基于普氏擊實試驗的冷再生混合料設(shè)計優(yōu)化

田文將

(中鐵國際集團有限公司，北京 100039)

0 引言

高速公路在一定運營周期后，會陸續(xù)出現(xiàn)損壞或運營能力不足等資源匹配不均衡問題，目前主要通過行駛質(zhì)量間接評價路面劣化水平，也可通過路面明顯病害特征如車轍和表面裂縫直接評價。如圖1所示，每種路面病害機制均有其特定的性能與時間函數(shù)關(guān)系，因此，如何對破損路面進行及時和有效的養(yǎng)護是亟需解決的問題。現(xiàn)階段我國高速公路逐步由建設(shè)期轉(zhuǎn)入養(yǎng)護期，科學有效、具有可持續(xù)性的路面養(yǎng)護手段在延長路面壽命和節(jié)省資源投入方面尤為重要。傳統(tǒng)瀝青路面養(yǎng)護方法將產(chǎn)生大量的廢棄瀝青混合料(RAP)，若不能妥善處理，不僅資源浪費，還會造成嚴重的環(huán)境污染。瀝青路面再生技術(shù)在修復瀝青路面中能夠有效利用廢舊路面材料，并且具有降低施工成本，縮短施工時間，節(jié)能減排和減少交通干擾等優(yōu)點。國內(nèi)外常見的路面再生技術(shù)包括就地熱再生、廠拌熱再生、廠拌冷再生、就地冷再生和全深式再生。其中，乳化瀝青冷再生技術(shù)(Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture，簡稱EACRM)符合資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會建設(shè)目標，因其節(jié)省公路養(yǎng)護成本，保證再生層質(zhì)量，節(jié)約施工時間、減少交通中斷、降低溫室氣體排放等多重優(yōu)點被廣泛推廣[1]。

合理的冷再生混合料設(shè)計方法和實驗室成型工藝是乳化瀝青冷再生技術(shù)成功應用的基礎(chǔ)。對此，國內(nèi)外學者對冷再生材料的應用進行了大量的研究和實踐。提出了一些建設(shè)性的理論和設(shè)計方法，如AASHTO改進的馬歇爾方法、瀝青再生協(xié)會(ARRA)設(shè)計方法、加利福尼亞方法、AI方法、賓夕法尼亞方法和俄勒岡設(shè)計方法[2]。不同的壓實方法和壓實工藝導致瀝青混合料的空隙率以及力學性能的差異，最終會影響再生路面的壽命[3]。冷再生瀝青混合料運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場需要一定的時間，如果長期放置，對混合料的施工性能、壓實效果和穩(wěn)定性都有較大影響，目前應用于混合料的擊實技術(shù)主要有Proctor，馬歇爾，旋轉(zhuǎn)擊實和振動擊實，不同擊實試件的方法決定了瀝青混合料的空隙率和線性粘彈性特性，擊實的主要目的是反映現(xiàn)場條件，如壓實程度、骨料排列(內(nèi)部結(jié)構(gòu))、空隙率分布和百分比等。因此，研究不同擊實方法和合理的養(yǎng)護條件對冷再生混合料應用推廣有一定的積極意義[4-9]。使用改進的Proctor擊實方法，對不同乳化瀝青和水泥摻量的冷再生混合料的力學行為進行評價，通過分析不同的養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間，提出了一種快速、實用的實驗室冷再生瀝青混合料配合比設(shè)計方法。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗選用的原材料包括乳化瀝青、水泥、RAP。乳化瀝青采用陽離子慢裂快凝型聚合物改性乳化瀝青(CRS-2P)，乳化瀝青指標如表1所示。水泥為硅酸鹽水泥，RAP為路面修復工程中破舊路面銑刨料，舊路面結(jié)構(gòu)為20 cm水泥穩(wěn)定就地冷再生底基層水穩(wěn)碎石基層，5 cm 中粒式瀝青混凝土和4 cm細粒式改性瀝青混凝土。RAP篩分結(jié)果如表2所示。

表1 乳化瀝青指標

表2 RAP篩分結(jié)果和冷再生混合料合成級配

1.2 試驗方法

在確定原材料和級配后，采用改進的Proctor測試程序并依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進行試件成型，標準Proctor測試(ASTM D 698/AASHTO T 99)是估算路基和壓實填充段的最大干密度和最佳含水量的方法。由于高速公路路面設(shè)計需要承載更高的交通負荷，因此對于乳化瀝青冷再生混合料需要更高的混合料密度，在這種情況下，在實驗室中使用改進的Proctor試驗，以確定瀝青混合料的壓實特性，與用于路基的標準Proctor試驗相比，改進試驗通常會導致混合料的最大干密度增加，最佳含水量降低。圖2為試驗所用圓柱形模具，試件高度為116 mm，內(nèi)徑為102 mm，試驗重復3次取平均值，錘的質(zhì)量為2.5 kg，自由落體距離為305 mm。將混合物中粒徑大于19 mm的顆粒剔除，用粒徑小于19 mm且總質(zhì)量相同的顆粒進行替換，試件制備流程依據(jù)美國AASHTO T180方法C。

試件成型后分別采用無側(cè)限抗壓強度試驗(UCS)、間接拉伸強度試驗(ITS)和彈性模量(Mr)進行力學性能評價，試驗測試均按照現(xiàn)行規(guī)范要求進行。為了防止樣品水分流失，將其放在密封的塑料袋中養(yǎng)生。試件養(yǎng)護設(shè)備選用0 ℃～100 ℃的恒溫箱，試驗的養(yǎng)護工藝參數(shù)包括養(yǎng)護溫度分別為25 ℃，40 ℃，60 ℃和100 ℃，時間周期分別為1 d，3 d，7 d，28 d，60 d和90 d。

2 試驗結(jié)果分析

由于冷再生混合料在馬歇爾試驗擊實方法等傳統(tǒng)擊實方法下力學行為并沒有隨成分含量的變化而發(fā)生顯著改變[10]，因此針對另一種壓實方法的力學行為進行評價，采用改進的Proctor測試程序進行擊實試驗。首先，以乳化瀝青含量為變量，水泥含量為固定量，在冷再生混合料中加入2%，3%和4%三種不同含量的乳化瀝青以及1%的水泥，經(jīng)攪拌后，在25 ℃條件下養(yǎng)護7 d。以水泥含量為變量，乳化瀝青含量為固定量，在乳化瀝青摻量固定為3%的情況下，水泥摻量分別為0%，1%和2%。壓實曲線(干密度與含水率)如圖3所示。從圖3中數(shù)據(jù)可以得出，在相同的乳化瀝青含量范圍內(nèi)，含水率的變化對瀝青混合料干密度影響較小，差異小于約0.05 g/cm3，這表明冷再生混合料的干密度指標幾乎不受含水率影響，而在以往研究中馬歇爾擊實的試件中同樣觀測到相似的結(jié)果[11]，這可能是因為在再生混合料級配曲線中細集料比例較低，Daffalla在尺寸為100 mm×100 mm的試件中也發(fā)現(xiàn)類似的趨勢[12]。盡管干密度結(jié)果基本相似，由于再生瀝青混合料設(shè)計方法應力求簡單以方便生產(chǎn)，如圖3所示，使用曲線中的干密度峰值作為參考，與試件制備過程中觀察到的工作性(以定性的方式)一致，最終確定3%的乳化瀝青作為最優(yōu)選擇，并對每個試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗(UCS)測試。

不同乳化瀝青和水泥含量組合UCS測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)數(shù)據(jù)可以得出，對于三種不同的乳化瀝青含量，含水率的變化對UCS試驗結(jié)果影響不大，隨著乳化瀝青的加入，強度有降低的趨勢，摻量為4%的乳化瀝青具有較低的抗壓強度。盡管低含量的乳化瀝青具有較低的密度，但抗壓強度隨著乳化瀝青摻量的增加而下降，即4%乳化瀝青含量的混合料具有較低的UCS值。一般來說，含水率的變化對任何乳化瀝青含量的UCS結(jié)果都沒有重大影響。由此可知，乳化瀝青含量對UCS的結(jié)果有較為明顯的影響，而混合料密度受水含量的影響更大。針對上述情況，對每個試件在養(yǎng)生期間的水分損失進行了驗證。結(jié)果表明，所有試樣在壓實過程中均沒有失去所有的水分。試樣結(jié)構(gòu)內(nèi)保持了平均1.5%的水分，這與Batista和Antunes的報告中的結(jié)果類似[13]。一般來說，添加的水含量越高，水分損失就越大。圖4(b)中表明隨著水泥含量的增加，強度有明顯增加的趨勢，瀝青混合料的最佳含水率會隨著水泥的含量增加而增加，這可能由于更細的顆粒往往會增加被水浸潤的表面積，而與含有1%或2%水泥的瀝青混合料相比，不含水泥的混合料的UCS值較低，由此可知含水率的變化對試驗結(jié)果的影響較小。

通過對水泥、水和乳液含量變化的影響研究后，重點研究了不同養(yǎng)護過程(包括不同的溫度和時間)對混合料性能的影響。在這個過程中，保持瀝青乳液、水、水泥含量不變，分別固定為3.0%，5.5%(4.36%的自由水加1.14%的乳液水)和1.0%，這是上述材料含量變化影響研究中性能最好的再生混合料配比，也是施工現(xiàn)場中通常使用的含量數(shù)值。第一種養(yǎng)生方法是在25 ℃的溫控室完成的，養(yǎng)生時間周期分別為7 d，28 d，60 d和90 d。使用相同試驗工藝制備六組不同養(yǎng)生時間段的試件，在不同的養(yǎng)生時間下，試件的平均干密度值約2 000 kg/m3。并對養(yǎng)護前后的瀝青混合料含水率進行驗證，驗證結(jié)果表明，養(yǎng)護28 d后剩余含水率相對穩(wěn)定，水的質(zhì)量分數(shù)平均為1.5%，這可能是由于水泥水化反應導致含水率較養(yǎng)護前降低。彈性模量實驗結(jié)果如圖5所示，在養(yǎng)護7 d～28 d的時間內(nèi)，試件的Mr值增加了約24%，但養(yǎng)護28d后試件剛度沒有明顯增加，尤其是60 d后，混合料的Mr值變化不明顯，其中每個養(yǎng)護期測試了6個試樣，結(jié)果之間的變化非常小(變化系數(shù)小于10%)。彈性模量實驗可以得出，在不同的養(yǎng)護周期內(nèi)，試驗中施加的圍壓對瀝青混合料的彈性模量影響不大，這是由于乳化瀝青的黏聚力和水泥的水化反應作用，部分研究學者提出使用動態(tài)模量測試來表征冷再生瀝青混合料和瀝青乳液[14]。在Mr試驗結(jié)束后，分別進行ITS(3個)和UCS(3個)試驗。

圖6為ITS，UTS試驗結(jié)果，試驗結(jié)果表明，養(yǎng)生60 d后其ITS值有所提高。養(yǎng)生60 d后的平均值幾乎比養(yǎng)護前7 d的平均值高100%。在60 d～90 d之間，平均抗拉強度下降，但數(shù)值仍然非常相似，所以觀察到的微小差異更有可能是由于材料和試驗變異性本身。對于相同養(yǎng)護周期的試件，CV值均小于10%。UCS試驗結(jié)果表明，UCS的試驗結(jié)果與Mr和ITS的結(jié)果有相同的趨勢，隨著養(yǎng)護時間的增加，無側(cè)限抗壓強度有增大的趨勢，其最終抗壓強度比養(yǎng)護7 d高100%。在養(yǎng)護60 d后，抗壓強度保持不變，直至最后養(yǎng)護齡期(90 d)。該試驗結(jié)果的CV值也比較低(小于15%)。對于ITS和UCS的試驗結(jié)果，進行了統(tǒng)計學t檢驗，比較了養(yǎng)護28 d～60 d以及養(yǎng)護60 d～90 d之間的值。檢驗的結(jié)果是P值高于顯著性水平(見表3)，這意味著對于任意時間的養(yǎng)護期，該平均值具有統(tǒng)計學意義。

表3 學生t檢驗的P值

在上述養(yǎng)護養(yǎng)生時間的研究中，雖然較長的養(yǎng)護周期會明顯提升強度，但不適合瀝青路面快速開放交通的特點，因此通過改變養(yǎng)護溫度以達到加速養(yǎng)生的目的，研究了不同的養(yǎng)護溫度和時間對冷再生混合料強度的影響，以更快和更實際的過程預測瀝青混合料的最終力學性能。共制備乳液、水、水泥摻量(分別為3.0%，5.5%，1.0%)相同的試件27個，結(jié)合溫度(40 ℃，60 ℃，100 ℃)和周期(1 d，3 d，7 d)，共9套不同的養(yǎng)護工藝。在加速養(yǎng)生的研究中，只進行ITS試驗，試件在標準溫度(25 ℃)下進行測試，這意味著在每次養(yǎng)護過程結(jié)束后，試件在至少5 h內(nèi)穩(wěn)定到該溫度。圖7給出了每個溫度和每個養(yǎng)護時間的ITS結(jié)果。結(jié)果表明，在養(yǎng)生過程中提升溫度更有利于冷再生瀝青混合料的設(shè)計，與25 ℃的養(yǎng)生溫度相比，試件的最終力學特性可以在更短的時間內(nèi)實現(xiàn)。在40 ℃條件下，僅養(yǎng)護1 d，試件的ITS值與25 ℃條件下養(yǎng)護7 d的試件的ITS值相似，將養(yǎng)生時間延長至7 d后，瀝青混合料的強度也有明顯的提升。與其他養(yǎng)生溫度相比，60 ℃在各齡期的強度在所有研究的養(yǎng)生溫度中最高。而100 ℃相對于60 ℃有所降低，這可能是由于高溫可能導致混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化。此外，100 ℃的溫度可能會迅速蒸發(fā)部分用于水泥水化的水，這也會降低瀝青混合料強度。

圖8為常規(guī)養(yǎng)生工藝(25 ℃)和加速養(yǎng)生工藝(更高溫度)的結(jié)果。結(jié)果表明，ITS值隨養(yǎng)生時間的增加而增加，并比較經(jīng)過7 d的養(yǎng)護，在所有的養(yǎng)護溫度(40 ℃，60 ℃和100 ℃)下，產(chǎn)生的混合料的ITS值都相似，這表明這是該類型混合料強度增長的極限。養(yǎng)護溫度為25 ℃的ITS結(jié)果顯示，在養(yǎng)護28 d后達到平均最大值，而在較低的養(yǎng)護齡期則遠低于其他養(yǎng)護溫度下的抗壓強度。在25 ℃條件下，混合料經(jīng)過60 d或90 d的養(yǎng)護的強度性能，在60 ℃條件下僅經(jīng)過1 d即可達到類似的強度性能。因此，60 ℃可以作為加速養(yǎng)生的最佳溫度。

3 冷再生混合料配合比設(shè)計方法的優(yōu)化

基于上述試驗結(jié)果分析，提出了一種冷再生混合料配合比實驗室設(shè)計方法的優(yōu)化，其中材料選擇如下：骨料由100% RAP材料組成，其公稱最大粒徑(NMAS)為19 mm或以下；瀝青乳液可以改性或不改性；水泥添加劑應為水泥或熟石灰；水為蒸餾水。攪拌過程為先將水泥和RAP按試驗所需要求進行攪拌混合，按順序加入水、瀝青乳液進行二次攪拌。試件成型和養(yǎng)護使用Proctor壓實設(shè)備和溫度可覆蓋20 ℃～100 ℃范圍內(nèi)的烘箱。為了獲得最佳的瀝青乳液、水泥和含水量，首先，根據(jù)RAP的等級和路面現(xiàn)場相關(guān)經(jīng)驗，選擇3種不同的乳化瀝青摻量，各摻量之間的變化幅度為1%。對于每個乳化瀝青含量，應制作5個不同含水率的試樣，選擇最大干密度的最高值的乳化瀝青含量作為參考摻量。之后，選擇3種不同的水泥摻量，在60 ℃養(yǎng)護1 d的養(yǎng)護條件和周期內(nèi)，對所有試件進行UCS試驗(試驗結(jié)果不低于0.2 MPa)，其中UCS測試速度為每分鐘1 mm，并且必須在測試開始前需要至少5 h將試樣的溫度穩(wěn)定在25 ℃進行測試，最終以力學強度最大的水泥摻量為最佳摻量。通過ITS試驗進行配合比驗證(試驗結(jié)果不低于0.4 MPa)，養(yǎng)護條件和試驗前溫度穩(wěn)定流程與UCS試驗一致，ITS測試速度為每分鐘50 mm。最終根據(jù)資源利用最大化和經(jīng)濟合理性原則，選擇最優(yōu)配合比材料摻量以平衡路面工作性和經(jīng)濟適用性。

4 結(jié)語

基于改進的Proctor擊實試驗，通過改變水、瀝青乳液和水泥的含量，以及在不同的養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護周期下進行了力學試驗(Mr，ITS和UCS)，提出了一種摻加乳化瀝青和硅酸鹽水泥的冷再生混合料的實驗室設(shè)計方法，基于試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：1)相對于馬歇爾擊實方法，Proctor擊實試件的力學行為隨著材料含量變化更為顯著，建議使用改進的Proctor擊實方法成型試件以確定冷再生瀝青混合料設(shè)計中的水、乳化瀝青、水泥的最佳含量。2)在不同的養(yǎng)護溫度和周期組合中，60 ℃條件下養(yǎng)護1 d內(nèi)的試件ITS相關(guān)的力學性能，與在25 ℃條件下28 d后的結(jié)果相似。因此，60 ℃的養(yǎng)護溫度與較短的養(yǎng)生時間更有利于提升瀝青混合料的力學性能，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。3)基于大量的室內(nèi)試驗，提出了一種使用普氏擊實試驗的冷再生瀝青混合料的實驗室設(shè)計方法，旨在為冷再生瀝青混合料設(shè)計提供一種快速、實用的方案優(yōu)化和參考。