舊瀝青路面全深式冷再生基層材料力學(xué)性能

吳文飛，何　銳，陳華鑫，武書華

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安710061；2.長安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心， 西安710061)

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舊瀝青路面全深式冷再生基層材料力學(xué)性能

吳文飛1,2，何銳1,2，陳華鑫1,2，武書華1,2

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安710061；2.長安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心， 西安710061)

摘要：為研究應(yīng)用舊瀝青路面材料冷再生基層的混合料力學(xué)性能，回收原瀝青路面面層舊料和基層舊料，制備瀝青路面全深式冷再生基層材料，結(jié)合現(xiàn)場瀝青面層及銑刨深度測試?yán)湓偕牧霞壟?，測試?yán)湓偕鶎硬牧系? d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、90 d劈裂強(qiáng)度和90 d回彈模量，并觀察其SEM微觀形貌圖。結(jié)果表明：水泥用量較少時7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、90 d劈裂強(qiáng)度和90 d回彈模量均隨水泥劑量的增加快速增長，但是增長趨勢逐漸變緩；較少的瀝青舊料對再生基層力學(xué)性能是有利的，但是過多的瀝青舊料則會產(chǎn)生較大的負(fù)面影響；當(dāng)面層舊料的油石比較小時，水泥水化物取向結(jié)晶能刺破瀝青膜層，直接與裹附在瀝青內(nèi)部的集料接觸，形成較強(qiáng)的界面，這樣能有效緩解瀝青對強(qiáng)度的負(fù)面影響。進(jìn)而建議低等級公路的中、輕型交通等級水泥劑量在5%～7%，其他類型公路則在提高水泥劑量的同時需要改善舊料級配；油石比小的舊瀝青路面改造更適合推行全深式冷再生基層技術(shù)。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；配合比設(shè)計；冷再生基層；水泥穩(wěn)定

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)與交通量的快速增加，20世紀(jì)90年代修筑的一萬多公里瀝青路面高速公路已陸續(xù)進(jìn)入大中修期。這部分高速公路的維修將產(chǎn)生700～800萬t廢舊瀝青混合料，并且廢舊瀝青混合料產(chǎn)生量還會大幅增加，如果這部分廢料不能合理利用不僅會占用大面積土地而且對周圍環(huán)境也會產(chǎn)生污染。目前國內(nèi)對于廢舊瀝青混合料的再生利用研究較多，其中以就地?zé)嵩偕⒕偷乩湓偕?、廠拌熱再生、廠拌冷再生、乳化瀝青再生、泡沫瀝青再生和水泥—乳化瀝青再生[1-2]等技術(shù)研究運(yùn)用最為廣泛。楊宇亮等[3]運(yùn)用正交設(shè)計方法對回收瀝青混合料的冷拌再生影響因素(包括再生劑用量、養(yǎng)護(hù)時間和總用水量)進(jìn)行分析，得出各影響因素之間的關(guān)系，給出了舊瀝青混合料冷拌再生設(shè)計方法。徐劍等[4]通過劈裂試驗和車轍試驗對比了泡沫瀝青與乳化瀝青冷再生混合料性能的優(yōu)劣，并通過力學(xué)性能指標(biāo)及動穩(wěn)定度指標(biāo)說明乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料均可以滿足用于瀝青中下面層的要求。耿九光等[5]研究了水泥—乳化瀝青冷再生混合料(CEACRM)中各材料對其初期強(qiáng)度及后期殘留強(qiáng)度的影響，建議RAP(回收舊瀝青混合料)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時選用2%(質(zhì)量比)的水泥用量。陳晉華[6]結(jié)合現(xiàn)場實際情況給出了從路面破碎到拌合再到養(yǎng)生一整套冷再生技術(shù)施工工藝流程及質(zhì)量控制方式。馬保國等[7]研究了不同瀝青混合料與土(A/S)比例及水泥摻量對強(qiáng)度的影響，當(dāng)A/S為5/5時可獲得最佳效果。

舊瀝青混合料再生利用方法繁多[8-10]，但是大多數(shù)研究都具有地域局限性，或是針對某個地區(qū)或是某一條公路展開研究，結(jié)果可參考性不強(qiáng)。本文依托青海地區(qū)雙新公路舊瀝青路面改造工程，結(jié)合原路基、路面材料情況，利用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等力學(xué)指標(biāo)對其力學(xué)性能進(jìn)行評價分析，并考慮建設(shè)成本確定最佳水泥用量。通過SEM觀測，分析再生基層材料的強(qiáng)度形成機(jī)理，并探討了舊瀝青混合料含量對再生基層強(qiáng)度的影響，為后期推廣瀝青路面就地冷再生技術(shù)提供參考。

1原材料

試驗路段將面層、基層同時銑刨再生，以銑刨的舊水泥穩(wěn)定砂礫土基層和瀝青混合料面層材料作為原材料，用水泥做無機(jī)結(jié)合料進(jìn)行路拌冷再生。

①水泥：選用冀東水泥有限公司生產(chǎn)的盾石牌42.5級普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1　水泥技術(shù)性能指標(biāo)

②水泥穩(wěn)定砂礫土基層舊料：從試驗路段有代表性的三個斷面回收破碎后的基層舊料，土質(zhì)主要為砂礫土，通過液塑限聯(lián)合測定試驗測試土的塑性指數(shù)平均值為3.6%，結(jié)果見表2。

表2　基層舊料塑性指數(shù)

根據(jù)基層、面層舊料級配計算不同基層、面層舊料質(zhì)量比的情況下級配情況，結(jié)果見表3和圖1。集料接近級配下限，整體偏粗，但是都在《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)中二級以下公路水泥穩(wěn)定基層級配要求范圍以內(nèi)。

表3　不同基層、面層舊料比例的級配

圖1不同面層、基層比例下舊料級配曲線

Fig.1The gradation curve of different proportion by surface layer and base

2結(jié)果與分析

2.17 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

①選擇最佳水泥用量

在基層、面層舊料質(zhì)量比例為85∶15的條件下選擇5%、7%、9%、11%和13%共5個水泥摻量，分析水泥摻量對強(qiáng)度增長的影響規(guī)律，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料試驗規(guī)程(JTG E51-2009)》無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實試驗丙類方法進(jìn)行擊實試驗，每組預(yù)定5個含水量5.5%、6%、6.5%、7%和7.5%。為提高試驗準(zhǔn)確性基層舊料不采用風(fēng)干狀態(tài)下計算加水量，根據(jù)四分法取料后基層舊料全部采用烘干方式[11-12]，避免因基層舊料風(fēng)干程度不同而對試驗產(chǎn)生影響。在最佳含水量和最大干密度的下成型Φ150 mm×150 mm的圓柱形試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d，其中最后1 d浸水養(yǎng)護(hù)，測試7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)見表4，規(guī)范要求見表5。

表4　不同水泥及劑量7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表5　水泥穩(wěn)定材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Rd

由表4可以看出隨著水泥劑量的增加，基層7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加，但是強(qiáng)度增加幅度有限，平均每增加2%抗壓強(qiáng)度增加0.5～0.6 MPa。結(jié)合表5可以看出，對于二級及二級以下公路中、輕交通等級，5%水泥劑量下7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以得到保證，而對于高速公路和一級公路中、輕交通等級，水泥劑量建議7%。雖然增加水泥劑量可以有效提高基層抗壓強(qiáng)度，但過多的水泥用量容易對基層后期產(chǎn)生干縮開裂，基層的開裂直接會反射到路面產(chǎn)生反射裂縫，并且過多的水泥劑量會極大提高公路的造價，因此選擇合適的水泥用量不僅能保證工程質(zhì)量，同時也可以有效地控制成本。而對于重、特重甚至極重交通為達(dá)到強(qiáng)度要求適當(dāng)提高水泥劑量，但是一般不大于13%，如果超過13%時強(qiáng)度仍不能滿足要求則需優(yōu)化級配設(shè)計，在舊混合料里添加級配優(yōu)良的新料，或采用其他類型穩(wěn)定方式如添加石灰、粉煤灰、煤渣等。

②面層、基層比例對強(qiáng)度的影響

根據(jù)再生工藝中銑刨厚度浮動范圍，不同類型瀝青路面面層厚度，以及面層、基層密度不同往往會產(chǎn)生不同的面層、基層舊料比例混合形式，從而對再生基層強(qiáng)度帶來較大影響。本研究選擇面層與基層舊料重量比分別為15∶85、30∶70和45∶55共3種情況，水泥劑量采用5%進(jìn)行試驗，結(jié)果見表6。

表6　不同面層、基層舊料重量比例下的強(qiáng)度

由表6可以看出舊瀝青混合料比例對冷再生基層強(qiáng)度影響較小，當(dāng)舊瀝青混合料含量較少時強(qiáng)度隨著比例的增大而增大，當(dāng)比例增大到一定時強(qiáng)度反而會隨之降低。這是由于砂礫土基層舊料常年在車載的重復(fù)作用下發(fā)生破碎[13]，砂石之間相互擠壓，表面被磨光，棱角性變差，集料細(xì)粒土含量偏高，這些舊料再利用后骨料機(jī)械嵌鎖強(qiáng)度變低，而經(jīng)過分散的面層舊瀝青混合料中的碎石粒徑較為集中，提高了中間檔集料的比例，使得混合料級配效果變好，加強(qiáng)了集料間的骨架作用。當(dāng)舊瀝青混合料比例較小時，舊瀝青混合料能離散均勻分布在試件內(nèi)部，改善混合料整體級配，因此隨著舊瀝青混合料含量的增多其強(qiáng)度會在一定程度上提高。但是當(dāng)舊瀝青混合料比例增加到一定程度之后，面料之間不能完全被分散開來，從而相互擠壓形成團(tuán)塊如圖3所示，并且團(tuán)塊較密實，水泥顆粒及水不容易進(jìn)入其內(nèi)部，團(tuán)塊內(nèi)部強(qiáng)度仍然由原瀝青的粘結(jié)力及面層粗骨料的機(jī)械作用提供，因此隨著舊瀝青混合料的比例繼續(xù)增多，復(fù)合體強(qiáng)度則變低。

圖2　水泥穩(wěn)定舊瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組成形式

2.2劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量試驗

①水泥摻量對抗拉強(qiáng)度及抗壓回彈模量的影響

在面層和基層舊料比例為15∶85的條件下選擇5個水泥摻量5%、7%、9%、11%和13%，在最佳含水率和最大干密度下按規(guī)程《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0843—2009試驗方法成型Φ150 mm×150 mm圓柱形試件，按規(guī)程T0845—2009方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，養(yǎng)護(hù)齡期為90 d，其中最后1 d浸水養(yǎng)護(hù)，劈裂強(qiáng)度試驗按T0806—1994方法進(jìn)行，抗壓回彈模量試驗按T0857—2009方法進(jìn)行，結(jié)果見表7。

由表7可以看出劈裂強(qiáng)度Ri、抗壓回彈模量Ec跟抗壓強(qiáng)度Rc變化規(guī)律基本一致，隨著水泥摻量的增加而提高，但是提高的幅度不大，水泥用量每增加2%劈裂強(qiáng)度Ri大約提高0.1 MPa，并且提高趨勢逐漸變緩，Ec提高100 MPa左右，提高趨勢也是逐漸變緩，因此為提高再生基層的強(qiáng)度單純的增加水泥用量并不能獲得很好的效果。

表7　不同水泥摻量的90 d劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量

②不同舊瀝青混合料比例對劈裂強(qiáng)度的影響

劈裂試驗是用于測定無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件的間接抗拉強(qiáng)度，本試驗按規(guī)程T0806—1994劈裂試驗方法進(jìn)行，試件為Φ150 mm×150 mm圓柱形試件，試驗結(jié)果由表8所示。

表8　不同面層、基層比例下90 d劈裂強(qiáng)度

由表8所示，舊瀝青混合料比例的變化對試件劈裂強(qiáng)度也有影響，變化規(guī)律跟Rc一致。當(dāng)舊瀝青混合料比例較小時隨著其比例的增加Ri逐漸提高，舊瀝青混合料比例達(dá)到30%左右時，Ri達(dá)到峰值，之后隨舊瀝青混合料比例增加而降低。當(dāng)舊瀝青混合料含量較少時被瀝青油膜包裹著的舊瀝青面層集料均勻分散在基層舊料和水泥水化物混合體內(nèi)，而且舊瀝青混合料團(tuán)塊體積小，瀝青膜層內(nèi)部密實，舊瀝青基本都分布在團(tuán)塊表面，這些舊瀝青與水泥、土等顆粒接觸形成過渡層，過渡層的厚度及強(qiáng)度將直接影響混合料的整體強(qiáng)度。一方面過渡層強(qiáng)度往往低于水泥水化物強(qiáng)度，使得試件整體強(qiáng)度降低ΔRi1，另一方面舊瀝青混合料原集料尺寸較集中，不含土，因此舊瀝青混合料含量的提高能改善混合料的級配，減少混合料中粉土顆粒的比例，使試件整體強(qiáng)度增加ΔRi2，前期ΔRi2>ΔRi1，整體表現(xiàn)Ri提高，當(dāng)舊瀝青混合料比例越來越大時，過渡層面積越來越大，此時ΔRi2<ΔRi1，整體表現(xiàn)為Ri降低。并且隨著舊瀝青混合料比例的增大，舊瀝青混合料開始結(jié)團(tuán)，團(tuán)塊體積也逐漸變大，團(tuán)塊較密實，水泥顆粒及水不容易進(jìn)入其內(nèi)部，團(tuán)塊內(nèi)部強(qiáng)度仍然由原老化了的舊瀝青的粘結(jié)力及面層粗骨料的機(jī)械作用提供，因此隨著面層舊料的比例繼續(xù)增多，整體強(qiáng)度變低。

2.3SEM微觀分析

(a) ×300

(b) ×2 000

(c) ×5 000

(d) ×10 000

圖3水泥石與瀝青界面微觀形貌

Fig.3Cement and asphalt interface morphology

為分析冷再生基層材料的強(qiáng)度形成機(jī)理，本研究采用SEM微觀測試技術(shù)對水泥石與瀝青界面的微觀形貌進(jìn)行了分析，圖4分別為×300、×2 000、×5 000和×10 000條件下瀝青與水泥石之間的界面形貌圖。從圖3(a)可以看出，舊瀝青混合料骨料外面被瀝青裹附，使得水泥顆粒不能與面層骨料直接接觸，在受外力擠壓時水泥顆粒受壓嵌入瀝青膜層內(nèi)部，這部分水泥顆粒被瀝青包裹，周圍只有一個面能與水充分接觸發(fā)生水化，與水接觸的這個面水化較為充分，形成的水泥水化產(chǎn)物能與集料形成較強(qiáng)的界面，而被瀝青裹附的水泥顆粒面上由于不能充分水化，水泥水化產(chǎn)物有限，與瀝青的界面強(qiáng)度仍然依靠老化瀝青微弱的粘結(jié)力來提供，因此這部分界面強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥水化面的強(qiáng)度，在受到外力作用時，被瀝青裹附的界面最先產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而開裂，這樣就形成了在圖3(a)中所看到的瀝青膜層斷裂面上凹凸不平的坑槽。

舊瀝青混合料中集料與水泥石之間被瀝青隔開，水泥可以依附在瀝青膜表面水化，由圖3(b)和圖3(c)可以看出依附界面如“觸角”一樣陷入瀝青表面，水化物晶體像針狀向瀝青內(nèi)部生長，當(dāng)材料受壓時集料與集料之間產(chǎn)生滑移，瀝青內(nèi)部生長晶體的發(fā)生斷裂產(chǎn)生裂紋，水泥水化物中針柱狀晶體的數(shù)量和大小取決于水泥水化程度，對于整體強(qiáng)度有較大影響。

當(dāng)被瀝青裹附了的集料與水泥石過渡層較厚時，水分向集料表面遷移受阻，會減少Ca(OH)2晶體的取向生長[14]，使得水泥石與瀝青界面強(qiáng)度遠(yuǎn)小于普通水泥穩(wěn)定碎石。但是，當(dāng)舊瀝青混合料油石比較小時，集料外層被裹附瀝青膜層厚度較薄，Ca(OH)2、水化硅酸鈣(C-S-H)及鈣礬石等(如圖3(d)中的柱狀晶體)晶體取向生長并穿破瀝青膜層與面層舊集料直接接觸產(chǎn)生晶體嵌入連接強(qiáng)度，這在一定程度上緩解了瀝青面層舊料中瀝青對水泥穩(wěn)定材料強(qiáng)度的負(fù)面影響，因此對于瀝青用量較高的路面面層舊料不適合用于等級較高的公路的全深式基層冷再生。

3結(jié)語

①全深式冷再生基層的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、90 d劈裂強(qiáng)度和90 d回彈模量均會隨著水泥用量的提高而增加，但是提高幅度會隨著水泥劑量增加而變緩，所以對于基層強(qiáng)度要求高的公路單純提高水泥劑量來提高其強(qiáng)度不可取，當(dāng)水泥劑量超過9%時建議加入新料改善舊集料級配。

②根據(jù)試驗結(jié)果及青海地區(qū)舊料特性，對于二級及二級以下公路中輕型交通基層再生，水泥最佳劑量為5%，中型交通最佳水泥劑量為7%，而對于其他等級公路和交通類型在推行冷再生技術(shù)時必須加入新料以改善集料級配，提高強(qiáng)度。

③不同的舊瀝青混合料和基層舊料用量比例亦會對再生基層性能產(chǎn)生影響，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、90 d劈裂強(qiáng)度和90 d回彈模量均會隨著瀝青面層舊料用量的增加先增大后減小，這跟瀝青舊料在試件中存在形式有關(guān)。

④通過SEM分析可知，面層舊瀝青混合料中瀝青含量直接影響再生基層強(qiáng)度，在其他條件相同的情況下油石比較小時裹附在集料表面的油膜厚度小，瀝青與水泥水化物形成的過渡層較薄弱，水泥水化物取向結(jié)晶，柱狀鈣礬石和針狀Ca(OH)2晶體能刺破油膜層生長與集料表面直接接觸，這樣能改善再生基層強(qiáng)度，當(dāng)原路面油石比較大時形成的過渡層較厚，不容易被刺破，強(qiáng)度難以形成。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

Mechanical properties of full-depth cold regenerated base mixture from old asphalt pavement

WU Wen-fei1,2，HE Rui1,2，CHEN Hua-xin1,2，WU Shu-hua1,2

(1.School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China; 2.Engineering

Research Center of Transportation Materials of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

Abstract：In order to analyze the mechanical properties of cold regenerated base mixture from old asphalt pavement, the old material of original asphalt pavement and base was recycled to prepare the full depth base mixture. Combined with on-site asphalt surface layer and milling depth, the gradation of cold regenerated base mixture was analyzed. The 7 d unconfined compressive strength, 90 d splitting strength and 90 d modulus of resilience of the mixture were tested, and the SEM morphology of the mixture was observed. The results show that, when less amount of cement content was used, the 7 d unconfined compressive strength, 90 d splitting strength and 90 d resilient modulus of the mixture increase rapidly with the growth of the cement dosage, while the growth is becoming slowly; that it would benefit the mechanical properties of reclaimed base if a small quantity of RAPs were used, but excessive RAPs would cause negative effect; that, when the asphalt proportion in the surface RAP is small, the orientation crystallization of cement hydrates can prick the asphalt film and contact directly with aggregate coated with the asphalt film, which forms strong interface, and the negative effect of asphalt on strength was mitigated. The amount of 5%～7% cement by weight of the mixture is recommended for use in low grade and light traffic highways, and higher percentage of cement is recommended for other highways while the gradation of reclaimed aggregate should be improved. Asphalt pavement with lower oil stone ratio is more suitable to use the cold regenerated base.

Key words：asphalt pavement；mix design；cold regenerative base；cement stabilized

中圖分類號：U 418

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0253-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0253

通訊作者：何銳(1984—)，男，湖北襄陽人，長安大學(xué)副教授，博士;E-mail: heruia@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51508030);青海省重大科技專項計劃項目(2014-GX-A2A)和青海省交通科技項目(2013-02)

收稿日期：2015-11-10；

修訂日期：2015-12-21

引文格式：吳文飛，何銳，陳華鑫，等.舊瀝青路面全深式冷再生基層材料力學(xué)性能[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：253-260.