養(yǎng)生條件對冷再生混合料性能的影響研究★

蘆 欣，孫 斌

(1.新疆交投建設(shè)管理有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830094； 2.北京盛廣拓再生科技股份有限公司，北京 100025)

1 概述

乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)，也稱乳化瀝青廠拌常溫再生技術(shù)，因其大用量和優(yōu)秀的環(huán)保特性，越來越受到廣泛的重視[1-2]。自2006年江西昌九高速大規(guī)模成功應(yīng)用至瀝青上基層以來，近年來越來越多在公路改擴(kuò)建、翻修重建中的上基層和下面層得到廣泛應(yīng)用，已逐步成為我國路面大修和改擴(kuò)建的主要再生技術(shù)。與熱拌、溫拌瀝青混合料不同，乳化瀝青廠拌冷再生混合料中含有水分，尤其是隨著養(yǎng)生時間的延長和養(yǎng)生溫度的提升，混合料中含水率的變化直接關(guān)系到混合料的綜合性能。

國外研究者Bhasin和Masad等人基于微觀檢測技術(shù)利用表面能和物理化學(xué)知識分析了殘留水分對混合料抗壓、斷裂能力的損傷效果，發(fā)現(xiàn)了水分的存在會導(dǎo)致瀝青與骨料的黏合能力以及瀝青內(nèi)聚力的降低[3-5]。北京建筑大學(xué)針對殘留水對乳化瀝青混合料性能影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)混合料動態(tài)、靜態(tài)模量及高、低溫和水穩(wěn)性能均與含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)相關(guān)[6]。同時考慮到冷再生混合料二次熱壓實(shí)成型機(jī)理[7-9]，實(shí)際施工過程控制時，冷再生結(jié)構(gòu)層碾壓、養(yǎng)生結(jié)束后，檢測的相關(guān)性能指標(biāo)均為一次壓實(shí)后的指標(biāo)，而項(xiàng)目完工時，均是在鋪筑了熱拌瀝青混合料之后，檢測的指標(biāo)均為二次壓實(shí)后的指標(biāo)，因此有必要區(qū)分一次壓實(shí)與二次壓實(shí)后的技術(shù)指標(biāo)。

綜上，研究養(yǎng)生條件對混合料含水率的影響，區(qū)分一次壓實(shí)和二次壓實(shí)的效果，分析含水率的變化對乳化瀝青廠拌冷再生混合料的強(qiáng)度影響，推薦合適的養(yǎng)生條件，對于提升冷再生混合料施工效率，保證混合料的性能是非常有意義的。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

回收瀝青路面材料(RAP)來自某高速公路大修項(xiàng)目的銑刨料，分成0 mm～4.75 mm(Ⅰ檔)、4.75 mm～9.5 mm(Ⅱ檔)和9.5 mm～26.5 mm(Ⅲ檔)分三檔規(guī)格進(jìn)行級配分析，具體見表1，抽提后實(shí)際礦料級配與RAP料級配比較明顯變細(xì)，三檔集料抽提后通過率顯著大于抽提前通過率。

天然集料選擇石灰?guī)r碎石，主要檢測指標(biāo)見表2。經(jīng)測試，RAP及天然集料的檢測結(jié)果均能滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》[10]的要求。乳化瀝青是在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)小型膠體磨加工而自制獲取，主要技術(shù)指標(biāo)見表3，水泥材料選擇42.5級普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

表1 三檔RAP料級配情況

表2 天然集料級配情況

表3 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果與技術(shù)要求

表4 水泥主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果與技術(shù)要求

2.2 乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計

依據(jù)RAP三檔規(guī)格的篩分試驗(yàn)結(jié)果和礦料級配設(shè)計要求，通過添加部分新集料進(jìn)行再生料級配設(shè)計。選擇標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法，試件采用雙面擊實(shí)成型。再生料各檔材料組成最終比例為：RAP-Ⅰ∶RAP-Ⅱ∶RAP-Ⅲ∶天然碎石∶礦粉=40∶13.5∶37∶8∶1.5，研究選擇最大干密度時的含水率3.8%為最佳含水率，水泥為外摻1.5%，最佳乳化瀝青用量為3.5%。

2.3 試驗(yàn)方案與方法

為量化含水率的變化對乳化瀝青廠拌冷再生混合料性能的影響，研究在60 ℃養(yǎng)生條件下，分別設(shè)定0 h，8 h，16 h，24 h，32 h，40 h，48 h，60 h，72 h，96 h，120 h的養(yǎng)生時間，并分別測試在不同養(yǎng)生時間下試件的空隙率、劈裂強(qiáng)度、含水率。綜合考慮冷再生混合料存在二次壓密成型機(jī)理，本次試驗(yàn)方案設(shè)計充分考慮了一次擊實(shí)和二次擊實(shí)的效果，實(shí)驗(yàn)過程以8 h養(yǎng)生時間為例，一次擊實(shí)成型10個試件，在60 ℃烘箱養(yǎng)生后，其中4個試件測試劈裂強(qiáng)度與空隙率、2個試件測試含水率，另外4個試件再進(jìn)行二次擊實(shí)，最后測試再生混合料空隙率、劈裂強(qiáng)度。具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計過程如圖1所示。為研究養(yǎng)生溫度對再生混合料性能的影響，研究分別成型三組試件，各組試件經(jīng)過第一次擊實(shí)后，分別在60 ℃，70 ℃，80 ℃條件下養(yǎng)生48 h，然后進(jìn)行第二次擊實(shí)，最后測試再生混合料的體積參數(shù)和性能指標(biāo)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 養(yǎng)生時間對混合料性能的影響

3.1.1 養(yǎng)生時間對混合料含水率的影響

在60 ℃養(yǎng)生溫度下，不同養(yǎng)生時間的混合料含水率隨養(yǎng)生時間的變化情況及回歸擬合曲線見圖2。

由圖2可以看出，隨著養(yǎng)生時間的延長，再生混合料含水率逐漸下降，試件在養(yǎng)生8 h之后，混合料的含水率已經(jīng)低于2%。分析含水率曲線下降速率可以發(fā)現(xiàn)，自養(yǎng)生開始至養(yǎng)生16 h之內(nèi)，下降速度較快，含水率由初始的3.3%下降至1.53%，下降54%；養(yǎng)生48 h后含水率為0.97%，低于1%；養(yǎng)生時間大于60 h，曲線下降速率極為緩慢，養(yǎng)生時間在60 h～96 h內(nèi)，含水率幾乎保持不變。因此，基于本研究的試驗(yàn)結(jié)果，研究認(rèn)為現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)規(guī)程推薦的48 h的養(yǎng)生時間是偏于保守的。同時，由擬合回歸曲線分析可知，含水率與養(yǎng)生時間之間的相關(guān)關(guān)系遵循指數(shù)函數(shù)關(guān)系，回歸系數(shù)R2高達(dá)0.95，在已知養(yǎng)生時間的前提下，可根據(jù)回歸關(guān)系式初步預(yù)估含水率。

3.1.2 養(yǎng)生時間對混合料空隙率的影響

為進(jìn)一步研究合理的養(yǎng)生時間，保證再生混合料養(yǎng)生后強(qiáng)度，分別對劈裂強(qiáng)度、空隙率隨養(yǎng)生時間的變化規(guī)律進(jìn)行研究。60 ℃養(yǎng)生溫度下，室內(nèi)一次擊實(shí)成型和二次擊實(shí)成型試件的空隙率隨養(yǎng)生時間的變化情況及回歸擬合曲線見圖3。

由圖3可以看出，總體表現(xiàn)為隨著養(yǎng)生時間的延長，混合料空隙率逐漸增大；養(yǎng)生時間少于24 h時，二次擊實(shí)試件的空隙率明顯低于一次擊實(shí)試件，其中，養(yǎng)生時間8 h時，一次與二次擊實(shí)試件的空隙率分別為9.7%,7.8%，二次擊實(shí)后空隙率下降了1.9%；養(yǎng)生16 h時，一次與二次擊實(shí)試件的空隙率分別為9.9%,8.8%，二次擊實(shí)后空隙率下降了1.1%。結(jié)合混合料含水率與養(yǎng)生時間的關(guān)系圖可看出，在養(yǎng)生16 h之前，從最佳含水率3.3%下降到含水率為1.53%，含水率下降了54%，含水率下降幅度非常明顯，說明混合料中的水分蒸發(fā)后，混合料中存在大量的微空隙，通過二次擊實(shí)后，混合料更加致密，空隙率降低。在養(yǎng)生24 h之后，一次擊實(shí)試件與二次擊實(shí)試件的空隙率變化較小，說明隨著含水率的下降，混合料已經(jīng)逐步形成強(qiáng)度，再進(jìn)行二次擊實(shí)，對混合料的壓實(shí)效果有限。同時，由擬合回歸曲線分析可知，空隙率與養(yǎng)生時間之間的相關(guān)關(guān)系遵循指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且第一次擊實(shí)回歸曲線的擬合效果不及第二次擊實(shí)，回歸系數(shù)分別為0.82和0.89。

3.1.3 養(yǎng)生時間對混合料劈裂強(qiáng)度的影響

60 ℃養(yǎng)生溫度下，室內(nèi)一次擊實(shí)成型和二次擊實(shí)成型試件的劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)生時間的變化情況及回歸擬合曲線見圖4。

由圖4可以看出，隨著養(yǎng)生時間的延長而增加，試件的劈裂強(qiáng)度逐漸增大，在養(yǎng)生120 h范圍內(nèi)，混合料一次擊實(shí)后，劈裂強(qiáng)度從0.48 MPa增加至1.39 MPa，二次擊實(shí)后，混合料劈裂強(qiáng)度從0.62 MPa增加至1.4 MPa，但在這個過程中，混合料含水率從最佳含水率3.3%下降到0.41%，說明混合料的劈裂強(qiáng)度與含水率密切相關(guān)，含水率越低，混合料的劈裂強(qiáng)度越高。且結(jié)合圖中可以看出，試件在養(yǎng)生時間16 h內(nèi)，混合料含水率下降非常明顯，養(yǎng)生16 h后，由于混合料中水分蒸發(fā)速度減緩，二次擊實(shí)與一次擊實(shí)后的劈裂強(qiáng)度差異越來越小。從擬合關(guān)系曲線來看，一次擊實(shí)和二次擊實(shí)條件下，混合料劈裂強(qiáng)度的增長規(guī)律遵循指數(shù)函數(shù)關(guān)系曲線，回歸系數(shù)R2均為0.98。在已知養(yǎng)生時間的前提下，可根據(jù)回歸關(guān)系式預(yù)估混合料一次擊實(shí)和二次擊實(shí)的強(qiáng)度。

3.2 養(yǎng)生溫度對混合料性能的影響

《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》規(guī)定乳化瀝青廠拌冷再生混合料的養(yǎng)生溫度為60 ℃，為進(jìn)一步提升混合料性能，嘗試提高混合料養(yǎng)生溫度，并積累時溫等效經(jīng)驗(yàn)。研究分別成型三組試件，各組試件第一次擊實(shí)完成后，分別在60 ℃,70 ℃,80 ℃條件下養(yǎng)生48 h，之后進(jìn)行第二次擊實(shí)。不同養(yǎng)生溫度條件下，再生混合料的性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同養(yǎng)生溫度下再生混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

首先，從空隙率指標(biāo)來看，由表5量化數(shù)據(jù)可知，隨著養(yǎng)生溫度的提升，冷再生混合料的空隙率與含水率逐漸下降。說明養(yǎng)生溫度越高，在相同時間范圍內(nèi)，混合料中的水分蒸發(fā)越多，水分蒸發(fā)之后剩余的空隙越多，在第二次擊實(shí)后，空隙率進(jìn)一步下降，混合料更加密實(shí)。特別是當(dāng)養(yǎng)生溫度從60 ℃增加到80 ℃時，養(yǎng)生48 h含水率從0.85%降低到0.1%，混合料的水分基本上全部蒸發(fā)結(jié)束。

其次，從干、濕劈裂強(qiáng)度指標(biāo)來看，干、濕劈強(qiáng)度在養(yǎng)生48 h的條件下，養(yǎng)生溫度越高，混合料的劈裂強(qiáng)度越高。當(dāng)養(yǎng)生溫度從60 ℃變化到80 ℃時，其干劈裂強(qiáng)度從1.15 MPa增加到1.50 MPa，增長了30.4%。說明在相同的時間范圍內(nèi)，提高養(yǎng)生的溫度，混合料中的水分進(jìn)一步蒸發(fā)，混合料強(qiáng)度顯著提高。

再次，從干濕劈裂比與凍融劈裂強(qiáng)度比來看，隨著養(yǎng)生溫度的提高，干濕劈裂比與凍融劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)遞增趨勢，特別是養(yǎng)生溫度從70 ℃變化到80 ℃時，干濕劈裂比與凍融劈裂強(qiáng)度比增長明顯，在80 ℃養(yǎng)生溫度條件時，干濕劈裂比與凍融劈裂強(qiáng)度比分別達(dá)到了98.9%與96.2%。尤其是凍融劈裂強(qiáng)度指標(biāo)，由60 ℃的78.6%提升至80 ℃的96.2%。

最后，從動穩(wěn)定度指標(biāo)來看，盡管動穩(wěn)定度在70 ℃時出現(xiàn)了最低值，但是混合料的動穩(wěn)定度指標(biāo)對養(yǎng)生溫度的高低不敏感，變化幅度較小，絕對值均在8 500次/mm～9 000次/mm之間。

因此，基于上述試驗(yàn)結(jié)果，在滿足提高養(yǎng)生溫度的條件下，可以適當(dāng)縮短養(yǎng)生時間，以提升施工效率。

3.3 養(yǎng)生時間、養(yǎng)生溫度對混合料性能交互影響的探究分析

結(jié)合上述養(yǎng)生時間與劈裂強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，混合料在60 ℃養(yǎng)生120 h條件下，混合料的含水率為0.4%，劈裂強(qiáng)度為1.4 MPa，在70 ℃養(yǎng)生48 h條件下，含水率為0.1%，劈裂強(qiáng)度為1.5 MPa，數(shù)據(jù)非常接近，表明冷再生混合料在70 ℃養(yǎng)生48 h與60 ℃養(yǎng)生120 h的養(yǎng)生效果基本等效。因此，提高養(yǎng)生溫度，延長養(yǎng)生時間，均有助于強(qiáng)度的增長，在增長規(guī)律方面表現(xiàn)出“時溫等效”的特征，其更深層次的分析有待深入研究。

4 結(jié)語

1)隨著養(yǎng)生時間的延長，再生混合料含水率逐漸下降，自養(yǎng)生開始至16 h以內(nèi)，混合料的含水率由初始的3.3%下降至1.53%，下降了54%；養(yǎng)生48 h后混合料的含水率已低于1%；養(yǎng)生時間在60 h～96 h內(nèi)，含水率幾乎保持不變。

2)基于劈裂強(qiáng)度與養(yǎng)生時間的關(guān)系曲線，隨著養(yǎng)生時間的延長，混合料含水率逐漸降低，空隙率逐漸增大，劈裂強(qiáng)度逐漸提升；養(yǎng)生時間低于24 h時，二次擊實(shí)試件的空隙率明顯低于一次擊實(shí)試件；養(yǎng)生時間高于24 h之后，一次擊實(shí)試件與二次擊實(shí)試件的空隙率變化較小，說明隨著含水率的下降，混合料已經(jīng)逐步形成強(qiáng)度。

3)在相同養(yǎng)生時間內(nèi)，隨著養(yǎng)生溫度的提升，冷再生混合料的空隙率與含水率逐漸下降，混合料綜合性能逐漸提升。說明養(yǎng)生溫度越高，在相同時間范圍內(nèi)，混合料中的水分蒸發(fā)越多，水分蒸發(fā)之后剩余的空隙越多，在第二次擊實(shí)后，空隙率進(jìn)一步下降，混合料更加密實(shí)。

4)冷再生混合料在70 ℃養(yǎng)生48 h與60 ℃養(yǎng)生120 h，養(yǎng)生效果基本等效。提高養(yǎng)生溫度，延長養(yǎng)生時間，均有助于強(qiáng)度的增長，在增長規(guī)律方面表現(xiàn)出“時溫等效”的特征。研究推薦在滿足養(yǎng)生溫度不低于60 ℃的條件下，養(yǎng)生時間不低于24 h即可。