二灰冷再生廢舊瀝青路面材料技術(shù)研究

尹光凱，丁燦(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安　710064)

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二灰冷再生廢舊瀝青路面材料技術(shù)研究

尹光凱，丁燦
(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064)

摘要:研究以二灰(生石灰和粉煤灰)為穩(wěn)定劑的廢舊瀝青路面材料冷再生技術(shù)，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定冷再生混合料的最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和最大干密度。對冷再生混合料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，給出推薦配合比，并對選定的一組試件的劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量進(jìn)行研究，分析冷再生混合料的強(qiáng)度增長規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:以二灰為穩(wěn)定劑的廢舊瀝青路面材料有良好的強(qiáng)度，能夠滿足道路半剛性基層材料強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞:廢舊瀝青路面材料;生石灰;粉煤灰;冷再生;配合比

近年來我國的公路建設(shè)發(fā)展迅速，高速公路總里程位居世界前列。在已經(jīng)建成的高速公路中，瀝青路面占有較大的比例。每年，需要對大量的瀝青路面進(jìn)行翻修處理，最常用的措施是銑刨舊面層后鋪設(shè)新面層［1－2］，這造成材料浪費(fèi)、污染環(huán)境等問題。而回收再利用廢舊瀝青路面材料( Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)，可以節(jié)約大量砂石材料，減少工程投資，有利于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。我國絕大多數(shù)城市道路采用的是瀝青面層下鋪設(shè)以無機(jī)結(jié)合料為穩(wěn)定劑的半剛性基層［3－4］，如能將廢棄瀝青混合料加工成滿足路面基層要求的再生集料，是解決城市廢棄瀝青混合料的一個很有效的方法［5－6］。20世紀(jì)初，美國開始對路面冷再生技術(shù)進(jìn)行研究，如今冷再生技術(shù)已相對成熟［7］。我國于20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行冷再生技術(shù)研究，已取得一定成果，其中向RAP材料中添加一定穩(wěn)定劑，形成的穩(wěn)定冷再生材料可滿足一定性能要求并適用于道路基層中［8－10］，而且冷再生材料已經(jīng)得到逐步推廣與應(yīng)用。同時瀝青路面冷再生技術(shù)具有常溫施工、能源消耗低、施工方便等特點(diǎn)，冷再生技術(shù)的研究與使用具有良好的社會和環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［11－12］。

1冷再生原材料性質(zhì)

原材料的性質(zhì)指標(biāo)對RAP材料冷再生后的性能有較大的影響，需要對試驗(yàn)原材料性質(zhì)進(jìn)行檢測分析。選用二灰(生石灰和粉煤灰)作為冷再生混合料穩(wěn)定劑并對其性質(zhì)進(jìn)行檢測，并對舊瀝青路面材料進(jìn)行篩分分析。

1．1無機(jī)結(jié)合料

選用適當(dāng)類型的生石灰、粉煤灰作為穩(wěn)定劑，根據(jù)文獻(xiàn)［13］的要求，對生石灰和粉煤灰的主要質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測。生石灰中氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12．8%、氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55．2%，因此試驗(yàn)用生石灰為I級鎂質(zhì)生石灰。粉煤灰的檢測結(jié)果見表1。由表1可以看出，粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

1．2 RAP材料性質(zhì)

對于選定的瀝青路面大修路段，使用冷再生機(jī)對舊瀝青面層進(jìn)行銑刨，經(jīng)過銑刨破碎后的RAP材料的成分較復(fù)雜，除了常規(guī)的粗集料、細(xì)集料，還有老化的瀝青塊等，且材料最大粒徑一般＜30 mm，揀除未能徹底粉碎的大塊顆粒，選用標(biāo)準(zhǔn)篩對廢舊瀝青路面材料進(jìn)行篩分分析。篩分試驗(yàn)結(jié)果見表2，并與文獻(xiàn)［14］要求的再生瀝青路面材料范圍進(jìn)行比較。

表1粉煤灰檢測結(jié)果

表2廢舊瀝青路面材料篩分結(jié)果

由表2看出，廢舊瀝青路面材料( RAP)篩分試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求的級配范圍。

2再生混合料配合比設(shè)計(jì)

二灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～25%時，二灰冷再生舊瀝青路面混合料有較好的強(qiáng)度，為了更好地分析二灰冷再生舊瀝青路面材料的性質(zhì)，選取m(生石灰)∶m(粉煤灰)∶m( RAP) 4組配合比，分別為8∶16．5 ∶75. 5、6∶15∶79、6∶12∶82、4．8∶9．8∶85．4進(jìn)行試驗(yàn)。

2．1擊實(shí)試驗(yàn)

對4組配合比的二灰冷再生舊瀝青路面材料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和最大干密度，如表3所示。

表3不同配合比的二灰冷再生混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，4種類型配合比混合料隨著RAP材料用量增加，冷再生混合料的最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，最大干密度增大。主要是由于RAP材料密度較二灰大，且最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于生石灰和粉煤灰。

2．2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和最大干密度，依據(jù)文獻(xiàn)［15］中的方法成型圓柱形試件，每種配合比成型13個平行試件，然后在規(guī)定環(huán)境下養(yǎng)生，試件養(yǎng)生齡期采用7、28、60、90、180 d。為了保證試件內(nèi)部溫度達(dá)到要求的試驗(yàn)溫度，在養(yǎng)生齡期的最后一天，將試件置于己達(dá)規(guī)定溫度的恒溫水槽中保溫24 h。將已浸水一晝夜的試件從水中取出，用軟的舊布吸去試件表面的可見水，將試件放在路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺上，最后對試件進(jìn)行無側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［16］。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1中4條曲線分別代表4種不同配合比的二灰冷再生混合料的抗壓強(qiáng)度隨齡期變化情況。可以得出，不管是早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度，3#和2#試件的抗壓強(qiáng)度明顯高于1#和4#。3#試件的7 d抗壓強(qiáng)度高于2#。后期強(qiáng)度都明顯增加，3#和2#試件的抗壓強(qiáng)度非常接近，但是3#依然高于2#。因此，由試驗(yàn)結(jié)果得出，3#試件的試件抗壓強(qiáng)度最好，3#試件中RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2#，RAP材料得到高效利用，因此，選用3#試件的配合比。

圖1不同配比抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3力學(xué)性能分析

3．1劈裂強(qiáng)度

圖2劈裂強(qiáng)度隨齡期變化

根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定了再生廢舊瀝青路面材料配合比，為了檢驗(yàn)再生混合料抗拉破壞能力，依據(jù)此配合比成型圓柱體試件，對養(yǎng)生至不同齡期的試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度檢測，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可以得出，采用3#配合比的二灰冷再生混合料具有較好的劈裂強(qiáng)度，且劈裂強(qiáng)度隨著齡期的增加而增大，增長速率隨著齡期的增加呈現(xiàn)減緩的趨勢。7 d齡期時的劈裂強(qiáng)度達(dá)到0．166 MPa，90 d齡期時的劈裂強(qiáng)度為0．591 MPa，是7 d齡期的3. 56倍。180 d齡期的劈裂強(qiáng)度達(dá)到0．702 MPa，是7 d齡期的4. 22倍，是90 d齡期的1. 19倍，劈裂強(qiáng)度增長較大。數(shù)據(jù)表明，二灰冷再生混合料早期反應(yīng)較快，在較短齡期內(nèi)可以充分反應(yīng)，90 d的劈裂強(qiáng)度達(dá)到180 d的0. 85倍。由此得出，添加二灰的RAP材料在早期養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)( 28 d時)就能達(dá)到較高的劈裂強(qiáng)度，后期強(qiáng)度的增長速率逐漸減緩。

圖3　抗壓回彈模量隨齡期變化

3．2抗壓回彈模量

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用抗壓回彈模量進(jìn)行厚度計(jì)算與力學(xué)計(jì)算，因此抗壓回彈模量是表征路面材料性能的一個重要指標(biāo)，對冷再生的廢舊瀝青路面材料進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)，分析其隨養(yǎng)生齡期增長的變化規(guī)律，為添加生石灰和粉煤灰的RAP材料在基層使用提供指導(dǎo)。抗壓回彈模量隨齡期變化如圖3所示。

圖4冷再生混合料抗壓強(qiáng)度與回彈模量的相關(guān)性

由圖3可以看出，再生混合料的抗壓回彈模量隨齡期延長而增長，且增長速率逐漸減緩。隨著二灰反應(yīng)的結(jié)束，再生混合料的剛度基本穩(wěn)定，增長不再明顯。90 d的回彈模量變化趨勢已趨于穩(wěn)定，達(dá)到180 d時的87．83%。為了更好分析再生混合料剛度變化，結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對再生混合料的抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量進(jìn)行對數(shù)方程回歸相關(guān)性分析，如圖4所示。

根據(jù)圖4中回歸方程曲線，以抗壓回彈模量為橫坐標(biāo)，抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，分析二者的相關(guān)特性，相關(guān)系數(shù)R2= 0．990 4，相關(guān)性十分明顯。同時表明，添加二灰的RAP材料回彈模量增長規(guī)律基本和抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律相似，這樣即可用一個較易測量的指標(biāo)推算或代替另一個指標(biāo)，減輕工作量和節(jié)省時間。建議力學(xué)指標(biāo)采用90 d養(yǎng)生齡期的設(shè)計(jì)參數(shù)，此時的劈裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、回彈模量均已達(dá)到180 d的85%以上。

4再生混合料微觀分析

對于銑刨破碎后的廢舊瀝青路面材料，含有大量不同粒徑的外部裹覆瀝青的集料，這些外包瀝青的集料形成骨架結(jié)構(gòu)，添加二灰作為穩(wěn)定劑填充混合料間隙，形成二灰穩(wěn)定舊瀝青路面復(fù)合材料。利用電子顯微鏡對3#試件進(jìn)行掃描，試件按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7、28 d，對獲取的圖像進(jìn)行處理與分析。電鏡掃描結(jié)果見圖5。

圖5Ⅲ型試件電鏡掃描圖

從二灰冷再生混合料養(yǎng)生7 d的電鏡掃描圖片可以看出，試件表面及內(nèi)部孔洞較多，粉煤灰形成中空玻璃球體，粉煤灰顆粒依靠這些膠凝物有效粘聚在一起。由于齡期較短，生成物分布較分散，膠凝物之間相對獨(dú)立，表面有少量纖維狀晶體，膠結(jié)能力有待提高，早期強(qiáng)度不會很高。28 d電鏡掃描圖可以看出，大量膠凝物質(zhì)覆滿球體表面，纖維狀晶體不斷增加，并把相距較遠(yuǎn)的球體有效的連接起來，膠凝物與晶體相互依存，強(qiáng)化了整體性能并形成穩(wěn)定的膠凝網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)，二灰冷再生混合料結(jié)構(gòu)不斷完善，強(qiáng)度得到提高。

5　結(jié)論

1)對于以二灰為穩(wěn)定劑的RAP材料，采用4組二灰配合比，不同配合比的二灰RAP材料的強(qiáng)度都隨齡期的增加而增大，且早期增加速率較大，后期增速減緩。隨著生石灰和粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合料強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后降低的變化規(guī)律，當(dāng)配合比選用生石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%，混合料強(qiáng)度最大。

2)采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度確定的配合比，對冷再生混合料進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明:二灰冷再生混合料具有良好的劈裂強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度隨齡期的增加而增大，且強(qiáng)度的增長率隨著齡期的增加呈現(xiàn)減緩的趨勢; 3#試件的7 d抗壓強(qiáng)度滿足技術(shù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)的二灰冷再生混合料可應(yīng)用于路面基層。

3)冷再生混合料的抗壓回彈模量都隨著齡期的增加而增大，且早期的增長率較大，后期逐漸變緩。回彈模量與抗壓強(qiáng)度的線性相關(guān)性分析表明，回彈模量和抗壓強(qiáng)度具有相似的增長規(guī)律。建議混合料的設(shè)計(jì)指標(biāo)采用90 d養(yǎng)生齡期的力學(xué)指標(biāo)。

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(責(zé)任編輯:郎偉鋒)

Research on Cold Regeneration Technology of Old Asphalt Pavement Materials with Lime-Fly Ash

YIN Guangkai，DING Can
( School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China)

Abstract:In this paper，the cold regeneration technology of old asphalt pavement materials with two ashes ( lime and fly ash) as stabilizers is studied．The optimal water content of cold recycled mixture and the maximum dry density are determined through compaction tests．Also，the recommended mixture proportion is given based on the tests of the unconfined compressive strength of cold recycled mixture．Furthermore，the splitting strength and compression rebound modulus of selected specimens are examined to analyze the increasing law of the cold recycled mixture strength．The test results show that the two ashes as stabilizers of old asphalt pavement materials have the good strength，which can meet the strength requirements of road semi-rigid base materials．

Key words:old asphalt pavement material; lime; fly ash; cold regeneration; mixture proportion

作者簡介:尹光凱( 1990—)，男，山東鄒城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈缆放c鐵道工程．

收稿日期:2015－05－10

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．02．010

文章編號:1672－0032( 2015) 02－0053－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:U414．75