水泥種類和摻量對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響*

曹明明, 肖劉路, 鐘鑫陽, 袁泉, 陶朝勛

(1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610041;2.合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司, 安徽 合肥 230041;3.成都理工大學(xué), 四川 成都 610059;4.四川興蜀公路建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司, 四川 成都 610000;5.阿壩州公路管理局, 四川 馬爾康 624099)

經(jīng)過多年的通車運(yùn)營,瀝青路面會出現(xiàn)開裂、變形、松散等病害,須進(jìn)行大中修或改擴(kuò)建。傳統(tǒng)的銑刨恢復(fù)方式(銑刨舊瀝青層后采用新瀝青混合料修補(bǔ))會產(chǎn)生大量廢舊瀝青混合料(RAP),造成極大的資源浪費(fèi),且嚴(yán)重污染環(huán)境,探索RAP利用率高且節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的RAP再生方式迫在眉睫。乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)對RAP的利用率在80%以上,相較于就地?zé)嵩偕夹g(shù),采用乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)可以避免RAP的二次加熱,有助于節(jié)約能源,減少瀝青煙排放,具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢[1-3]。

乳化瀝青廠拌冷再生瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理與熱拌料存在一定差異,須待乳化瀝青破乳后才能形成強(qiáng)度。受限于乳化瀝青摻量及乳化瀝青和RAP結(jié)合的差異,乳化瀝青冷再生混合料的早期強(qiáng)度并不是很高。因此,乳化瀝青冷再生混合料中往往需要摻加水泥以提高其早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度[4-5]。已有研究表明,乳化瀝青冷再生混合料中用水泥代替礦粉,利用水泥水化來加快乳化瀝青的破乳速度,可在提高混合料早期強(qiáng)度和剛度的同時改善混合料的路用性能[6-7]。但在實(shí)際工程中,水泥摻量過大會對乳化瀝青冷再生混合料性能產(chǎn)生不利影響,可能造成乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度提高速度過快、施工容留時間不足、低溫脆性增大、抗裂性能不足等[8-9]。目前,雖然有一些學(xué)者研究了水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料性能的影響,但對水泥種類對混合料性能影響的研究較少。本文依托川九(川主寺—九寨溝)路改建工程,研究不同水泥種類和摻量下乳化瀝青冷再生混合料早期高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的變化,為耐久性的乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計提供依據(jù)。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

乳化瀝青廠拌冷再生混合料設(shè)計中加入水泥,可加快乳化瀝青的破乳速度,提高混合料的早期強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。但摻入過量水泥的乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能和疲勞性能均有一定程度衰減,且容易發(fā)生溫度收縮和干縮開裂。因此,通常水泥摻量不超過1.8%。本文采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5和復(fù)合硅酸鹽水泥P.C 42.5進(jìn)行對比研究,水泥試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

表1 P.O 42.5水泥的檢測結(jié)果

表2 P.C 42.5水泥的檢測結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計

經(jīng)篩分和破碎的RAP分為10～30 mm、5～10 mm和0～5 mm 3檔,篩分結(jié)果見表3。抽提、回收后測試各檔RAP的瀝青含量,分別為4.08%、3.64%、4.80%。

表3 RAP的篩分結(jié)果

乳化瀝青配合比設(shè)計中,摻入乳化瀝青、水、礦粉和10～20 mm石灰?guī)r碎石,經(jīng)測試,其性能均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。根據(jù)JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行乳化瀝青配合比設(shè)計,合成級配見表4,最佳含水量、最佳乳化瀝青用量見表5。

表4 乳化瀝青的合成級配

表5 乳化瀝青配合比設(shè)計結(jié)果

2 路用性能分析

在最佳含水量與最佳乳化瀝青用量下,分別摻加0.0、1.5%、3.0%、4.5%的P.C 42.5水泥、P.O 42.5水泥成型乳化瀝青冷再生混合料試件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),分析水泥種類和摻量對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響,確定適宜的水泥種類和摻量。

2.1 高溫穩(wěn)定性能

成型乳化瀝青冷再生混合料車轍試件進(jìn)行車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知:1) 隨著水泥摻量的增加,摻入兩種水泥的乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度均逐漸增大,表明摻加水泥能提升乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性。水泥摻量低于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性顯著提升,這是因?yàn)樗鄵搅啃∮?.5%時,水泥水化產(chǎn)物迅速填充混合物的空隙,混合物的密實(shí)度提高并產(chǎn)生強(qiáng)度;水泥摻量大于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性提升幅度逐漸減小,這是因?yàn)樗鄵搅看笥?.5%時水泥未完全水化,充當(dāng)活性礦粉,高溫穩(wěn)定性提升幅度降低。2) P.O 42.5水泥摻量為1.5%時,乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于規(guī)范要求,過量摻加P.O 42.5水泥并不能顯著改善乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能。對于P.C 42.5水泥,動穩(wěn)定度SDS與水泥摻量Cc基本呈線性關(guān)系(SDS,P.C=794.4Cc+4 677.6,R2=0.991 9),但摻加P.C 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度增長幅度明顯小于摻加P.O 42.5水泥的再生混合料。相同摻量下,摻加P.C 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度明顯低于摻加P.O 42.5水泥的再生混合料,摻加P.O 42.5水泥對乳化瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的改善更顯著,這一現(xiàn)象可能與水泥的早期強(qiáng)度有關(guān),采用早期強(qiáng)度更高的水泥,乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度更高,早期強(qiáng)度更大。

圖1 不同水泥種類和摻量下乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度

2.2 低溫抗裂性能

成型板式乳化瀝青冷再生混合料試件,并切割成小梁試件進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知:1) 隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的抗彎拉強(qiáng)度呈線性增大,最大彎拉應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度先增大后減小。水泥摻量低于1.5%時,隨水泥摻量增大,乳化瀝青冷再生混合料的最大彎拉應(yīng)變增大;摻量大于1.5%時,繼續(xù)增大水泥摻量,最大彎拉應(yīng)變逐漸減小,但減小幅度逐漸降低。對水泥摻量和乳化瀝青冷再生混合料彎曲應(yīng)變能密度采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合,對于摻加PC 42.5水泥的冷再生混合料,y=-175.65x2+1 036.7x+44.75,R2=0.987 9(x為水泥摻量,y為彎曲應(yīng)變能密度);對于摻加PO 42.5水泥的冷再生混合料,y=-198.98x2+1 081.8x+18.725,R2=0.993 3。根據(jù)擬合結(jié)果,P.O 42.5水泥、P.C 42.5水泥摻量分別小于2.5%、3.0%時,隨水泥摻量增加,乳化瀝青冷再生混合料的彎曲應(yīng)變能密度逐漸增大;P.O 42.5水泥、P.C 42.5水泥摻量分別大于2.5%、3.0%時,隨水泥摻量增加,彎曲應(yīng)變能密度逐漸減小;水泥摻量小于1.0%時,相同摻量的兩種乳化瀝青冷再生混合料的彎曲應(yīng)變能密度幾乎相同。水泥摻量較小時,盡管抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變有所差別,但彎曲應(yīng)變能密度差別不大,說明水泥摻量低于1%時,水泥種類和摻量對乳化瀝青冷再生混合料的敏感性并不是很強(qiáng)烈,在對乳化瀝青冷再生混合料高溫性能和早期強(qiáng)度要求不高,而冬季溫度較低的地區(qū),可嘗試將水泥摻量降低至1%。2) 摻量相同的情況下,與摻加P.C 42.5水泥相比,摻加P.O 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的抗彎拉強(qiáng)度更大、最大彎拉應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度更小,表明P.O 42.5水泥對抗彎拉強(qiáng)度的提升具有顯著作用,但對混合料的柔性不利,導(dǎo)致乳化瀝青冷再生混合料在低溫時易發(fā)生脆裂。建議在低溫性能要求高的地區(qū),乳化瀝青冷再生混合料中摻加強(qiáng)度增長更慢的水泥。3) 最大彎拉應(yīng)變的變異系數(shù)比彎曲應(yīng)變能密度的變異系數(shù)大,采用彎曲應(yīng)變能密度衡量乳化瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性能更穩(wěn)定。

圖2 水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料低溫性能的影響

2.3 黏附性

肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)考慮了乳化瀝青冷再生混合料在水的作用下其黏結(jié)性能衰減的情況,能更好地表征其水穩(wěn)定性。但由于乳化瀝青冷再生混合料的黏附性差于熱拌瀝青混合料,若洛杉磯磨耗儀的旋轉(zhuǎn)次數(shù)采用熱拌瀝青混合料常用的300 r,乳化瀝青冷再生混合料的黏附性將缺乏對比性。為便于試驗(yàn)結(jié)果分析,將洛杉磯磨耗儀的旋轉(zhuǎn)次數(shù)調(diào)整為100 r。成型馬歇爾試件進(jìn)行浸水飛散試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料黏附性的影響

由圖3可知:1) 隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的浸水飛散損失均減小。水泥摻量為0.0～1.5%時,浸水飛散損失下降明顯,較小的水泥摻量能顯著提升乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性和黏附性;水泥摻量大于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,再生混合料的浸水飛散損失下降明顯,特別是摻加P.O 42.5水泥的混合料,過多地?fù)饺胨?乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性提升不明顯。建議在滿足黏附性和水穩(wěn)定性等要求的情況下,采用較低的水泥摻量,水泥摻量不宜大于1.5%,特殊情況下不大于1%。2) 相同摻量下,摻入P.O 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的浸水飛散損失比摻加P.C 42.5水泥的小,P.O 42.5水泥對乳化瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性的改善更顯著。

2.4 水穩(wěn)定性

成型馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖 5。

圖4 P.O 42.5水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度的影響

圖5 P.C 42.5水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度的影響

由圖4、圖5可知:隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的凍融劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂強(qiáng)度比增大,摻加水泥可使乳化瀝青冷再生混合料的抗拉強(qiáng)度及水穩(wěn)定性得到提升。水泥摻量小于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青廠拌冷再生混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比顯著提升;摻量為1.5%～3.0%時,隨著水泥摻量的增加,凍融劈裂強(qiáng)度比增長速度較緩慢,特別是P.O 42.5水泥,摻量大于1.5%時,凍融劈裂強(qiáng)度比提升不明顯;水泥摻量大于3.0%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比增長幅度增大,這可能是由于過多的水泥在試件浸水前未充分水化,這部分水泥在60 ℃水浴中進(jìn)一步水化,使混合料的凍融劈裂強(qiáng)度顯著提升,凍融劈裂強(qiáng)度比增大。

3 結(jié)論

(1) 隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性增強(qiáng),P.O 42.5水泥比P.C 42.5水泥更能提升乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性,P.O 42.5水泥摻量為1.5%時,乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度大于10 000 次/mm。

(2) 相同摻量時,與摻加P.C 42.5水泥相比,摻加P.O 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的抗彎拉強(qiáng)度較大、最大彎拉應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度較小。摻加水泥對乳化瀝青冷再生混合料的柔性不利,可能導(dǎo)致乳化瀝青冷再生混合料在低溫下開裂,建議在低溫地區(qū)嚴(yán)格控制乳化瀝青冷再生混合料中的水泥摻量。

(3) 水泥摻量小于1.5%時,乳化瀝青冷再生混合料的浸水飛散損失隨水泥摻量的增加顯著下降,但隨水泥摻量增加,乳化瀝青冷再生混合料的黏附性對水泥摻量的增加不再敏感。凍融劈裂強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增大。

(4) 應(yīng)綜合考慮路用性能需求確定乳化瀝青冷再生混合料中水泥摻量,在滿足高溫性能、早期強(qiáng)度、黏附性和水穩(wěn)定性等路用性能要求的前提下,可采用較低的水泥摻量,水泥摻量不宜大于1.5%,使乳化瀝青冷再生混合料具有更優(yōu)越的抗裂性能。