全深式乳化瀝青冷再生混合料的性能研究

尹曉波，李俊曉

(1.華潤水泥控股有限公司運營部，廣西 南寧 530000；2.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)

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全深式乳化瀝青冷再生混合料的性能研究

尹曉波1，李俊曉2*

(1.華潤水泥控股有限公司運營部，廣西 南寧 530000；2.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)

摘要：采用水泥和乳化瀝青固化回收舊瀝青路面材料(RAP)和穩定土，制備全深式冷再生基層材料。研究了乳化瀝青摻量的變化對不同配比混合料的無側限抗壓強度和水穩定性的影響，并結合微觀測試闡述了水泥和乳化瀝青在冷再生混合料中的作用機理。結果表明，適量的乳化瀝青摻量對混合料的性能提高有益，最佳乳化瀝青摻量為3%。微觀分析表明，水泥水化產物形成的空間網絡結構與瀝青乳液破乳后形成的瀝青網絡結構相互貫穿，不可分割，把冷再生混合料緊密地結合為一個半剛性的整體，使冷再生混合料強度得以形成和發展。

關鍵詞：全深式冷再生；乳化瀝青；水泥；強度；水穩定性

我國高等級路面結構中瀝青路面所占比例約為75%，每年在路面的翻修、改建和養護的過程中，都會產生大量的廢舊瀝青混合料。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220萬噸的廢舊瀝青混合料產生，而且可以預見的是，在未來相當長的一段時期內，每年會產生更多的廢舊瀝青混合料。在許多實際工程中，廢舊的瀝青混合料往往會被廢棄處置，這不僅是一種資源的浪費，同時也會占用很多土地，并且會對環境造成污染。采用瀝青道路冷再生技術，使得舊路面的材料得到重新利用，是解決這一問題的一個有效措施，而且冷再生一般可節省總投資40%～50%[1～3]。

目前，國內外關于瀝青路面冷再生方面的研究進展很快，取得了許多成果[1-4]。但文獻資料表明[5-8]，更多的冷再生研究側重于對瀝青路面面層材料進行回收利用，即面層冷再生技術。而實際冷再生工程中，再生層往往不僅僅局限于瀝青面層，還包括非瀝青材料層，即全深式冷再生技術。因此，本文以全深式冷再生技術為切入點，系統研究了不同配合比時，乳化瀝青用于全厚度冷再生基層材料時混合料的性能，并對乳化瀝青全厚度冷再生基層材料的強度形成機理進行了探討。

1試驗

1.1原料

回收舊瀝青路面材料(RAP)取自湖北省武漢市某高速公路面層銑刨料，其中舊瀝青含量約4.0%；穩定土為跟RAP取自同一路段的基層銑刨料，RAP與穩定土的粒徑分布見圖1；乳化瀝青為自制的陽離子乳化瀝青；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1；水為一般自來水。

圖1　RAP與穩定土粒徑分布Fig.1　Particle size distribution of stabilized soil and RAP

成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OSO3燒失量質量分數/%21.734.252.6763.592.210.552.391.75

1.2配合比設計

1.2.1混合料級配設計

實際冷再生施工時，冷再生混合料中RAP與穩定土的比例隨銑刨深度的變化而不同，銑刨越深，則混合料中RAP所占比例越小，穩定土所占比例越大。為真實地模擬瀝青路面全深式冷再生工藝，冷再生混合料為RAP(R)與穩定土(S)按質量比R/S為1：1、1：2，1：4混合制備而成。三組合成級配均符合《公路路面基層施工技術規范》(JTJ 034-2000)[9]中所規定的二級及二級以下公路用作基層時水泥穩定土的顆粒組成范圍。表2為混合料合成級配，并與規范級配進行了比較。

表2　混合料合成級配

1.2.2乳化瀝青、水泥及水的用量

乳化瀝青共有5個摻量，在每組混合料中，其摻量分別為R+S總質量的0%、1.5%、3%、4.5%和6%；水泥在本研究中僅作為穩定劑[10-15]，而不將其看做活性填料，不考慮其摻量對混合料級配的影響，每組混合料的水泥摻量固定為R+S總質量的3%；用水量根據擊實試驗確定的最佳含水量添加。

1.3試件制備與試驗方法

混合料配合比確定之后，對每組混合料進行擊實試驗，確定出混合料的最佳拌合用水量，后續試驗用水量均據此添加；最佳含水量確定以后，采用靜壓法制備試件，試件尺寸為Φ×H=100 mm×100 mm。擊實試驗和試件制備均參照現行《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)[16]規定的試驗方法進行。試件成型后，將試件用塑料薄膜裹覆，置于20 ℃的恒溫養護室內，養護至規定齡期后進行相關測試。

本研究對混合料的7 d和28 d無側限抗壓強度、劈裂強度和水穩定性進行了研究，并結合微觀照片分析了乳化瀝青全厚度冷再生基層材料的強度形成機理。

2結果與討論

2.1混合料擊實特性

圖2　混合料擊實特性Fig.2　Compaction characteristics of the mixture

不同配比時混合料擊實特性(最佳含水率和最大干密度)如圖2所示。從圖2可以看出，當RAP與穩定土比例一定時，混合料最佳含水率隨著乳化瀝青用量的增加而降低，這是由于乳化瀝青中含有的水分可以為混合料提供部分拌和需水量，從而減少了外加水量；當乳化瀝青摻量一定時，混合料的最佳含水率隨RAP與穩定土質量比的降低而增加，這是由于相同質量的RAP與穩定土相比，穩定土拌和均勻所需要的用水量較多，而混合料中穩定土的質量是隨著RAP與穩定土質量比的降低而增加的，從而導致了混合料最佳含水率的增加；當乳化瀝青摻量一定時，R/S為1:1的混合料最大干密度要比R/S為1:2和1:3兩組的大，這是由于在該配合比下，顆粒級配相對更佳，擊實后更易密實，從而表現為較大的最大干密度。

2.2無側限抗壓強度

進行無側限抗壓強度試驗前，應在養生齡期的最后一天將試件置于20 ℃的恒溫水槽內浸泡24 h，然后將試件取出，吸干表面自由水，再進行抗壓強度試驗。圖3為混合料在7 d和28 d時的無側限抗壓強度。

圖3　混合料的7 d和28 d無側限抗壓強度Fig.3　Unconfined compressive strength of the mixture for 7 d and 28 d

從圖3可以看出，對于任一配比的冷再生混合料，其強度發展趨勢大致相當：當乳化瀝青摻量低于3%時，無側限抗壓強度均隨著乳化瀝青摻量的增加而增大；而當乳化瀝青摻量超過3%時，無側限抗壓強度均隨著乳化瀝青摻量的增加而顯著降低。當乳化瀝青摻量為6%時，各組混合料的28 d強度較7 d強度增長不大，僅分別增長了0.05、0.08、0.14 MPa。這是因為乳化瀝青對混合料無側限抗壓強度的形成起著正反兩方面的作用：一方面由于適量乳化瀝青的加入，破乳后的瀝青與水泥水化產物共同作用，形成相互交織的網絡結構，將RAP和穩定土顆粒包裹起來，有利于混合料抗壓強度的形成；另一方面，當混合料中乳化瀝青摻量過大時，破乳后形成的油膜會將未水化的水泥顆粒或水泥水化產物包裹住，阻礙了水泥的水化及其膠結作用的發揮，且乳化瀝青摻量越大，這種效應越明顯。

當乳化瀝青摻量固定為3%時，R/S=1:1的混合料7 d和28 d抗壓強度均較其他兩組大，分別為2.78和3.14 MPa。這是因為在該配合比下的混合料顆粒級配相對更佳，壓實后更加密實，有利于強度的發展，與擊實試驗結果相符。

2.3水穩定性

水穩定性是評價混合料路用性能的重要指標。將試件在標準狀態下養護28 d，保水24 h后再風干48 h，共經過5次干濕循環，最后保水24 h后進行抗壓試驗。對比試件則在標準狀態下養生至干濕循環結束，飽水24 h后進行抗壓試驗[17-18]。混合料的水穩定性用干濕循環試件與對比試件的抗壓強度比來表征。圖4為不同配比時混合料的水穩定性。

圖4　不同配比時混合料的水穩定性Fig.4　Water stability of the mixture for different mix ratios

從圖4可以看出，乳化瀝青的加入可顯著提高混合料的水穩定性，含乳化瀝青的混合料水穩定性均大于0.8，當乳化瀝青摻量在3%～4.5%時，混合料的水穩定性最佳。與強度發展規律不同的是，當乳化瀝青摻量大于3%時，混合料的水穩定性并不會隨乳化瀝青摻量的增加而顯著降低，且當R/S=1:1時，6%乳化瀝青摻量的混合料比4.5%的混合料水穩定性更佳。這是由于在多次干濕循環的過程中，隨著水分的滲透，混合料中被多余瀝青所包裹的水泥顆粒有一部分得以水化，對因水分侵蝕而造成的混合料強度損失起到了一定的補償作用。

3機理分析

圖5　混合料顯微形貌Fig.5　Microscopic morphology of the mixture

圖6　混合料SEM照片Fig.6　SEM photos of the mixture

冷再生混合料中的水泥水化后，水化產物以水泥顆粒為中心向四周空間發展，縱橫交錯，逐漸填充滿混合料內的所有毛細空間，從而形成均勻、密實且孔隙閉合的整體結構，增強了混合料的整體強度和抗水損害性[19]；同時，在瀝青乳液的水溶液部分，以水化硅酸鈣凝膠為主的水泥水化產生的晶體結構也會在乳液的水相中形成和發展；另一方面，混合料中的瀝青乳液因壓實揮發等原因，逐漸開始分解破乳，瀝青從乳液的水相中分離出來，形成許多微小瀝青顆粒，它們相互聚結，成為連續的整體薄膜，大部分以結構瀝青的形式粘結在礦料表面。在這幾方面的共同作用下，當兩種膠凝材料以適當的比例配合時，它們之間既相互獨立又相互貫穿，不可分割，形成兩種材料和性質均不相同的立體空間網絡，把冷再生混合料緊密地結合為一個半剛性的整體。這就是水泥乳化瀝青全厚度冷再生基層材料強度形成的原因。

圖5為R/S=1:1，乳化瀝青摻量為3%時混合料的顯微形貌，從圖中可以看出，混合料中的RAP和穩定土與乳液破乳后放出的瀝青相互裹覆，形成了一個整體。為進一步證實水泥在冷再生混合料中的作用機理，對上述混合料取樣進行SEM測試，測試結果如圖6所示。

圖6中有明顯的針狀和纖維狀凝膠，它們相互交織搭接，形成網絡結構，一方面填充了混合料內的毛細空間，另一方面也會在瀝青乳液的水相中繼續形成和發展，證實了前面對水泥在冷再生混合料中作用機理的分析。

4結語

(1)RAP與穩定土比例一定時，混合料最佳含水率隨著乳化瀝青用量的增加而降低；乳化瀝青摻量一定時，混合料最佳含水率隨著RAP與穩定土質量比的降低而增加，且R/S=1:1的冷再生混合料最大干密度較R/S為1:2和1:3兩組的大。

(2)乳化瀝青摻量為3%時，各種配比的冷再生混合料抗壓強度均最大；乳化瀝青摻量低于或高于3%時，混合料強度均相對要低。

(3)乳化瀝青的加入可顯著提高冷再生混合料的水穩定性，含乳化瀝青的冷再生混合料水穩定性均大于0.8。與強度發展規律不同的是，乳化瀝青摻量大于3%時，混合料的水穩定性并不會隨乳化瀝青摻量的增加而顯著降低。

(4)水泥水化產物形成的空間網絡結構與瀝青乳液破乳后形成的瀝青網絡結構相互貫穿，不可分割，把冷再生混合料緊密地結合為一個半剛性的整體，此即水泥乳化瀝青全厚度冷再生基層材料強度形成的原因。

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【環境與生態】

Performance of emulsified asphalt full thickness

cold recycling subgrade materials

YIN Xiao-bo1,LI Jun-xiao2*

(1.Operation Department, China Resources Cement Holdings Co.Ltd., Nanning 530000, China ;

2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Institute of

Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

Abstract∶Cement and emulsified asphalt were employed to solidify RAP and stabilized soil, which were then employed to prepare full thickness cold recycling subgrade materials.We addressed the impact of emulsified asphalt adding amount change on unconfined compressive strength, indirect tensile strength and water stability of different ratios of cold recycled mixtures.We further state the function mechanism of cement and emulsified asphalt in the mixtures via microscopic test.Results show that appropriate emulsified asphalt addition can improve the performance of cold recycled mixtures, the optimum emulsified asphalt addition of 3%.Microscopic test indicates cement hydration formed space network structure interfingers with emulsified asphalt post-emulsion formed asphalt network structure,not detachable.They closely combine the cold recycled mixtures to be a semi-rigid whole.The strength of the cold mixtures can be formed and developed.

Key words∶full thickness cold recycling; emulsified asphalt; cement; strength; water stability

中圖分類號：TU528.42

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2015)04-0065-06

通訊作者＊。Email:caike0501@163.com

作者簡介：尹曉波(1987-)，男，碩士，助理工程師，研究方向為道路工程材料、建筑工程材料。

收稿日期：2014-12-04

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.012