乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試件成型方式優(yōu)化

張 亞

(山東省路橋集團(tuán)有限公司 濟(jì)南市 250001)

0 引言

乳化瀝青冷再生技術(shù)因其節(jié)能環(huán)保、降低施工成本等優(yōu)點(diǎn)，目前在我國(guó)各等級(jí)公路以及城鎮(zhèn)道路中逐步推廣應(yīng)用[1]。但是，在乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)方法方面，我國(guó)馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法尚不成熟，在試件的成型方式上尚存爭(zhēng)議，規(guī)范推薦的 “50+25”的“二次”乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試件成型方式，即首次雙面擊實(shí)混合料50次，經(jīng)60℃高溫養(yǎng)生至恒重，然后再擊實(shí)25次的成型方式，因在60℃高溫環(huán)境中養(yǎng)生，水分蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致試件體積膨脹，而養(yǎng)生結(jié)束后進(jìn)行第二次擊實(shí)可以消除這部分體積膨脹，提高混合料的密實(shí)度[2]。然而，一部分研究者認(rèn)為[3-4]，經(jīng)60℃高溫養(yǎng)生后，冷再生混合料中水分已蒸發(fā)殆盡，乳化瀝青已完全破乳，且水泥水化作用也已停止，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，若此時(shí)進(jìn)行第二次擊實(shí)，可能會(huì)破壞試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響冷再生混合料強(qiáng)度，對(duì)“兩次”擊實(shí)成型方式持反對(duì)態(tài)度。鄭南翔[5]利用CT技術(shù)和圖像處理技術(shù)分析了“一次”擊實(shí)和“二次”擊實(shí)的乳化瀝青冷再生混合料細(xì)觀空隙分布特征，證明了“二次”擊實(shí)的混合料具有較好的性能。王衛(wèi)彬[6]研究表明第二次擊實(shí)次數(shù)過多并不利于降低試件空隙率，提高試件強(qiáng)度，反而會(huì)對(duì)試件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

綜上所述，與“一次”擊實(shí)成型方式相比，“二次”擊實(shí)成型方式能夠獲得較好的性能，但對(duì)合理的第二次擊實(shí)時(shí)間及擊實(shí)搭配方式研究較少。為此，依據(jù)乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試件失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律，確定合理的第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)及擊實(shí)搭配方式，研究成果為乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)選擇合理的馬歇爾擊實(shí)成型方式提供了參考依據(jù)。

1 原材料

乳化瀝青為山東省路橋集團(tuán)有限公司提供的SBS改性乳化瀝青，新集料為石灰?guī)r，水泥為P·O42.5硅酸鹽水泥，水為實(shí)驗(yàn)室自來水，依據(jù)規(guī)范要求對(duì)乳化瀝青、石灰?guī)r以及水泥的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果均滿足要求。試驗(yàn)用RAP料源為某道路面層的銑刨料，經(jīng)篩分發(fā)現(xiàn)，RAP料中粗集料較少，不滿足再生規(guī)范中AC-20級(jí)配范圍的要求，通過在RAP中摻入10%、20%、30%、40%比例的新集料，設(shè)計(jì)出四種合成級(jí)配的冷再生混合料，將10%、20%、30%、40%四種不同新集料摻量的冷再生混合料簡(jiǎn)稱為XL10、XL20、XL30、XL40。四種冷再生混合料合成級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 冷再生混合料級(jí)配曲線

2 最佳含水率的確定

依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，針對(duì)XL10、XL20、XL30、XL40四種冷再生混合料，固定乳化瀝青用量5%，分別采用0%、1%、1.5%、2%、2.5%五種水泥劑量，在不同外摻水量下進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定出不同級(jí)配不同水泥劑量下的最大干密度和最佳含水率，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 最佳含水率

圖3 最大干密度

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明：冷再生混合料的最大干密度和最佳含水率與新集料摻量和水泥劑量有近似線型相關(guān)性，即隨著水泥劑量和新集料的增加，最大干密度和最佳含水率逐漸增大。原因在于：隨水泥劑量的增加，水泥水化反應(yīng)需水量逐漸增多，導(dǎo)致再生混合料最佳含水率逐漸增加，而水化產(chǎn)物也隨著水泥劑量增加逐漸增多，水化產(chǎn)物能夠填充乳化瀝青破乳而產(chǎn)生的空隙也越多，混合料越密實(shí)，故而干密度越大。

3 馬歇爾成型方式優(yōu)化

添加水泥的乳化瀝青冷再生混合料其強(qiáng)度形成的過程實(shí)際上是乳化瀝青破乳、水泥水化的過程，這兩個(gè)過程均伴隨著水分的散失，而水分的散失會(huì)導(dǎo)致混合料體積的膨脹。所以水分散失的多少代表著乳化瀝青破乳的程度以及水泥水化的程度，進(jìn)而決定著冷再生混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度[7]，同時(shí)也間接地代表著試件體積膨脹的大小。因此，可能存在一個(gè)合理的第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)及一個(gè)合理的擊實(shí)次數(shù)，在這一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行合理次數(shù)的第二次擊實(shí)，既可以有效降低試件空隙率，提高試件強(qiáng)度，又可以降低第二次擊實(shí)對(duì)試件性能產(chǎn)生的負(fù)面影響，從而使得成型后的試件性能達(dá)到最佳。

為此，研究根據(jù)乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度形成特點(diǎn)，從冷再生混合料養(yǎng)生過程中的失水規(guī)律入手，研究第一次擊實(shí)完成后試件在60℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生過程中的失水率特點(diǎn)。考慮到水泥劑量及擊實(shí)次數(shù)可能對(duì)試件失水率產(chǎn)生影響，分別研究了不同水泥劑量及不同擊實(shí)次數(shù)下試件失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律。

3.1 馬歇爾試件失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律

3.1.1不同水泥劑量下試件失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律

采用XL40料，固定乳化瀝青用量為5%，分別采用1%、1.5%、2%、2.5%四種水泥劑量，在最佳含水率條件下，首先將冷再生混合料在馬歇爾擊實(shí)儀上雙面擊實(shí)50次，各水泥劑量下的平行試件為3個(gè)，然后按照上述試驗(yàn)方法檢測(cè)試件的失水量情況。不同水泥劑量下試件失水率檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，在接近48h，試件的分計(jì)失水率為0.02%左右，幾乎為零。因此，研究將試件的總養(yǎng)生時(shí)間定為48h。

由圖4(a)可知，四種水泥劑量下試件的累計(jì)失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。在前4個(gè)小時(shí)，四種水泥劑量下試件的累計(jì)失水率幾乎呈直線快速增長(zhǎng)，試件養(yǎng)生4個(gè)小時(shí)，試件的累計(jì)失水率便達(dá)到54%～60%；從4～9h，試件的累計(jì)失水率增速明顯降低，9h試件的累計(jì)失水率達(dá)到了71%～74%；在之后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，試件的累計(jì)失水率增速并無明顯變化；養(yǎng)生至48h，試件累計(jì)失水率幾乎不再增加，達(dá)到了100%，試件內(nèi)部水分完全散失。圖4(b)表明四種水泥劑量下冷再生混合料馬歇爾試件的分計(jì)失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，四種水泥劑量的冷再生混合料試件的分計(jì)失水率呈現(xiàn)先達(dá)到一個(gè)峰值，然后迅速降低，再趨于平緩，最終降低到幾乎為零的規(guī)律。

圖4 不同水泥劑量下試件失水率隨時(shí)間的變化曲線

另外，養(yǎng)生時(shí)間相同而水泥劑量不同的試件，累計(jì)失水率和分計(jì)失水率彼此相差很小，累計(jì)失水率最大差異出現(xiàn)在3h，且只有6.4%左右，由于3h的分計(jì)失水率為12%左右，而6.4%失水率對(duì)應(yīng)的養(yǎng)生時(shí)間極短，可以忽略不計(jì)。可見，不同水泥劑量下試件的失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，可以忽略水泥劑量對(duì)失水率的影響。

3.1.2不同擊實(shí)次數(shù)下試件失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律

由上文可知，馬歇爾試件的失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律受水泥劑量的影響較小，故在接下來的研究中，針對(duì)1.5%水泥劑量的冷再生混合料進(jìn)行研究分析。

采用XL40料，在1.5%的水泥劑量和5%的乳化瀝青用量下，首先將冷再生混合料在馬歇爾擊實(shí)儀上雙面分別擊實(shí)40次、50次、60次，擊實(shí)完成后的試件連同試模側(cè)放在60℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生，養(yǎng)生過程中每隔1h檢測(cè)試件與試模質(zhì)量，各擊實(shí)次數(shù)下的平行試件均為3個(gè)。采用相同方法計(jì)算試件的累計(jì)失水率。由于在接近48h，三種擊實(shí)次數(shù)的試件的分計(jì)失水率基本相同，且均幾乎為零，所以將擊實(shí)40次和擊實(shí)60次的試件的總養(yǎng)生時(shí)間也定為48h。檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同擊實(shí)次數(shù)下試件失水率隨時(shí)間的變化曲線

由圖5可以看出，整個(gè)養(yǎng)生過程中，擊實(shí)40次和擊實(shí)60次的試件其累計(jì)失水率隨養(yǎng)生時(shí)間變化規(guī)律與擊實(shí)50次的試件基本相同。同一養(yǎng)生時(shí)間下，第一次擊實(shí)次數(shù)越多，試件累計(jì)失水率相對(duì)越小，但彼此的累計(jì)失水率相差較小。可見，以上三種擊實(shí)次數(shù)下的試件的累計(jì)失水率受擊實(shí)次數(shù)的影響較小，可以忽略不計(jì)。與其他時(shí)間段相比，前5h，三種不同擊實(shí)次數(shù)下試件的分計(jì)失水率彼此相差較為明顯，但差值也只有0.7%～5%，而由于此時(shí)間段分計(jì)失水率較大，0.7%～5%的失水率對(duì)應(yīng)的時(shí)間較短，可以忽略不計(jì)；5h之后，試件的分計(jì)失水率相差極小，不足0.2%。可見，以上三種擊實(shí)次數(shù)下的試件的失水率受擊實(shí)次數(shù)的影響較小，可以忽略不計(jì)。

3.2 初步擬定第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)

根據(jù)以上馬歇爾試件失水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化規(guī)律，可初步設(shè)定2h、4h、9h、15h、48h五個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為第二次擊實(shí)開始時(shí)間，對(duì)應(yīng)的累計(jì)失水率大小基本分別為30%、60%、70%、80%、100%。

然而，室內(nèi)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，高溫養(yǎng)生2h后進(jìn)行第二次擊實(shí)的試件其馬歇爾試模外圍有較多混濁液流失，該混濁液內(nèi)夾雜著水泥水化產(chǎn)物及乳化瀝青，進(jìn)而會(huì)影響冷再生混合料強(qiáng)度形成，所以此時(shí)的試件不再具有可比性。因此，研究將2h這一時(shí)間點(diǎn)舍去，通過室內(nèi)試驗(yàn)只研究4h、9h、15h、48h四個(gè)第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)以及“40+35”、“50+25”、“60+15”三種擊實(shí)搭配方式對(duì)水泥乳化瀝青冷再生混合料性能的影響規(guī)律，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最佳的第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)及擊實(shí)搭配方式。

3.3 優(yōu)化馬歇爾擊實(shí)成型方法

首先將冷再生混合料在馬歇爾擊實(shí)儀上分別雙面擊實(shí)40次、50次、60次，再將擊實(shí)成型后的試件連同試模側(cè)放在60℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生；然后分別在4h、9h、15h、48h四個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行第二次擊實(shí)；在4h、9h、15h進(jìn)行第二次擊實(shí)后的試件放入60℃鼓風(fēng)烘箱中繼續(xù)養(yǎng)生至48h，養(yǎng)生結(jié)束后將試件取出，側(cè)放在常溫環(huán)境下至少12h，而在48h進(jìn)行第二次擊實(shí)后的試件無須繼續(xù)養(yǎng)生，直接側(cè)放在常溫環(huán)境下至少12h，最后再脫模。

研究采用空隙率來評(píng)價(jià)兩種擊實(shí)成型方式對(duì)冷再生混合料密實(shí)度的影響，相同條件下，冷再生混合料空隙率越小，冷再生混合料密實(shí)度越大。而冷再生混合料的強(qiáng)度則采用40℃馬歇爾穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)，馬歇爾穩(wěn)定度越大，試件強(qiáng)度越高。不同第二次擊實(shí)開始時(shí)間下，試件的空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 空隙率與第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)關(guān)系

圖7 穩(wěn)定度與第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)關(guān)系

由圖6、圖7可知，不同擊實(shí)搭配方式及第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)下，馬歇爾試件的性能差異性較大。同一擊實(shí)搭配方式下，在15h進(jìn)行第二次擊實(shí)的試件性能最佳，而第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)選擇在15h且采用“60+15”擊實(shí)搭配方式成型的馬歇爾試件性能最優(yōu)。

4 結(jié)語

(1)60℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生過程中，馬歇爾試件在前4h的累計(jì)失水率增速較快；4h之后，試件的水分蒸發(fā)速率明顯減緩；9h后水分蒸發(fā)速率趨于穩(wěn)定；15h有80%左右水分蒸發(fā)，此時(shí)試件的分計(jì)失水率不足1%；48h試件水分幾乎不再蒸發(fā)，試件完全干燥。

(2)根據(jù)高溫養(yǎng)生過程中馬歇爾試件失水率檢測(cè)結(jié)果，初步擬定了4h、9h、15h、48h四個(gè)第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)；對(duì)比研究了不同擊實(shí)成型方式及不同第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)下馬歇爾試件的性能，結(jié)果表明，60℃高溫養(yǎng)生過程中，第二次擊實(shí)時(shí)間點(diǎn)選擇在15h且采用“60+15”擊實(shí)搭配方式成型的馬歇爾試件性能最優(yōu)。