泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的剪切性能

王 燕

(西安思源學院城市建設學院，陜西西安 710038)

泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的剪切性能

王 燕

(西安思源學院城市建設學院，陜西西安 710038)

為了檢驗泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切性能，采用簡易三軸試驗模擬路面內部瀝青冷再生混合料的受力狀態，分析瀝青結合料的種類和摻量、試驗級配、水泥摻量、RAP摻配比例對混合料抗剪切強度的影響。結果表明:泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料具有較大的內摩擦角和較小的黏聚力;泡沫(乳化)瀝青最佳用量可采用簡易三軸試驗剪切強度峰值確定。

泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料;簡易三軸試驗;剪切強度;機理分析

1 原材料與試驗方法

1．1 試驗原材料及試件制備

試驗選擇中粒式泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料級配，RAP來源于施工現場，粗集料為石灰巖，細集料為石灰巖機制砂。經檢測，RAP和新集料各項性能指標均滿足《瀝青路面再生技術規范》(JTG F41—2008)的要求。基質瀝青采用SK90 A級道路石油瀝青，選用工程中使用的阿克蘇慢裂慢凝陽離子乳化劑，在室內以小型膠體磨自制乳化瀝青，并采用維特根WLB110S泡沫瀝青發泡機生產泡沫瀝青，兼顧膨脹率和半衰期2個指標，確定最佳發泡溫度為160℃，最佳發泡用水量為2．0%，在最佳發泡條件下泡沫瀝青的膨脹率為25倍，半衰期為21 s。泡沫(乳化)瀝青的技術指標滿足規范要求。水泥采用P·O32．5普通硅酸鹽水泥，試驗時根據不同試驗目的調整水泥摻量。每種瀝青結合料選擇5個級配，混合料合成級配見表1。泡沫瀝青冷再生混合料合成級配分別記為FAGP1、FAGP2、FAGP3、FAGP4、FAGP5，乳化瀝青冷再生混合料合成級配分別記為 EAGP1、EAGP2、EAGP3、EAGP4、EAGP5，室內試驗選擇的 5種混合料級配涵蓋了工程中常用的級配范圍和級配類型，具有一定的代表性。采用修正馬歇爾法確定1．5%水泥摻量、80%RAP摻配比例下泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的配合比設計結果，見表2。根據TMTS配套的磨具尺寸，以馬歇爾標準密度為基準，成型高150 mm、直徑為150 mm的圓柱體試件，40℃養生3 d后備用。

表1 泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料試驗級配%

表2 泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料配合比設計結果

1．2 試驗目的與方案

對比泡沫和乳化瀝青冷再生混合料抗剪切性能，研究泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料對混合料級配變化的敏感性，每個瀝青膠結料選擇5個中粒式合成級配，研究細集料含量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度的影響;變化4種水泥摻量(0、1%、1.5%、2%、2．5%)和 5 種泡沫(乳化)瀝青摻量(2.5%、3%、3.5%、4．0%、4．5%)，研究水泥和泡沫(乳化)瀝青摻量對冷再生混合料強度的影響;變化4種RAP摻量(70%、80%、90%、100%)，研究 RAP摻量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度的影響;基于SEM技術研究水泥水化產物、水泥泡沫(乳化)瀝青膠漿共混物相互作用機理。

1．3 簡易三軸試驗加載原理

三軸試驗溫度采用25℃，加載速率為1 mm·min－1，三軸試驗加載見圖1，試驗結果見圖2。圖1、2中:τf為抗剪切強度;c為黏聚力;σ為作用于破壞面的正應力。

圖1 簡易三軸試驗加載

2 泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度影響因素分析

2．1 級配對冷再生混合料強度的影響對比

2．1．1 泡沫與乳化瀝青冷再生混合料強度對比

圖2 簡易三軸試驗結果

為了對比泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料強度差異，采用表1所示的10種級配泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料在最佳瀝青結合料用量下進行抗剪切強度試驗，結果如圖3所示。

圖3 不同級配泡沫、乳化瀝青冷再生混合料剪切強度對比

圖3表明:泡沫瀝青冷再生混合料三軸試驗的內摩擦角為 42.6°～53.4°，黏聚力為 94.4～120 kPa;乳化瀝青冷再生混合料三軸試驗的內摩擦角為 41.8°～52．4°，黏聚力為 91.2～148.2 kPa。相比而言，泡沫瀝青冷再生混合料具有較大的內摩擦角，而乳化瀝青冷再生混合料具有較大的黏聚力。分析其原因為:泡沫瀝青冷再生混合料內摩擦角與混合料級配組成和泡沫瀝青“點焊狀”接觸有關，泡沫瀝青在集料表面并未形成瀝青膜，而是呈點、片狀分布，受剪切時泡沫瀝青冷再生混合料主要克服泡沫瀝青砂漿內部的黏結失效破壞，集料與泡沫瀝青砂漿之間缺少泡沫瀝青的“潤滑”作用，故呈現出較大的內摩擦角;乳化瀝青冷再生混合料中的乳化瀝青蒸發殘留物在集料表面和瀝青砂漿內部均形成了一定厚度的瀝青膜，相比而言，瀝青砂漿與集料之間的黏附性比較牢固，其剪切強度由瀝青與集料之間的黏附作用和瀝青砂漿之間黏結作用共同承擔，剪切作用時由于瀝青的“潤滑”作用，混合料內部更易于產生瀝青與集料之間的黏附失效破壞［9-13］。

2．1．2 不同級配泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度特性

對比圖4不同級配泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料內摩擦角和黏聚力可以發現:對于泡沫瀝青冷再生混合料，0．075mm篩孔通過百分率越大，泡沫瀝青冷再生混合料受剪切破壞時的內摩擦角和黏聚力就越大，相關系數R2＞0.90，相關性顯著;對于乳化瀝青冷再生混合料，4．75、0．3 mm 篩孔通過百分率與混合料內摩擦角和黏聚力呈二次函數關系(圖5)，相關系數R2＞0.85，相關性顯著。工程實踐中，為增大泡沫瀝青冷再生混合料的抗剪切強度，可調整0.075 mm篩孔的通過百分率;為提高乳化瀝青冷再生混合料的強度，可增大4.75 mm和0.3 mm篩孔的通過百分率。

圖4 泡沫瀝青冷再生混合料0.075 mm篩孔通過百分率與內摩擦角和黏聚力的關系

2．2 泡沫與乳化瀝青冷再生混合料強度影響因素

2．2．1 泡沫(乳化)瀝青用量的影響

《瀝青路面再生技術規范》(JTG F41—2008)以

圖5 乳化瀝青冷再生混合料4.75、0.3 mm篩孔通過百分率與內摩擦角和黏聚力的關系

干劈裂強度峰值確定泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的最佳瀝青用量。本文基于簡易三軸試驗探討泡沫(乳化)瀝青用量對冷再生混合料抗剪切強度的影響，以驗證中國現行規范“修正馬歇爾”法確定最佳瀝青用量的合理性，試驗結果見圖6。

圖6 不同瀝青結合料摻量的冷再生混合料的抗剪切強度

由圖6可知，泡沫(乳化)瀝青用量對冷再生混合料抗剪切強度有顯著影響，隨著泡沫(乳化)瀝青用量增大，抗剪切強度、內摩擦角、黏聚力均呈先增大后減小的變化趨勢，可見以簡易三軸抗剪切強度峰值確定泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的最佳泡沫瀝青用量是可行的［14-15］。

2．2．2 水泥摻量的影響

為了研究水泥摻量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度的影響，試驗選擇FAGP1和EAGP4兩種級配，固定RAP摻量為80%，變化4種瀝青結合料用量和5種水泥摻量進行簡易三軸試驗，結果見表3。

由表3可知，相同泡沫瀝青用量下，隨著水泥摻量增大，泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強度、內摩擦角、黏聚力均呈增大趨勢;相比不摻加水泥，摻加1%水泥時可顯著增大泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的抗剪切強度;摻加1%～2.5%水泥，隨著水泥摻量增大泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強度雖呈增大趨勢，但增加幅度較為緩慢;從工程經濟性考慮，適宜的水泥摻量為1.0%～2%。方差分析結果表明:水泥作為冷再生混合料次級結合料，其摻量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的抗剪切強度、內摩擦角、黏聚力均有顯著影響;泡沫(乳化)瀝青用量小于最佳瀝青用量時，增大水泥摻量對冷再生混合料內摩擦角和黏聚力的提高較為明顯，對抗剪切強度較小的冷再生混合料，增大水泥摻量可顯著提高其混合料內部的黏聚力和內摩擦角［16-17］。

2．2．3 RAP 摻量的影響

RAP摻量對冷再生混合料節能減排效果和工程的經濟性有重要影響。試驗選擇FAGP1和EAGP4兩種級配，在最佳泡沫(乳化)瀝青用量下，固定水泥摻量為1．5%，變化4種RAP摻量進行強度試驗，結果見圖7。

由圖7可知，隨著RAP摻量增大，泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強度、內摩擦角、黏聚力均呈下降趨勢。方差分析結果表明，RAP摻量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強度、內摩擦角、黏聚力的影響不顯著。相比不摻加RAP，摻加70%RAP后FAGP1和EAGP4的抗剪切強度、內摩擦角、黏聚力分別下降了 5.0%、0．76%、5.3% 和9.1%、6.23%、7.79%。在70%～90%RAP摻量范圍內，增大RAP摻量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度影響不大。分析其原因為:集料與瀝青結合料常溫下為冷接觸，并未激發RAP表面老化瀝青的活性，泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料中的RAP只被當作“黑色集料”對待［18-19］。

3 影響泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度的機理

為探究瀝青結合料和水泥摻量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度的影響機理，采用SEM掃描電鏡試驗、IPP數字圖像處理技術，從細微觀角度對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料剪切破壞界面進行研究。

由SEM圖像對比可知:不摻加水泥，圓柱體試件破壞界面的泡沫瀝青膠漿將部分填料包裹，接觸面較為平滑，瀝青膠漿中有較多的空隙，這主要是冷再生混合料內部水揮發造成的;摻加水泥后，水泥水化產物鈣礬石集料表面形成了凹凸不平的“褶皺”，加上水泥水化后在混合料內部提供了堿性環境，彌補了泡沫(乳化)瀝青集料-瀝青膠漿冷接觸界面強度低的缺陷，更有利于增強瀝青膠漿與集料之間的界面黏附強度和泡沫(乳化)瀝青膠漿內部的黏結強度［20］。此外，水泥水化產物在泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料中起到次級結合料作用的同時，與瀝青結合料相互包裹、交織、穿插，還起到了“加筋”作用，有效地將水揮發后殘留的空隙填充、分割，減小了微觀空隙結構中的大空隙，改變了泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料內部的細微觀空隙結構［21］。水泥水化產物“刺入”泡沫瀝青膠漿和集料的紋理中，改善了冷再生混合料內部的黏附強度和黏結強度，從而提高了泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的內摩擦角和黏聚力。

表3 不同水泥摻量的冷再生混合料簡易三軸試驗結果

分析泡沫(乳化)瀝青用量對冷再生混合料強度的影響:泡沫瀝青獨特的“點焊”狀分布特性決定了泡沫瀝青冷再生混合料強度的形成機理與乳化瀝青冷再生混合料有所不同，增加泡沫瀝青用量，泡沫瀝青在混合料內部“點焊”狀分布更密集，瀝青所形成的膠結面更多，泡沫瀝青膠漿內部相互的黏結強度更大;同時，增大泡沫瀝青用量即增大了泡沫瀝青與集料界面接觸點的個數，瀝青與集料之間的黏附效果更加明顯，表現為增大泡沫瀝青用量后混合料黏聚力增大［22］。圓柱體試件破壞界面泡沫瀝青所占面積百分比與泡沫瀝青冷再生混合料抗剪切強度之間的關系如圖8所示。由圖8可知:增大泡沫瀝青用量后，抗剪切強度呈先增大后減小的趨勢;當抗剪

圖7 不同RAP摻量泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料簡易三軸試驗結果

強度達到峰值后，進一步增大泡沫瀝青用量并不能提高泡沫瀝青冷再生混合料的黏聚力，反而將已經形成穩定結構的泡沫瀝青砂漿“稀釋”，形成自由瀝青，降低了泡沫瀝青冷再生混合料瀝青與集料之間的黏附強度和泡沫瀝青砂漿自身的黏結強度，在外界荷載作用時，這部分自由瀝青反而起到了“潤滑”作用，更易于發生黏附失效和黏結失效現象。

4 結 語

(1)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料三軸試驗的

圖8 剪切破壞界面泡沫瀝青分布面積與混合料抗剪強度的關系

內摩擦角在40°～55°之間，黏聚力為100～150 kPa，泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料抗剪切性能相差不大，泡沫瀝青冷再生混合料具有較大的內摩擦角和較小的黏聚力。

(2)級配對泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料抗剪切強度有顯著影響，泡沫瀝青冷再生混合料抗剪切強度與0.075 mm篩孔通過百分率呈正線性關系，乳化瀝青冷再生混合料抗剪切強度與4.75、0.3 mm篩孔通過率呈二次函數關系。

(3)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料剪切強度隨瀝青結合料用量的增加呈先增大后減小的變化趨勢，適當提高水泥摻量可顯著改善泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的抗剪切強度，建議水泥摻量取1%～2．0%。泡沫(乳化)瀝青用量對冷再生混合料抗剪切強度有顯著影響，隨著泡沫(乳化)瀝青用量增大，抗剪切強度、內摩擦角、黏聚力均呈先增大后減小的變化趨勢，可見以簡易三軸抗剪切強度峰值確定泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的最佳泡沫瀝青用量是可行的。

(4)水泥對冷再生混合料強度的影響機理在于，水泥水化產物在泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料中起到了次級結合料的作用，水泥水化產物與瀝青結合料相互包裹、交織、穿插，起到了“加筋”作用，有效地將水揮發后殘留的空隙填充、分割，減小了微觀空隙結構中的大空隙，改變了泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料內部的細微觀空隙結構，彌補了冷再生混合料界面強度低的缺陷。

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Shear Properties of Cold Recycled Foamed(Emulsified)Asphalt Mixture

WANG Yan
(School of Urban Construction，Xi'an Siyuan University，Xi'an 710038，Shaanxi，China)

In order to examine the shear strength of cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture，the simple triaxial test was used to simulate the stress state of the cold recycled asphalt mixture under the pavement，the effects of different types and contents of asphalt binder，trial gradations，content of cement and the blending ratio of RAP on the shear strength of the mixture were analyzed．The results show that the cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture has a bigger internal friction angle and a smaller cohesion;the optimum amount of foamed(emulsified)asphalt can be determined by the peak of shear strength obtained from a simple triaxial test．

cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture;simple triaxial test;shear strength;mechanism analysis

U414

B

1000-033X(2017)09-0081-08

0 引 言

泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料是由泡沫(乳化)瀝青結合料、新集料、RAP、活性填料及水組成的熱力學不相容的懸浮空隙結構［1-4］。通常用來表征泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強度特性的試驗方法包括控制應力(應變)拉伸彎曲試驗、等加載速率劈裂試驗、無側限抗壓強度試驗以及考慮圍壓的三軸試驗［5-6］。在實際使用過程中，由于路面結構各面層處于拉、壓、彎三向復雜應力狀態，既有的試驗條件所模擬的混合料受力狀態與實際路面情況不完全相符，并不能完全反映瀝青混合料所處的應力-應變狀態［7-8］。三軸試驗機(Triaxiai Material Testing System，TMTS)是南非斯坦陵布什大學自主研發的，該儀器是南非TG2泡沫瀝青冷再生混合料國家規范配合比設計采用的標準試驗儀器，美國瀝青路面再生技術協會也研究了TMTS用于冷再生混合料檢測的技術可行性，并建議將泡沫(乳化)瀝青混合料的抗剪切指標作為確定冷再生混合料最佳泡沫(乳化)瀝青用量的設計控制指標。

本文以南非生產的TMTS為試驗研究平臺，探討泡沫(乳化)瀝青結合料種類和用量、試驗級配、RAP摻配比例、水泥摻量對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切性能、內摩擦角、黏結力的影響，進而揭示以上各種因素對泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料剪切性能的影響機理，為冷再生混合料的工程應用提供理論參考。

2017-01-30

國家自然科學基金項目(51462018)

王 燕(1982-)，女，陜西西安人，講師，碩士，研究方向為建筑材料及施工技術。

［責任編輯:高 甜］