乳化瀝青冷再生試驗方法改進及性能研究

蘇志翔，李淑明，吳小虎

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

乳化瀝青冷再生試驗方法改進及性能研究

蘇志翔，李淑明，吳小虎

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

對《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）中乳化瀝青冷再生混合料試驗規(guī)程中的最佳含水率OWC的確定方法以及試件成型的養(yǎng)生溫度等進行改進，以完善和簡化規(guī)范要求的試驗方法，并通過室內(nèi)試驗對改進后的試驗方法進行驗證和對比研究。研究表明，使用最佳流體含量OFC作為乳化冷再生混合料外加水的控制指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范要求的最佳含水量OWC指標(biāo)；提高試驗養(yǎng)生溫度至110℃，可以獲得與規(guī)范60℃養(yǎng)生溫度相似的結(jié)果，并能夠縮短試驗所需時間，提高工作效率；乳化瀝青冷再生混合料具有較好的水穩(wěn)定性能及高溫穩(wěn)定性能，能滿足或高于熱拌瀝青混合料的技術(shù)要求。

乳化瀝青；冷再生；最佳含水量；最佳流體含量；養(yǎng)生溫度；水穩(wěn)定性；高溫穩(wěn)定性

我國《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）中規(guī)定了乳化瀝青冷再生混合料的配合比設(shè)計方法，明確了乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計時的礦料級配、最佳含水率OWC的確定方法以及最佳乳化瀝青用量OEC的確定方法等［1］。但是，通過試驗發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中規(guī)定的一些試驗方法有時并不能得到預(yù)期的試驗結(jié)果或者試驗過程比較繁雜［2-7］。例如，通過較多的試驗實踐發(fā)現(xiàn)，對于規(guī)范要求的確定乳化瀝青冷再生混合料的最佳含水量的試驗方法，采用土工試驗方法有時并不能得到很好的峰值曲線，難以確定擊實的最佳含水量［8］；對于確定最佳乳化瀝青用量，規(guī)范要求的試件的擊實次數(shù)和養(yǎng)生方法為：雙面擊實各50次后60℃烘箱養(yǎng)生40 h，然后取出雙面擊實各25次，常溫冷卻12 h后脫模進行干濕劈裂試驗［1］，整個過程需要持續(xù)5天，耗時較長。因此，本文對規(guī)范中要求的最佳含水量的確定方法以及試驗養(yǎng)護溫度等進行改進，并通過室內(nèi)試驗和對比研究對改進后的試驗方法進行驗證，以完善和簡化規(guī)范要求的試驗方法。

1 試驗材料

1.1 乳化瀝青

選用中石化生產(chǎn)的東海牌乳化瀝青進行試驗，乳液中純?yōu)r青含量為65%，性能指標(biāo)如表1。

1.2 集料

集料采用新鮮石灰?guī)r和RAP舊料，兩者的篩分結(jié)果如表2和表3。集料的各項指標(biāo)分別滿足文獻［1］和［9］要求。

2 試驗方案與結(jié)果分析

2.1 礦料級配設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，乳化瀝青冷再生混合料宜采用連續(xù)密集配，國內(nèi)規(guī)范要求的乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計級配范圍比較寬泛，并且與熱拌瀝青混合料的級配相差不大［2-4］。因此，綜合考慮［1］要求的乳化瀝青冷再生中粒式混合料工程級配范圍和［9］要求的中粒式AC-20型混合料級配范圍，設(shè)計乳化瀝青冷再生混合料的礦料級配。試驗中，盡量提高RAP舊料的使用比例，控制其使用量在50%以上。乳化瀝青冷再生混合料礦料級配設(shè)計如表4、表5和圖1所示。

表1 乳化瀝青性能指標(biāo)Tab.1 Performance of emulsified asphalt

表2 石灰石篩分結(jié)果Tab.2 Aggregate passing percentage

表3 RAP舊料篩分結(jié)果Tab.3 Passing percentage of RAP

表4 各粒徑范圍的礦料用量Tab.4 The percentage of each aggregate

表5 乳化瀝青冷再生礦料級配表Tab.5 Gradation design

圖1 乳化瀝青冷再生礦料級配曲線Fig.1 Mineral aggregate gradation curves

乳化瀝青冷再生混合料需要通過摻加水泥來增強混合料的強度，本試驗中將20%的礦粉用水泥代替，因此，各礦料的用量調(diào)整如下表6，RAP舊料的總用量為60%，新集料的總用量為34%，礦粉用量4.8%，水泥用量1.2%。

表6 各種礦料的用量Tab.6 The percentage of each aggregate

2.2 最佳含水率OWC及最佳流體用量OFC

根據(jù)文獻［1］要求，參照現(xiàn)行《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40）T 0131的方法，對合成礦料進行擊實試驗，確定最佳含水率，乳化瀝青的用量可定為4%，變化含水率進行擊實試驗，獲得最大干密度時，其混合料的含水率即為最佳含水率OWC［1］。試驗得到干密度與平均含水率的關(guān)系曲線如圖2。

圖2 確定最佳含水量Fig.2 Determination of OWC

從試驗過程和試驗結(jié)果的關(guān)系曲線得到如下結(jié)論：

1）隨著含水率的增加，干密度先增加后平穩(wěn)保持不變，隨著含水率的繼續(xù)增加干密度又會出現(xiàn)增大的趨勢，試驗結(jié)果沒有明顯的峰值，補做試驗后依然未能出現(xiàn)明顯的峰值。因此通過此方法難以定出最佳含水率。

2）試驗過程中發(fā)現(xiàn)，含水量較小時，混合料中大粒徑的集料被擊碎嚴重；當(dāng)含水率較大時，擊實過程中水和乳液流失較多。因此，試驗得到的結(jié)果并不能真實的反應(yīng)含水率與干密度之間的關(guān)系。

3）盡管試驗結(jié)果得不到明顯的峰值，但是含水率過大顯然不能滿足試驗的要求，因此，可以根據(jù)干密度達到平穩(wěn)段的含水率作為最佳含水率，確定最佳含水率OWC為5.0%。

通過上述方法并沒有能準確的定出最佳含水率OWC，因此需在其方法上做出一些改進，參照國內(nèi)現(xiàn)有的研究，可以通過確定最佳流體用量OFC的方法來確定最佳的用水量［3，8］。

具體方法如下，將5個不同流體用量（水與乳化瀝青的質(zhì)量比為1：1）的再生料進行土工擊實試驗，確定試件最大干密度，計算方法如公式（1）所示，根據(jù)試件干密度—流體含量關(guān)系曲線，回歸得出最大干密度及其相應(yīng)的最佳流體含量OFC作為后期試驗控制外加水量的指標(biāo)。試驗的擊實方法規(guī)范相同。試驗得到干密度與流體用量的關(guān)系曲線如圖3。

式中：D干密度——干密度，kg·m-3；

WF——試件在壓實過程中的流體含量（質(zhì)量百分比，%）；

MB——擊實后試件的質(zhì)量，g；

V桶——擊實桶的體積，cm3。

圖3 確定最佳流體用量Fig.3 Determination of OFC

由關(guān)系曲線可知，隨著流體含量的增加，干密度先增大后減小，有明顯的峰值。因此通過此方法可以確定最佳流體用量為7.5%，此時對應(yīng)的試件的含水量在5.0%左右，說明最佳含水率為5.0%是合理的。

通過兩種不同的試驗方法分別得到了最佳含水量OWC及最佳流體用量OFC，對比兩種試驗方法可知：

1）通過規(guī)范方法難以確定最佳用水量，試驗結(jié)果沒用明顯的峰值，不能得到最大干密度。其原因可能有兩點，第一含水量較小時集料破碎嚴重，含水量較大時水和乳液流失嚴重，使得試驗結(jié)果差異性較大；第二，由于乳化瀝青中純?yōu)r青也是液體狀態(tài)，單純考慮水對擊實過程中最大干密度的影響并不合理。

2）通過確定最佳流體用量來控制混合料擊實時的液體含量比較合理，擊實的最大干密度與流體用量存在明顯的峰值，并且此時對應(yīng)的試件含水量與通過規(guī)范方法獲取的最佳含水量相近。

綜合以上兩點考慮，取最佳流體用量OFC=7.5%作為試驗控制外加水的指標(biāo)。

2.3 最佳乳化瀝青用量OEC

根據(jù)文獻［1］要求，本次試驗方法在其基礎(chǔ)上做一些修改，具體修改如下：

1）以預(yù)估的瀝青用量為中值，按照一定的間隔變化形成4～5個乳化瀝青用量，保持最佳流體用量OFC不變控制外加水用量，制備馬歇爾試件；

2）試件第一次雙面擊實各50次后，試樣連同試模一起側(cè)放在110℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生24 h，后取出試模進行二次擊實雙面各25次。

其他試樣過程與規(guī)范要求相同，試件成型養(yǎng)生后測其毛體積密度，并實測各油石比下的最大理論密度，將各組油石比試件進行15℃劈裂試驗、浸水24 h的劈裂試驗。根據(jù)劈裂強度、浸水劈裂強度、干濕劈裂強度比、混合料的空隙率結(jié)合工程經(jīng)驗，綜合確定最佳乳化瀝青用量OEC。試驗結(jié)果如表7和圖4。

表7 最佳乳化瀝青用量試驗結(jié)果Tab.7 Result of OEC test

圖4 確定最佳乳化瀝青用量Fig.4 Determination of OEC

通過試驗可的如下結(jié)論：

1）前三個乳化瀝青用量下的空隙率基本都能滿足規(guī)范要求的9%～14%，乳化瀝青用量為4.6%時的空隙率為8.8%，小于規(guī)范的要求；干、濕劈裂強度都在0.75 MPa以上，遠高于規(guī)范要求的0.50 MPa，乳化瀝青用量為4.6%時的劈裂強度出現(xiàn)明顯的增大，可能是由于空隙率偏小導(dǎo)致的；四個乳化瀝青用量下的干濕劈裂強度比都大于75%，都能滿足規(guī)范要求。

2）不同乳化瀝青用量下的干、濕劈裂強度與乳化瀝青用量關(guān)系沒有明顯的峰值，根據(jù)干、濕劈裂強度得不到最佳乳化瀝青用量。干濕劈裂強度比隨著乳化瀝青用量的增加有先增大后減小的趨勢，根據(jù)干濕劈裂強度比可以確定最佳乳化瀝青用量為4.2%。

3）通過與文獻［6］的試驗結(jié)果進行研究可知，將試件養(yǎng)生溫度從60℃提高到110℃，干濕劈裂強度值都有一定的提高，但是其值仍然保持在同一水平，試驗所需時間從5天縮短到3天，因此，可以通過提高養(yǎng)生溫度的方法來縮短試驗時間，提高試驗效率。

2.4 水穩(wěn)定性

冷再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能通過凍融劈裂試驗來評價，按照最佳乳化瀝青用量成型試件，試件成型養(yǎng)生方法與上述方法相同，分為兩組，每組四個平行試件，根據(jù)文獻［10］規(guī)定的試驗方法進行試驗，一組在25℃水浴中浸泡2 h后測試劈裂強度；另一組0.09 MPa浸水抽真空后-18℃冰箱養(yǎng)生16 h，后60℃水浴恒溫24 h，最后25℃水中浸泡2 h后測其劈裂強度。其凍融劈裂強度比TSR需滿足文獻［1］規(guī)定的技術(shù)要求。試驗結(jié)果如表8所示。

表8 凍融劈裂試驗結(jié)果Tab.8 Result of TSR

試驗所得的凍融劈裂強度比為79.96%，遠大于規(guī)范要求，因此完全能滿足冷再生混合料水穩(wěn)定性能的要求。

2.5 高溫穩(wěn)定性

乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性能通過車轍試驗進行評價，根據(jù)文獻［10］規(guī)定的試驗方法做一些修改后進行試驗，試驗方法具體修改如下：

1）根據(jù)最佳乳化瀝青用量成型試件，成型試件前根據(jù)空隙率對質(zhì)量進行預(yù)估，確保車轍板的空隙率與馬歇爾試件的空隙率大致相同。

2）分兩次碾壓，第一次碾壓次數(shù)為12次（具體碾壓次數(shù)可根據(jù)高度進行控制，確保第一次碾壓后試件的高度高于試模3～5 mm），第一碾壓完成后，試件連同試模放入110℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生24 h，而后取出進行二次碾壓，碾壓次數(shù)6次左右（具體碾壓次數(shù)根據(jù)試件高度控制，確保二次碾壓后試件與試模同高）。

3）根據(jù)規(guī)范方法進行60℃的車轍試驗，獲取位移曲線和動穩(wěn)定度，而后對試件進行切割，切割成9塊，測其空隙率，驗證其空隙率是否滿足要求，若不滿足要求則修正后重新成型試件進行試驗。

試驗結(jié)果如表9所示。從結(jié)果可以看出，乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度DS均遠遠超過文獻［9］中對基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料動穩(wěn)定度的技術(shù)要求，說明冷再生混合料有非常好的高溫穩(wěn)定性能。對比文獻［6］的試驗結(jié)果可知，兩者的動穩(wěn)定度在同一水平，因此提高養(yǎng)生溫度、縮短養(yǎng)生時間對冷再生混合料的動穩(wěn)定度影響不大。

表 9 車轍試驗結(jié)果Tab.9 Result of rutting test

3 結(jié)論

1）規(guī)范要求的土工擊實方法有時難以確定冷再生混合料的最佳含水量OWC，較難得到明顯的峰值曲線，采用文中所述的修正后的土工擊實方法以及計算公式可以確定乳化瀝青冷再生混合料的最佳流體用量OFC，并通過試驗發(fā)現(xiàn)其能夠較好的控制混合料拌合及成型時的用水量。

2）若將乳化瀝青冷再生混合料試件成型時的養(yǎng)生溫度提高到110℃，盡管溫度的升高導(dǎo)致了干濕劈裂強度的提高，但是與60℃養(yǎng)生試件相比仍然保持在同一水平，且能滿足規(guī)范要求。此外，試驗時間縮短為3天。因此，可以通過提高試驗養(yǎng)生溫度的方法來縮短試驗時間，提高工作效率。

3）乳化瀝青冷再生混合料具有較好的水穩(wěn)定性能及高溫穩(wěn)定性能，能滿足或高于熱拌瀝青混合料的技術(shù)要求，并且提高養(yǎng)生溫度、縮短養(yǎng)生時間對冷再生混合料的動穩(wěn)定度影響不大。

[1]中華人民共和國交通運輸部.JTG F41-2008公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2008.

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[9]中華人民共和國交通部.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

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[11]中華人民共和國交通部.JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

Improvement and Performance of Cold-recycled Mixtures with Emulsified Asphalt

Su Zhixiang，Li Shuming，Wu Xiaohu
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In this paper，the determination method of OWC（optimum water content）and the specimens curing temperature stipulated by cold recycling mixture test procedures of emulsified asphalt in“Technical Specifica?tions for Highway Asphalt Pavement Recycling”were ameliorated to improve and simplify the test methods.Some laboratory tests and comparative study were carried out to verify them.The results show that：（1）Using OFC（opti?mum fluid content）as the optimum water content control index of the emulsified asphalt cold recycling mixture is superior to OWC that required by specification；（2）The similar results can be obtained when the curing tempera?ture is improved from 60℃to 110℃，and the test time can be decreased greatly and the work efficiency can be im?proved；（3）The water stability and the high temperature stability of the mixture are superior to HMA to some ex?tent。

emulsified asphalt；cold recycling；OWC；OFC；curing temperature；water stability；high tempera?ture stability

U414

A

1005-0523（2014）02-0037-07

2013-11-21

蘇志翔（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為道路工程材料；李淑明（1975—），女，副教授，博士，主要研究方作者簡介：向為道路工程材料。

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