條件下進行3次平行試驗,試驗結果見表7。

表7 兩種混合料疲勞壽命測試結果

由于混合料疲勞壽命屬性特征,試驗結果通常離散性較大。為準確評價兩種混合料的疲勞性能,采用Weibull分布分析試驗結果,分布函數如式1,經對數轉換如式2[8],分析前先行驗證試驗結果是否服從Weibull分布。

(1)

(2)

兩式中:Np表示保證率為p時的疲勞壽命;N0為最小疲勞壽命參數,試驗取最小測試結果的50%;Na表示36.8%存活率的特征疲勞壽命;p為存活率,p=1-i/(1+n),n=3,i=1,2,3;b為形狀參數。

兩種混合料疲勞壽命測試結果Weibull分布檢驗結果見表8。由表8可知,回歸方程相關系數均在90%以上,證明疲勞壽命服從Weibull分布。

表8 疲勞壽命Weibull分布檢驗

分別令表8中p=95%和p=50%,得到兩種混合料在兩種保證率下的疲勞壽命,如圖5所示。

圖5 熱拌混合料和冷再生混合料疲勞壽命

由圖5可知,兩種混合料的疲勞性能差異并不顯著。95%保證率下,與熱拌瀝青混合料相比,冷再生瀝青混合料疲勞壽命在200με時提高11.5%,在400με時降低9.2%,600με時兩者疲勞壽命相當。50%保證率下變化趨勢相似。

3.2 抗裂性能

根據半圓彎曲試驗得到的斷裂過程應力-位移曲線,評價混合料抗裂性能的主要指標為最大斷裂荷載和對應的斷裂位移與斷裂能。斷裂能計算如式3,其中積分即為應力-位移曲線與坐標軸圍成的面積。兩種混合料半圓彎曲試驗結果如圖6所示。

(3)

圖6 兩種混合料斷裂性能

式3中:G為斷裂能,單位為kJ/m2;h為試件厚度;r為試件半徑;d為切口深度;u為破壞位移;P為破壞荷載。

分析圖6可知,與熱拌混合料相比,-10℃條件下,冷再生混合料斷裂荷載提升11%,斷裂位移減小15%,斷裂能基本相當。這主要是由于再生混合料中存在老化瀝青,低溫下脆性較強;10℃條件下,兩種混合料的斷裂荷載、斷裂位移及斷裂能差異不明顯。

4 結論

通過上述冷再生混合料配合比及性能試驗,得出以下結論:

(1)為提高施工性能,冷再生混合料中0～5mm舊料、5～10mm舊料、10～20mm舊料、10～30mm新料以及礦粉用量分別為28.0%、11.0%、28.0%、29.0%和4.0%。

(2)根據不同含水量下的干密度,確定最優乳化瀝青用量為4.0%,對應的外加水量為3.0%。

(3)乳化瀝青冷再生混合料干縮系數、動穩定度、無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增加逐漸增大。水穩定性能在水泥摻量為1.5%時最優。為避免水泥摻量增加引起再生混合料剛性過大,綜合確定水泥摻量為1.5%。

(4)廠拌乳化瀝青冷再生混合料與熱拌混合料的疲勞性能和抗裂性能基本相當,可用于路面基層。