基于抗裂性和早期強(qiáng)度的冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

張國(guó)武， 王選倉(cāng)*， 郝 林， 吳建靈， 陳 兵

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2.興泰建設(shè)集團(tuán)有限公司， 鄂爾多斯 017000)

近年來(lái)，越來(lái)越多的道路達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，需要對(duì)這些路面進(jìn)行大中修或改擴(kuò)建，導(dǎo)致每年產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料和基層粒料超過(guò)400萬(wàn)t[1]。為解決建筑材料缺乏和環(huán)境污染的問(wèn)題，大量的舊料進(jìn)行了再生利用[2]，但存在舊料級(jí)配較差且不穩(wěn)定的問(wèn)題[3]，影響到再生混合料的路用性能。目前，冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)存在不足，導(dǎo)致冷再生混合料路用性能較低，需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

中外學(xué)者通過(guò)研究冷再生混合料配合比來(lái)提高混合料路用性能。回收瀝青路面材料(RAP)對(duì)冷再生混合料的性能具有較大影響。Godenzoni等[4]研究了RAP級(jí)配與疲勞性能的關(guān)系，得到兩者呈正相關(guān)關(guān)系；陳安民等[5]通過(guò)依托工程研究了RAP分檔方法，得到RAP分檔篩孔；王爭(zhēng)愿等[6]從RAP摻量的角度進(jìn)行路用性能研究，得到合適的RAP摻量；何東坡等[7]利用貝雷法相關(guān)理論進(jìn)行研究，通過(guò)貝雷法設(shè)計(jì)密度來(lái)優(yōu)化混合料的級(jí)配。水泥摻量也會(huì)影響到混合料的性能，從水泥摻量和力學(xué)性能間的相互關(guān)系，研究得到建議水泥摻量為1.5%[8-9]。武文斌等[10]研究了混合料組成材料對(duì)各種路用性能的影響，并根據(jù)影響大小進(jìn)行了排序。配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，試件的成型方式對(duì)混合料性能有一定的影響，索智等[11]從試件成型方式出發(fā)，對(duì)冷再生混合料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，得到路用性能有一定的提升。彭波等[12]在冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮了早期抗壓強(qiáng)度的影響，并提出評(píng)價(jià)早期強(qiáng)度的指標(biāo)。不同氣候條件下，冷再生混合料的路用性能也有所差異，趙曉峰等[13]對(duì)炎熱地區(qū)冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了適合該氣候環(huán)境的銑刨料和瀝青用量。

上述研究對(duì)冷再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)舊料的利用具有重要意義。目前，考慮施工過(guò)程中的二次熱壓實(shí)過(guò)程和使用過(guò)程中基層裂縫的研究相對(duì)較少，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，容易造成冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)早期破壞，影響道路的正常使用。因此依托實(shí)際工程項(xiàng)目，以基層抗裂性和早期強(qiáng)度為基礎(chǔ)進(jìn)行配合比優(yōu)化研究，以期提升冷再生混合材料路用性能。

1 傳統(tǒng)冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 確定合成級(jí)配

根據(jù)依托工程將RAP回收料分為0～5 mm，5～10 mm和10～30 mm三檔。根據(jù)公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[14]，同時(shí)為保證路用性能，增加了10～20 mm新集料，初步確定RAP摻量為80%，擬定三檔回收料的占比分別為35%、16%、32%，另外加入14%的10～20 mm新集料和3%的礦粉，級(jí)配設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 冷再生混合料級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curve of cold recycled mixture

1.2 確定最佳含水量

最佳含水量的確定方法有多種，本文研究采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法測(cè)定劈裂強(qiáng)度的方法確定最佳含水量。固定乳化瀝青用量為4%和水泥外摻1.5%。改變外加水量，分別加入2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%的水成型試件，試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如圖2所示。

圖2 含水量與劈裂強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between water content and splitting strength

由圖2可知，加水量與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線呈拋物線型。當(dāng)外加水量為3.5%時(shí)，試件劈裂強(qiáng)度達(dá)到峰值，得到最佳含水量為3.5%。

1.3 確定最佳瀝青用量

固定最佳用水量為3.5%，改變?nèi)榛癁r青用量，分別加入2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%的乳化瀝青，對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的干濕劈裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of dry wet splitting strength

對(duì)測(cè)得干濕劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從擬合曲線可得，乳化瀝青用量在4.0%時(shí)，劈裂強(qiáng)度和其比值達(dá)到最大值，此時(shí)乳化瀝青和集料具有較好的相互作用，得到最佳瀝青用量為4.0%。

通過(guò)以上試驗(yàn)，確定優(yōu)化前乳化瀝青冷再生配合比如表1所示。

表1 冷再生混合料配合比Table 1 Mix proportion of cold recycling mixture

2 級(jí)配設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

2.1 抽提RAP集料

本文研究是在課題組研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，陳兵等[15]對(duì)該依托工程的三檔集料進(jìn)行了抽提，并利用貝雷法進(jìn)行了礦料級(jí)配優(yōu)化。

將三檔集料在三氯乙烯中浸泡，并進(jìn)行抽提后進(jìn)行篩分，篩分后級(jí)配對(duì)比如圖4所示。

圖4 RAP抽提結(jié)果Fig.4 Results of RAP extraction

從圖4可得，抽提后的通過(guò)率曲線在抽提前的通過(guò)率曲線上方，三檔回收料抽提后明顯變細(xì)，4.75 mm篩孔的通過(guò)率變化最大，所以要考慮回收料級(jí)配變化對(duì)冷再生混合料級(jí)配的影響。

2.2 貝雷法級(jí)配設(shè)計(jì)優(yōu)化

貝雷法設(shè)計(jì)中，參數(shù)CA表征集料粒徑的均衡關(guān)系，F(xiàn)af表征合成集料中最細(xì)一級(jí)的嵌擠情況，F(xiàn)ac表征細(xì)集料中粗料部分與細(xì)料部分的嵌擠和填充情況。根據(jù)貝雷法設(shè)計(jì)原理，確定關(guān)鍵篩孔為4.75 mm，三檔集料抽提后，對(duì)礦料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算得到CA=0.69，F(xiàn)af=0.45，F(xiàn)ac=0.36，三個(gè)參數(shù)均滿足推薦范圍。級(jí)配優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 貝雷法設(shè)計(jì)級(jí)配曲線Fig.5 Design grading curve by Bailey method

3 含水量和乳化瀝青用量?jī)?yōu)化研究

3.1 冷再生混合料基層抗裂性標(biāo)準(zhǔn)研究

相關(guān)研究結(jié)果表明，利用overlay tester (OT)試驗(yàn)進(jìn)行瀝青路面開裂評(píng)價(jià)中，與反射裂縫評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性較高[16-18]。因此為了更好地研究乳化瀝青冷再生混合料抵抗反射裂縫的能力，利用OT試驗(yàn)確定基層抗裂性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 冷再生混合料基層抗裂性影響因素

影響冷再生混合料抗裂性的因素主要有水泥、乳化瀝青和RAP的用量，因此，用試驗(yàn)測(cè)定不同影響因素下的荷載損失百分率來(lái)分析研究基層抗裂性。試驗(yàn)方案如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)方案制作旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，切割得到OT試件，試件切割結(jié)束后，利用環(huán)氧樹脂將試件與底板黏結(jié)。進(jìn)行抗裂性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

表2 抗裂性試驗(yàn)方案Table 2 Crack resistance test scheme

圖6 水泥用量與荷載損失率關(guān)系Fig.6 Relationship between cement dosage and load loss rate

圖7 乳化瀝青用量與荷載損失率關(guān)系Fig.7 Relationship between emulsified asphalt content and load loss rate

圖8 RAP摻量與荷載損失率關(guān)系Fig.8 Relationship between RAP content and load loss rate

(1)由圖6可得，水泥用量對(duì)冷再生混合料的抗裂性有一定影響，荷載損失與水泥用量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。主要原因是水泥用量越多混合料結(jié)構(gòu)越向剛性轉(zhuǎn)變，使得抗裂性越差。

(2)由圖7可得，乳化瀝青用量對(duì)冷再生混合料的抗裂性有一定影響，荷載損失與乳化瀝青用量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。主要原因是隨著乳化瀝青用量的增加，混合料內(nèi)部的瀝青膠漿中的瀝青含量逐步增多，瀝青的黏彈性越好，因此在周期性荷載作用下，當(dāng)瀝青含量增多時(shí)，混合料的抗裂性越優(yōu)。

(3)由圖8可得，RAP摻量對(duì)冷再生混合料的抗裂性有一定影響，荷載損失與RAP摻量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。主要原因是不同RAP摻量條件下冷再生存在著不同的最佳乳化瀝青用量，而此時(shí)乳化瀝青用量的不同，則會(huì)導(dǎo)致瀝青膠漿含量的差異，因此使得混合料的抗裂性發(fā)生變化。

3.1.2 基層抗裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)上述不同因素條件下冷再生混合料的荷載損失率的變化規(guī)律及數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，荷載損失率的正態(tài)Q-Q(Q代表分位數(shù))圖如圖9所示，得到均值95%置信區(qū)間上限及下限分別為80.06%及85.35%，基于保守原則保留一定富余，確定基于OT試驗(yàn)的乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性標(biāo)準(zhǔn)為荷載損失率的85%。

圖9 荷載損失率正態(tài)Q-Q圖Fig.9 Normal Q-Q diagram of load loss rate

3.2 冷再生混合料基層早期強(qiáng)度試驗(yàn)條件

考慮到面層施工會(huì)影響到冷再生基層的溫度，在配合比優(yōu)化研究中將面層施工過(guò)程中的二次熱壓實(shí)進(jìn)行試驗(yàn)研究。在施工過(guò)程中將冷再生基層的溫度進(jìn)行了測(cè)量，將溫度傳感器放置在基層不同深度處，分別為距離冷再生基層頂面2、4、6 cm處。從鋪筑熱混合料開始，以10 min為間隔測(cè)量冷再生層不同深度的工作溫度，記錄總時(shí)間為120 min，其中前60 min為鋪筑熱混合料時(shí)間，并對(duì)鋪筑完成后的60 min進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中冷再生混合料不同深度處的溫度變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖10 冷再生混合料不同深度溫度Fig.10 Different depth temperature of cold recycled mixture

由圖10可得，隨著時(shí)間的變化，冷再生瀝青路面不同深度處溫度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。2 cm深度處的再生混合料溫度在53 min時(shí)達(dá)到最大約96 ℃，4 cm深度處的再生混合料在75 min時(shí)達(dá)到最大值約66 ℃，6 cm深度處的再生混合料在90 min時(shí)達(dá)到最大值約56 ℃。

當(dāng)熱拌混合料攤鋪結(jié)束時(shí)，2 cm深度處的再生混合料的溫度較最高溫度有所降低，而4 cm及6 cm深度處冷再生混合料的溫度仍在緩慢上升，此時(shí)溫度正在路面結(jié)構(gòu)中緩慢傳遞，因此以60 min作為路面溫度的最不利時(shí)間，此時(shí)三種深度方向處的溫度平均值為69 ℃。為方便起見，可將溫度簡(jiǎn)化為常用的60 ℃，因此確定早期強(qiáng)度的試驗(yàn)溫度為60 ℃，在60 ℃條件下，冷再生混合料剩余含水率達(dá)到2%的時(shí)間約為4 h。

基于以上分析，得到考慮二次熱壓實(shí)的冷再生混合料早期強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)為：試驗(yàn)溫度為60 ℃，養(yǎng)生時(shí)間為4 h的冷再生混合料試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.3 確定最佳含水量和最佳乳化瀝青用量

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中未考慮混合料應(yīng)用層位及早期強(qiáng)度的影響，本文研究對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化。在確定基層抗裂性指標(biāo)及早期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的前提下，確定最佳含水量和最佳乳化瀝青用量。固定外加水量為3.0%，乳化瀝青用量分別取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%。固定乳化瀝青用量為4.0%，外加水量分別取2.0%、2.5%、2.8%、3.0%、3.5%。然后分別測(cè)定不同乳化瀝青用量及不同外加水量條件下混合料的抗裂性及早期強(qiáng)度，確定同時(shí)考慮上述兩種性能的最佳乳化瀝青用量及最佳含水量，以提高混合料的抗裂性及早期強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 抗裂性與早期強(qiáng)度隨乳化瀝青用量變化趨勢(shì)Fig.11 Variation trend of crack resistance and early strength with emulsified asphalt content

圖12 抗裂性與早期強(qiáng)度隨加水量變化趨勢(shì)Fig.12 Variation trend of crack resistance and early strength with water addition

由圖11可得，乳化瀝青用量約為3.8%時(shí)，抗裂性指標(biāo)與早期強(qiáng)度指標(biāo)相交于一點(diǎn)。由圖12可知，當(dāng)外加水量約為2.8%時(shí)，抗裂性指標(biāo)與早期強(qiáng)度指標(biāo)相交于一點(diǎn)。此時(shí)的抗裂性指標(biāo)分別為81.8%、83.6%，均小于確定的抗裂性標(biāo)準(zhǔn)85%。故采用配合比平衡設(shè)計(jì)思想，考慮基層抗裂性和早期強(qiáng)度的兩個(gè)因素的條件下，確定得到的最佳乳化瀝青用量和最佳含水量分別約為3.8%及2.8%。與傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)方法相比，優(yōu)化方法得到的最佳乳化瀝青用量和最佳含水量較小。

3.4 優(yōu)化配合比驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的配合比的效果，成型外加水量為3.0%，乳化瀝青用量分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的試件，測(cè)定其干濕劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，密度與劈裂強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖14所示。

圖13 干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Test results of dry wet splitting strength

圖14 密度與劈裂強(qiáng)度關(guān)系Fig.14 Relationship between density and splitting strength

通過(guò)圖13和圖14可得：

(1)劈裂強(qiáng)度隨著乳化瀝青用量的增加出現(xiàn)峰值，對(duì)應(yīng)的乳化瀝青用量約為4.0%。說(shuō)明優(yōu)化后的乳化瀝青用量可以較好地作用在集料表面。取最佳乳化瀝青用量為3.8%。

(2)優(yōu)化得到的干劈裂強(qiáng)度為1.04 MPa，而優(yōu)化前為0.87 MPa，最大干濕劈裂強(qiáng)度相比優(yōu)化前提高了20%，濕劈裂強(qiáng)度也提高了21%，表明優(yōu)化后混合料的整體力學(xué)指標(biāo)得到了大幅提高。

(3)試樣密度的增加也會(huì)使得試樣強(qiáng)度的增加，因此在冷再生施工中應(yīng)加強(qiáng)壓實(shí)過(guò)程的控制，以此來(lái)提高路用性能。

4 優(yōu)化配合比混合料性能驗(yàn)證

確定乳化瀝青冷再生配合比如表3所示。為了驗(yàn)證優(yōu)化得到的瀝青混合料配合比效果和可靠性，分別從力學(xué)性能、高溫性能和低溫性能進(jìn)行了驗(yàn)證，分析比較兩種配合比設(shè)計(jì)方法冷再生混合料的性能。

表3 優(yōu)化后冷再生混合料配合比Table 3 Optimization of mix proportion of cold recycled mixture

4.1 試驗(yàn)方案

劈裂強(qiáng)度能夠用來(lái)評(píng)價(jià)優(yōu)化后瀝青混合料的力學(xué)性能，在15 ℃條件下對(duì)成型試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，每組3個(gè)試件，加載速率為50 mm/min。

凍融劈裂強(qiáng)度比能夠用來(lái)評(píng)價(jià)優(yōu)化后瀝青混合料的水穩(wěn)性能，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)兩種配合比分別進(jìn)行凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，每種配合比成型試件在兩種環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，每種環(huán)境4個(gè)試件。

動(dòng)穩(wěn)定度能夠用來(lái)評(píng)價(jià)優(yōu)化后瀝青混合料的高溫性能，在60 ℃條件下養(yǎng)生得到的兩種配合比成型試件進(jìn)行試驗(yàn)，每種配合比對(duì)應(yīng)3個(gè)試件。

4.2 驗(yàn)證指標(biāo)與要求

規(guī)范規(guī)定的驗(yàn)證指標(biāo)與要求如表4所示。

表4 冷再生混合料性能驗(yàn)證與要求Table 4 Performance verification and requirements of cold recycled mixture

4.3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，對(duì)優(yōu)化前后冷再生混合料的性能進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證優(yōu)化配合比的效果和可靠性。

圖15 不同設(shè)計(jì)方法冷再生混合料性能對(duì)比Fig.15 Performance comparison of cold recycled mixture with different design methods

(1)在力學(xué)強(qiáng)度方面，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)的冷再生混合料提升了79%。因此優(yōu)化后混合料的力學(xué)強(qiáng)度得到了大幅度的提升，但優(yōu)化前級(jí)配的劈裂強(qiáng)度較低，不能滿足重交通荷載等級(jí)的面層要求。

(2)在水穩(wěn)定性方面，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)的冷再生混合料提升了8%。因此優(yōu)化后混合料的水穩(wěn)定性能得到了一定程度的提升，兩種級(jí)配方案的凍融劈裂強(qiáng)度均滿足所有交通荷載等級(jí)的面層。

(3)在高溫穩(wěn)定性方面，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)的冷再生混合料提升了61%。因此優(yōu)化后混合料的高溫穩(wěn)定性能也得到了一定程度的提升，兩種級(jí)配方案的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足所有交通荷載等級(jí)的中下面層。

(4)在1.3節(jié)和3.4節(jié)試驗(yàn)得到兩種配合比的干濕劈裂強(qiáng)度比，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)的冷再生混合料略有提升，且均能滿足重交通荷載等級(jí)的面層要求。

通過(guò)以上試驗(yàn)驗(yàn)證和分析，優(yōu)化后的配合比在性能上有一定程度的提升，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可為乳化瀝青冷再生混合料性能提升提供參考。

5 結(jié)論

在傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，考慮到冷再生基層抗裂性和施工過(guò)程中的二次熱壓實(shí)的影響，對(duì)配合比進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)銑刨料抽提前后變異性的特點(diǎn)，經(jīng)三氯乙烯浸泡抽提后4.75 mm篩孔通過(guò)率變化最大。

(2)利用OT試驗(yàn)對(duì)冷再生基層的抗裂性進(jìn)行研究，得到乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性標(biāo)準(zhǔn)為荷載損失率的85%。

(3)利用溫度傳感器測(cè)得熱拌瀝青混合料鋪筑過(guò)程中不同深度處冷再生混合料的工作溫度，得到基于二次熱壓實(shí)的冷再生混合料早期強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)條件為60 ℃條件下養(yǎng)生4 h混合料試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

(4)根據(jù)平衡設(shè)計(jì)思想，變換乳化瀝青用量及外加水量，分別測(cè)定不同乳化瀝青用量及不同外加水量條件下混合料的抗裂性及早期強(qiáng)度，確定同時(shí)考慮上述兩種性能的最佳乳化瀝青用量及最佳含水量分別為3.8%及2.8%，均小于傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)法確定的最佳乳化瀝青用量及最佳含水量。

(5)優(yōu)化得到的冷再生混合料在路用性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可為乳化瀝青冷再生混合料性能提升研究提供參考。