級(jí)配對(duì)乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響

蔣 應(yīng) 軍， 韓 占 闖

( 長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064 )

0 引 言

采用乳化瀝青冷再生混合料鋪筑道路的面層、基層能夠降低道路建設(shè)成本，易于施工，同時(shí)減少環(huán)境污染[1]．但由于乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度低、路用性能差，提高乳化瀝青冷再生混合料的路用性能對(duì)提高路面使用耐久性具有積極影響．國(guó)內(nèi)外道路科技人員在提高乳化瀝青冷再生混合料的路用性能方面展開了一系列相關(guān)研究．He研究了回收料老化程度、回收料摻量對(duì)冷再生混合料抗永久變形的影響[2]；孫巖松研究了水泥對(duì)乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響[3]；Bissada研究了泡沫瀝青和溫拌瀝青混合料的疲勞性能[4]；Ebels研究了回收料摻量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)參數(shù)的影響[5]．吳超凡等研究了回收料摻量對(duì)冷再生混合料路用性能的影響[6]；杜少文研究了水泥等外加材料對(duì)乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響[7]；郭寅川等研究了結(jié)合料種類和摻量以及齡期對(duì)冷再生混合料路用性能的影響[8]；汪德才等分析了應(yīng)力水平、水泥用量、RAP摻量、乳化瀝青類型及乳化瀝青用量等因素對(duì)冷再生混合料疲勞性能的影響[9]．上述研究成果無疑對(duì)提高冷再生混合料性能具有重要意義，然而上述研究聚焦RAP摻量與性能、黏附和剝落機(jī)理、瀝青類型、外加材料種類與摻量等因素對(duì)冷再生混合料路用性能的影響，而未見有礦料級(jí)配對(duì)乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響的相關(guān)研究．且上述研究均采用重型擊實(shí)方法與馬歇爾方法制備試件，而馬歇爾試件與路面芯樣的工程相關(guān)性不足70%[10]．本課題組采用與路面芯樣力學(xué)性能相關(guān)性可達(dá)90%以上的垂直振動(dòng)試驗(yàn)方法在水泥冷再生、二灰穩(wěn)定碎石、SRX碎石、水泥穩(wěn)定碎石等方面開展研究，并取得了一定的成果[11-13]．鑒于此，本文采用垂直振動(dòng)試驗(yàn)方法，研究礦粉、機(jī)制砂和9.5～19 mm粗集料摻量對(duì)冷再生混合料路用性能的影響，并將其應(yīng)用到試驗(yàn)段，研究成果可供工程實(shí)踐參考．

1 研究方案

1.1 原材料

(1)乳化瀝青

SBR改性乳化瀝青采用西安公路研究院產(chǎn)品，技術(shù)性質(zhì)見表1．

表1 SBR改性乳化瀝青性質(zhì)

(2)面層回收集料

面層回收集料(reclaimed asphalt pavement material，RAP)采用金華曹嶺線X115縣道AC-20回收瀝青路面材料，級(jí)配篩分結(jié)果見表2．

表2 RAP材料級(jí)配篩分結(jié)果

(3)新集料

礦粉、機(jī)制砂和9.5～19 mm粗集料采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司產(chǎn)品，其技術(shù)性質(zhì)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定的技術(shù)要求．

1.2 試驗(yàn)方案

研究礦粉摻量(wmp)對(duì)混合料路用性能的影響時(shí)所采用混合料級(jí)配見表3．試驗(yàn)時(shí)，采用內(nèi)摻法對(duì)RAP摻入不同摻量的礦粉．

研究機(jī)制砂摻量(wms)對(duì)混合料路用性能的影響時(shí)所采用混合料級(jí)配見表4．試驗(yàn)時(shí)，9.5～19 mm粗集料摻量統(tǒng)一為10%，礦粉摻量統(tǒng)一為3%，機(jī)制砂摻量逐漸變化．

研究9.5～19 mm粗集料摻量變化對(duì)混合料路用性能的影響時(shí)所采用混合料級(jí)配見表5．試驗(yàn)時(shí)，機(jī)制砂摻量統(tǒng)一為20%，礦粉摻量統(tǒng)一為3%，9.5～19 mm粗集料摻量逐漸變化．

表3 不同礦粉摻量的混合料級(jí)配

表4 不同機(jī)制砂摻量的混合料級(jí)配

表5 不同9.5～19 mm粗集料摻量的混合料級(jí)配

1.3 試驗(yàn)方法

(1)垂直振動(dòng)試驗(yàn)方法

所采用的振動(dòng)壓實(shí)儀基本參數(shù)：工作頻率35 Hz，上車系統(tǒng)質(zhì)量108 kg，下車系統(tǒng)質(zhì)量167 kg；采用垂直振動(dòng)擊實(shí)確定最大干密度和最佳含水率，振動(dòng)成型時(shí)間60 s；采用垂直振動(dòng)成型高63.5 mm、直徑100 mm試件，振動(dòng)成型時(shí)間60 s．

(2)車轍試驗(yàn)方法

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性．依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)成型尺寸為300 mm×300 mm×80 mm的車轍板，并采用《瀝青混合料車轍試驗(yàn)》(T0719—2011)進(jìn)行車轍試驗(yàn)．試驗(yàn)溫度控制在(60±0.5) ℃，試輪接地壓強(qiáng)(0.7±0.05) MPa[14]．

(3)低溫彎曲試驗(yàn)

采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)冷再生混合料的低溫抗裂性．依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)成型尺寸為300 mm×300 mm×80 mm的車轍板，將車轍板切成尺寸為250 mm×40 mm×40 mm的棱柱體小梁試件，并采用《瀝青混合料彎曲試驗(yàn)》(T0715—2011)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)．試驗(yàn)溫度控制在(-10±0.5) ℃，加載速率為50 mm/min．

(4)水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法

乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性可采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的凍融劈裂試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)來進(jìn)行評(píng)價(jià)．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 礦粉摻量的影響

(1)配合比

垂直振動(dòng)試驗(yàn)方法確定的不同礦粉摻量下乳化瀝青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化瀝青用量見表6．試驗(yàn)時(shí)乳化瀝青用量為4%，混合料級(jí)配見表3．

表6 不同礦粉摻量的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化瀝青用量

Tab.6 Maximum dry density, optimum moisture content and optimum emulsified asphalt content with different mineral powder contents

礦粉摻量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%最佳乳化瀝青用量/%0123452.1772.1832.1912.2012.2072.2123.73.83.94.14.24.23.83.94.04.14.24.3

(2)水穩(wěn)定性

礦粉摻量對(duì)冷再生混合料凍融劈裂試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)影響見圖1．

由圖1可知，隨礦粉摻量增加，凍融劈裂強(qiáng)度比R、殘留穩(wěn)定度S呈拋物線變化趨勢(shì)；當(dāng)?shù)V粉摻量為3%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度達(dá)到峰值，與不摻礦粉相比，水穩(wěn)定性略有提高，不超過2%．因此，摻礦粉對(duì)提高乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性效果不明顯．

(3)高溫穩(wěn)定性

礦粉摻量對(duì)冷再生混合料車轍試驗(yàn)影響見圖2，其中Sd表示動(dòng)穩(wěn)定度．

由圖2可知，冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨礦粉摻量的增加而逐漸升高；與不摻礦粉相比，摻3%礦粉冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了41%，當(dāng)?shù)V粉摻量超過3%時(shí)，冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)速率逐漸減緩．因此基于冷再生混合料高溫性能，兼顧經(jīng)濟(jì)性，建議礦粉摻量為3%．

(a) 凍融劈裂強(qiáng)度比

(b) 殘留穩(wěn)定度

圖1 水穩(wěn)定性隨礦粉摻量變化

Fig.1 Variation of water stability with mineral powder content

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度隨礦粉摻量變化

(4)低溫抗裂性

礦粉摻量對(duì)冷再生混合料低溫彎曲試驗(yàn)影響見圖3．

由圖3可知，隨礦粉摻量增加，冷再生混合料彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變不斷增大；當(dāng)?shù)V粉摻量超過3%后，彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)相對(duì)緩慢；礦粉摻量3%時(shí)，與不摻礦粉相比，彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變可分別提高4%和1%．可見，摻礦粉有利于改善冷再生混合料低溫性能，但效果不明顯．

綜上所述，建議乳化瀝青冷再生混合料中礦粉摻量為3%．

(a) 彎拉強(qiáng)度

(b) 彎拉應(yīng)變

圖3 彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變隨礦粉摻量變化

Fig.3 Variation of bending strength and bending strain >with mineral powder content

2.2 機(jī)制砂摻量的影響

(1)配合比

垂直振動(dòng)試驗(yàn)方法確定的不同機(jī)制砂摻量下乳化瀝青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化瀝青用量見表7．試驗(yàn)時(shí)乳化瀝青用量為4%，混合料級(jí)配見表4．

表7 不同機(jī)制砂摻量的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化瀝青用量

Tab.7 Maximum dry density, optimum moisture content and optimum emulsified asphalt content with different mechanism sand contents

級(jí)配編號(hào)最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%最佳乳化瀝青用量/%iiiiiiivv2.1772.1992.2412.2182.2013.73.83.94.04.23.83.93.94.14.2

(2)水穩(wěn)定性

機(jī)制砂摻量對(duì)冷再生混合料凍融劈裂試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)影響見圖4．

(a) 冰融劈裂強(qiáng)度比

(b) 殘留穩(wěn)定度

圖4 水穩(wěn)定性隨機(jī)制砂摻量變化

Fig.4 Variation of water stability with mechanism sand content

由圖4可知,隨機(jī)制砂摻量增加，凍融劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度呈拋物線變化趨勢(shì)；當(dāng)機(jī)制砂摻量為20%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度達(dá)到峰值，與不摻新集料相比，凍融劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度分別提高10%和5%．因此，基于冷再生混合料水穩(wěn)定性，建議機(jī)制砂摻量為20%．

(3)高溫穩(wěn)定性

機(jī)制砂摻量對(duì)冷再生混合料車轍試驗(yàn)影響見表8．

表8 機(jī)制砂摻量對(duì)冷再生混合料高溫穩(wěn)定性影響

Tab.8 Influence of mechanism sand content on high temperature stability of cold regenerated mixture

級(jí)配類型動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)值iiiiiiivv1 6001 7682 4622 4072 1481.001.111.541.511.34

由表8可知，9.5～19 mm粗集料摻量10%、礦粉摻量3%時(shí)，乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨機(jī)制砂摻量的增加先增大后減?。@是因?yàn)镽AP材料中2.36 mm以下集料較少，不足以使混合料填充密實(shí)，隨機(jī)制砂摻入，試件逐漸趨于密實(shí)，高溫抗車轍性能得以提高；當(dāng)機(jī)制砂摻量過多時(shí)，則形成干涉作用破壞骨架結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為抗車轍性能下降．機(jī)制砂摻量為20%時(shí)，乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值，動(dòng)穩(wěn)定度與不摻新集料相比提高了54%．因此，基于冷再生混合料高溫穩(wěn)定性，建議機(jī)制砂摻量為20%．

(4)低溫抗裂性

機(jī)制砂摻量對(duì)冷再生混合料低溫彎曲試驗(yàn)影響見表9．

表9 機(jī)制砂摻量對(duì)冷再生混合料低溫彎曲性能影響

Tab.9 Influence of mechanism sand content on low temperature bending performance of cold regenerated mixture

級(jí)配類型彎拉強(qiáng)度彎拉應(yīng)變絕對(duì)值/MPa相對(duì)值絕對(duì)值/10-6相對(duì)值i3.431.001 8211.00ii3.551.031 8471.01iii3.891.131 8831.03iv3.701.081 8141.00v3.120.911 7800.98

由表9可知，9.5～19 mm粗集料摻量10%、礦粉摻量3%時(shí)，隨機(jī)制砂摻量增加，冷再生混合料彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變先增大后減??；當(dāng)機(jī)制砂摻量為20%時(shí)，彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變達(dá)到峰值，與不摻新集料相比，彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變分別可提高13%和3%．因此，基于冷再生混合料低溫性能，建議機(jī)制砂摻量為20%．

綜上所述，建議乳化瀝青冷再生混合料中機(jī)制砂摻量為20%．

2.3 9.5～19 mm粗集料摻量的影響

(1)配合比

垂直振動(dòng)試驗(yàn)方法確定的不同9.5～19 mm粗集料摻量下乳化瀝青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化瀝青用量見表10．試驗(yàn)時(shí)乳化瀝青用量為4%，混合料級(jí)配見表5．

(2)水穩(wěn)定性

9.5～19 mm粗集料摻量對(duì)冷再生混合料凍融劈裂試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)影響見表11．

由表11可知，隨9.5～19 mm粗集料摻量的增加，殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比呈拋物線變化趨勢(shì)；當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量為10%～30%時(shí)，與不摻新集料相比，殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高5%～6%和7%～11%；當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量為30%時(shí)，水穩(wěn)定性達(dá)到峰值；當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量大于30%時(shí)，隨著粗集料摻量增加，混合料空隙率尤其是開口孔隙逐漸增大，水分易進(jìn)入試件內(nèi)部導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性下降．因此，基于冷再生混合料水穩(wěn)定性，建議9.5～19 mm粗集料摻量為10%～30%．

表10 不同9.5～19 mm粗集料摻量的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化瀝青用量

Tab.10 Maximum dry density, optimum moisture content and optimum emulsified asphalt content with different 9.5-19 mm coarse aggregate contents

級(jí)配類型最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%最佳乳化瀝青用量/%ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ2.1772.1982.2412.2672.2862.2832.2713.73.93.93.83.73.63.43.84.03.93.83.73.63.5

表11 不同9.5～19 mm粗集料摻量混合料殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比

Tab.11 The residual stability and freeze-thaw cleavage strength ratio of mixtures with different 9.5-19 mm coarse aggregate contents

級(jí)配類型殘留穩(wěn)定度凍融劈裂強(qiáng)度比絕對(duì)值/%相對(duì)值絕對(duì)值/%相對(duì)值Ⅰ89.41.0068.01.00Ⅱ92.01.0371.71.05Ⅲ93.81.0572.91.07Ⅳ94.51.0675.41.11Ⅴ94.61.0675.81.11Ⅵ93.41.0471.91.06Ⅶ92.51.0357.10.84

(3)高溫穩(wěn)定性

9.5～19 mm粗集料摻量對(duì)冷再生混合料車轍試驗(yàn)影響見表12．

由表12可知，當(dāng)機(jī)制砂摻量20%、礦粉摻量3%時(shí)，隨9.5～19 mm粗集料摻量增加，乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小，這是因?yàn)镽AP材料中13.2 mm以上集料不足20%，

表12 9.5～19 mm粗集料摻量對(duì)冷再生混合料高溫穩(wěn)定性影響

Tab.12 Influence of 9.5-19 mm coarse aggregate content on high temperature stability of cold regenerated mixture

級(jí)配類型動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)值ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ9811 5382 4622 8453 0252 8712 7161.001.572.512.903.082.932.77

難以形成骨架結(jié)構(gòu)，隨9.5～19 mm粗集料摻入，試件骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成，高溫抗車轍性能得以提高；當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量過多時(shí)，則形成骨架空隙結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為抗車轍性能下降；當(dāng)9.5～19 mm 粗集料摻量為10%～40%時(shí)，冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與不摻粗集料時(shí)相比可提高60%～97%，與不摻新集料相比，冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高了151%～208%，其中，當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量為30%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到峰值．因此，基于冷再生混合料高溫性能，兼顧經(jīng)濟(jì)性，建議9.5～19 mm粗集料摻量為10%～30%．

(4)低溫抗裂性

9.5～19 mm粗集料摻量對(duì)冷再生混合料低溫彎曲試驗(yàn)影響見表13．

表13 9.5～19 mm粗集料摻量對(duì)冷再生混合料低溫彎曲性能影響

Tab.13 Influence of 9.5-19 mm coarse aggregate content on low temperature bending performance of cold regenerated mixture

級(jí)配類型彎拉強(qiáng)度彎拉應(yīng)變絕對(duì)值/MPa相對(duì)值絕對(duì)值/10-6相對(duì)值Ⅰ3.17-1 786-Ⅱ3.761.001 8561.00Ⅲ3.891.031 8831.01Ⅳ3.851.021 8410.99Ⅴ3.530.941 8150.98Ⅵ3.120.831 7720.95Ⅶ2.910.771 7040.92

由表13可知，機(jī)制砂摻量20%、礦粉摻量3%時(shí)，隨9.5～19 mm粗集料摻量增加，乳化瀝青冷再生混合料彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變先增大后減?。?.5～19 mm粗集料對(duì)冷再生混合料彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變影響總體上并不明顯；當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量超過30%后，冷再生混合料彎拉強(qiáng)度下降較多．因此，基于冷再生混合料低溫性能，建議9.5～19 mm粗集料摻量不宜超過30%．

綜上，考慮冷再生混合料路用性能，建議9.5～19 mm粗集料摻量為10%～30%．

3 級(jí)配優(yōu)選

基于冷再生混合料路用性能，兼顧經(jīng)濟(jì)性，提出乳化瀝青冷再生混合料級(jí)配，見表14．

表14 不同材料組成冷再生混合料級(jí)配

4 結(jié) 論

(1)礦粉對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性沒有明顯影響；礦粉摻量為3%時(shí)，與不摻礦粉相比，乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度可提高41%．

(2)機(jī)制砂摻量為20%時(shí)，與不摻機(jī)制砂相比，凍融劈裂強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度、彎拉強(qiáng)度可分別提高10%、54%、19%．

(3)9.5～19 mm粗集料對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性能沒有明顯影響，與不摻新集料相比，9.5～19 mm粗集料摻量為10%～30%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度可分別提高7%～11%、151%～208%．

(4)以路用性能最優(yōu)為原則，兼顧經(jīng)濟(jì)性，綜合分析冷再生混合料水穩(wěn)定性，高、低溫性能，優(yōu)先推薦冷再生混合料中9.5～19 mm粗集料摻量為10%～30%、機(jī)制砂摻量為20%、礦粉摻量為3%．