水泥-乳化瀝青冷再生混合料配合比設計及其水穩定性評價

李俊曉 ，尹曉波 ，徐娟，袁健

(1.山東省海洋環境檢測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001;2.華潤水泥控股有限公司運營部，廣西 南寧 530000)

我國高等級路面結構中瀝青路面所占比例約為75%，按照每年12%的高等級公路路面需要維修來計算，每年就有約220 萬噸的瀝青回收料(recaimed asphalt pavement，RAP)產生［1］。若直接將RAP 廢棄處置，不僅會對環境造成污染，同時也是一種對資源的嚴重浪費，所以對RAP 再生技術進行研究十分必要。乳化瀝青冷再生技術是一種能夠重新利用RAP，使再生混合料具有良好的和易性且可在常溫下施工的瀝青混合料再生技術，是一種成本效益高的瀝青路面養護維修、升級方式［2-3］。目前，國內外關于乳化瀝青冷再生方面的研究進展很快，均取得了一定成果，且得到了廣泛的應用。

乳化瀝青冷再生的效果受多種因素影響，如乳化瀝青的種類及用量、混合料的級配、新集料的用量、拌和用水量、水泥的種類及用量等。本文以不同比例的RAP 與新集料進行配合，設計了3 種不同級配的乳化瀝青冷再生混合料，通過擊實試驗確定了混合料的最佳用水量，以干濕劈裂強度比為指標分別評價了水泥用量和RAP 用量對混合料水穩定性的影響，并得到了最優試驗級配。本文研究結果可為實際乳化瀝青冷再生工程配合比設計提供一定的參考。

1 原材料

乳化瀝青為自制改性陽離子乳化瀝青，各項技術指標見表1。RAP 為某廢棄瀝青路面的銑刨料，本研究僅將其看做黑色集料，RAP 中老化瀝青在冷再生過程中的機理暫不考慮。單純使用RAP 作為再生混合料集料，達不到設計的級配要求，故需要引入一定量的新集料，本研究使用的新集料有3 種，為石灰巖質，其技術指標滿足規范要求，RAP 與新集料級配見表2。水泥為華新水泥廠生產的P.O.425 普通硅酸鹽水泥，其化學成分見表3。水為一般自來水。

表1 乳化瀝青技術指標Table 1 Technical parameters of asphalt emulsion

表2 RAP 與新集料級配Table 2 Gradation of RAP and new mixture

表3 水泥化學組成Table 3 Chemical compositions of the cement

2 配合比設計

2.1 級配設計

關于冷再生混合料的級配設計，國內外規范很多，但尚無統一標準。本研究的級配設計參照了《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG F41-2008)［4］中對乳化瀝青冷再生混合料工程設計級配范圍的要求，按照不同的RAP 用量，設計了3 個級配的冷再生混合料，3 種混合料各集料質量分數為:混合料1 為25%RAP+40%1#新集料+35%2#新集料，混合料2 為50%RAP+25%1#新集料+25%2#新集料，混合料3 為75%RAP+15%1#新集料+5%2#新集料+5%3#新集料。3 個級配均滿足文獻［4］所規定的中粒式級配要求。圖1 為冷再生混合料合成級配曲線，與規范級配進行了比較。

圖1 冷再生混合料合成級配曲線Fig.1 Gradation curves of cold recycling mixtures

2.2 水泥和乳化瀝青用量

水泥在本研究中僅作為穩定劑，而不將其看做活性填料，不考慮其對混合料級配的影響。為了考察水泥摻量變化對混合料水穩定性的影響，本研究設定了5 個水平的水泥摻量，依次為RAP +新集料總質量的0%，1%，2%，3%和4%;乳化瀝青在本研究中摻量固定為RAP+新集料總質量的4.2%。

2.3 級配設計

混合料拌和均勻需要適量水分。如水分過少，則乳化瀝青難以分散、集料顆粒間潤滑不足，導致混合料難以壓實，同時水泥也不能充分水化;如水分過多，則由于動水壓力增加，也會導致混合料難以壓實，同時還會使乳化瀝青與水泥漿流失、水化物晶體發展不充分、養生時間延長、材料強度降低［5］。因此，需要通過試驗確定最佳拌和用水量。

將乳化瀝青用量固定為4.2%，參照現行《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)［6］中規定的方法，變化含水率對混合料進行擊實試驗，得到3 種混合料各自在不同水泥摻量時的最大干密度，此時混合料的含水率即為最佳含水率OWC。本試驗所用RAP 與新集料均為風干料，可認為它們含水率為0，故外加水量就等于混合料的最佳含水率OWC 與瀝青乳液所含水量的差值。表4 為通過擊實試驗求得的混合料最佳液體總量和最大干密度，并計算出了試驗時所需的實際外加水量。

從表4 可以看出，所有混合料的最大干密度均在2.00～2.20 g·cm-3之間。

表4 擊實試驗結果Table 4 Compaction test results

3 混合料水穩定性評價

3.1 試驗方法

本試驗采用15℃濕劈裂強度與干劈裂強度的比值來對混合料的水穩定性進行評價。具體試驗方法為:按配合比將混合料拌和均勻后，參照《公路的工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ 052-2000)［7］規定的方法，雙面各擊實75 次，制作標準馬歇爾試件;完成擊實后，將試樣連同試模一起側放在60℃的鼓風烘箱中養生72 h;然后將試模從烘箱中取出，側放在地面上，在室溫下冷卻20 h 后脫模。用于測定干劈裂強度的試件需先在15℃的空氣浴中放置1 d，然后進行15℃劈裂試驗;用于測定濕劈裂強度的試件需要先浸泡在25℃的恒溫水浴中23 h，再在15℃的恒溫水浴中浸泡1 h，然后取出試件進行15℃劈裂試驗。

3.2 水泥用量對混合料水穩定性的影響

圖2 反映了3 種混合料各自在不同水泥摻量下，其干劈裂強度與濕劈裂強度的變化情況。

圖2 混合料干濕劈裂強度與水泥摻量的關系Fig.2 Relationship between dry and wet splitting strength of mixtures and cement content

從圖2 可以看出，混合料3 的干劈裂強度和濕劈裂強度均隨著水泥摻量的提高而增大;當水泥摻量低于3%時，混合料1 和混合料2 的干劈裂強度和濕劈裂強度也隨著水泥摻量的提高而增大，而當水泥摻量為4%時，它們的干劈裂強度和濕劈裂強度均比3%水泥摻量時略低。

表5 為3 種冷再生混合料在不同水泥摻量時的水穩定性。從表中可以看出，對于3 種類型的混合料，其水穩定性隨著水泥摻量的提高而增加;將1%水泥摻量與0%水泥摻量兩種情況進行對比時，發現3 種混合料的水穩定性增幅分別達到了20.3%，20.8%和22.6%，水泥的加入對混合料水穩定性的提升作用十分明顯。

表5 不同水泥摻量下混合料的干濕劈裂強度比Table 5 Ratio of dry and wet splitting strength of different cement content mixtures

以水化硅酸鈣凝膠為主的水泥水化產物一方面以水泥顆粒為中心向四周空間發展，逐漸將混合料內的毛細空間填滿，從而形成均勻、密實、孔隙閉合的整體結構;另一方面水泥水化產物晶體結構也會在瀝青乳液的水相中形成和發展，與乳液破乳后放出的瀝青相互纏繞聚結，將混合料緊密結合為一個整體。在這兩方面的共同作用下，混合料的劈裂強度和水穩定性隨水泥摻量的增加而得以提高。但是水泥摻量并不是越高越好，因為水泥用量的增加會導致混合料干縮增加［8］，從而產生嚴重收縮裂縫使強度降低。這是水泥摻量為4%時，混合料2 和混合料3 的強度比3%水泥摻量時略低的原因。因此，確定本試驗最佳水泥用量為3%。

3.3 RAP 用量對混合料水穩定性的影響

選取水泥摻量為3%時，3 種混合料的干濕劈裂強度值進行比較，結果如圖3 所示。

圖3 3 種不同類型混合料干濕劈裂強度對比Fig.3 Contrast of dry and wet splitting strength of three different types of mixtures

混合料1～料3 的RAP 用量分別為25%、50%和75%，從圖3 可以看出，隨著混合料中RAP 比的增加，混合料的干、濕劈裂強度均逐漸減小;3 種混合料的干濕劈裂強度比分別為0.967，0.955，0.804，也是呈降低規律，但25%RAP 摻量的混合料水穩定性僅比50%RAP 摻量的混合料大1.2%，比75%RAP 摻量的混合料大16.3%。這是由于隨著RAP 用量的增加，混合料中石屑的含量會相對降低，從而導致集料與乳化瀝青的粘附作用減弱，使混合料的干、濕劈裂強度和水穩定性降低。由于水泥的膠結作用，RAP 摻量從25%上升到50%的過程中，混合料的干、濕劈裂強度和水穩定性降低幅度較小;當進一步增加混合料中RAP 用量時，水泥的膠結作用不足以補償因集料與乳化瀝青粘附作用減弱而損失的那部分強度，從而在宏觀上表現為混合料干、濕劈裂強度和水穩定性較大幅度的降低。

實際冷再生施工時，混合料中新集料用量越少，則材料成本越低;但RAP 用量越大，混合料的性能往往越差。綜合考慮這兩方面的因素，本試驗確定混合料2 級配為最優級配。

4 結語

(1)通過添加一定摻量和顆粒組成的新集料，與RAP 進行配合，可以設計出滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG F41-2008)工程設計級配要求的乳化瀝青冷再生混合料。

(2)水泥的加入可顯著提高乳化瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強度和水穩定性，但過高的水泥摻量會使混合料中形成嚴重收縮裂縫，反而會降低混合料的強度。

(3)隨著RAP 用量的增加，3 種混合料的干、濕劈裂強度和水穩定性均降低;但50% RAP 摻量的混合料與25% RAP 摻量的混合料相比，干、濕劈裂強度和水穩定性降低幅度較小;75% RAP 摻量的混合料與25%RAP 摻量的混合料相比，干、濕劈裂強度和水穩定性降低幅度較大。

(4)本研究最佳混合料配比為50%RAP+25%1#新集料+25%2#新集料，水泥摻量3%，乳化瀝青摻量4.2%，外加水量5.15%。最佳配合比混合料的15℃干劈裂強度為0.554 MPa，15℃濕劈裂強度為0.529 MPa，干濕劈裂強度比為0.955，均滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG F41-2008)對乳化瀝青冷再生混合料的設計技術要求。

［1］王國科，周志莉.廠拌泡沫瀝青冷再生技術在路面改造中的應用［J］.交通標準化，2010(8):112 -117.

［2］權登州，王磊，趙永波，等.乳化瀝青冷再生混合料設計方法研究［J］.中外公路，2009，29(2):228 -231.

［3］MURPHY D T，EMERY J J.Modified cold in-place asphalt recycling［J］.Transportation Research Record，1996，1545:143 -150.

［4］JTG F41-2008，公路瀝青路面再生技術規范［S］

［5］鐘夢武，吳超凡，于永生，等.摻加水泥的乳化瀝青冷再生瀝青混合料設計方法研究［J］.公路，2008(1):195 -199.

［6］JTG E51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］.

［7］JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.

［8］拾方治，馬衛民.瀝青路面再生技術手冊［M］.北京:人民交通出版社，2006.