水泥改性冷再生瀝青混合料設計與耐久性試驗

代 科，潘 瑞

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

隨著我國道路基礎工程的飛快發(fā)展，目前絕大多數(shù)道路已經(jīng)進入改擴建階段，在此階段勢必會產(chǎn)生大量廢棄路面材料[1-2]。為了保護環(huán)境和節(jié)約工程造價，應該合理利用這些舊路面材料。我國大多采用半剛性路面基層，這種基層雖具有較高的強度和承載力[3]，但由于采用水泥穩(wěn)定碎石等水硬性材料，勢必造成其收縮能力差，易產(chǎn)生反射裂縫等[4]。此外，工程試驗和相關研究顯示，半剛性基層抗水損害能力不足，滲水性很差[5]。因此，本文擬以水泥作為穩(wěn)定劑來制備水泥改性冷再生瀝青混合料，并將其應用于路面基層，期望可以改善半剛性基層的抗裂性能及長期耐久性，同時對于舊瀝青混合料（RAP）的再利用也具有很大的經(jīng)濟社會效益[6]。

1 原材料性能檢測

1.1 水泥

本試驗所用水泥為綠楊牌P·O42.5 水泥，經(jīng)檢測，其性能符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），檢測結果見表1。

表1 水泥性能檢測結果

1.2 舊瀝青混合料（RAP）

本試驗所用的舊瀝青混合料是將城市道路改擴建過程中產(chǎn)生的廢棄路面材料，經(jīng)上中下面層同時銑刨后得到的。經(jīng)測量，舊瀝青混合料（廢舊瀝青路面銑刨所得材料，需對該材料的油石比和級配進行分析）的油石比為4.4%。對抽提后的舊瀝青混合料進行篩分試驗，結果見表2。由表2 可知，舊瀝青混合料整體級配通過率偏高，骨料出現(xiàn)細化現(xiàn)象，必須添加適量粗骨料來完善骨架結構。

表2 舊瀝青混合料篩分結果

1.3 新集料

采用1#（20～30 mm）、2#（10～20 mm）、3#（5～10 mm）3 檔石灰?guī)r集料來改善混合料級配。各檔石灰?guī)r集料通過率見表3。

表3 新集料篩分結果

2 水泥改性再生瀝青混合料配合比設計

本研究水泥摻量設置為3%、4%、5%，通過標準擊實試驗來確定不同舊瀝青混合料摻量下的水泥改性冷再生瀝青混合料配合比，并采用7 d 無側(cè)限抗壓強度來研究不同舊瀝青混合料摻量所對應的最佳水泥摻量。

2.1 級配選擇

本研究以《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）為設計依據(jù)，以混合料級配曲線接近規(guī)范中值為原則進行配合比設計。0%、30%、40%、50%舊瀝青混合料摻量下的混合料級配見表4。

表4 不同舊瀝青混合料摻量下的混合料級配調(diào)整

2.2 標準擊實試驗

按照文獻[7]進行標準擊實試驗。水泥改性冷再生瀝青混合料擊實試驗結果見表5。

由表5 可知，對于RAP 摻量相同、水泥摻量不同的水泥改性冷再生瀝青混合料而言，其最佳含水量均隨著水泥摻量的增加而增加，這是由于增加了水泥用量，水泥水化所需用水量也必然增加；對于水泥摻量相同、RAP 摻量不同的水泥改性冷再生瀝青混合料而言，其最佳含水量隨RAP 摻量的增加而減小，這是由于舊瀝青混合料中的集料被瀝青裹附，集料難以與水分接觸，所以混合料最佳含水量隨RAP摻量的增加而減小。

表5 水泥改性冷再生瀝青混合料標準擊實試驗結果

另外，在相同RAP 摻量下，水泥改性冷再生瀝青混合料的最大干密度隨水泥摻量增加而增加；在相同水泥摻量下，其最大干密度隨RAP 摻量的增加而降低，原因可能是舊瀝青混合料中的舊瀝青密度遠小于新骨料，隨著舊瀝青混合料摻量的增加，舊瀝青含量增加，新集料含量減小，所以混合料最大干密度隨著RAP 摻量的增加而減小。

2.3 無側(cè)限抗壓強度測試

現(xiàn)行《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017）規(guī)定，中等交通量下，水泥穩(wěn)定類材料7 d 無側(cè)限抗壓強度代表值應大于3 MPa。本研究按照規(guī)范相關要求，對水泥摻量和RAP 摻量不同的水泥改性冷再生瀝青混合料進行7 d 無側(cè)限抗壓強度測試，試驗結果見圖1。

由圖1 可知，無論RAP 摻量多大，水泥改性冷再生瀝青混合料的7 d 無側(cè)限抗壓強度均隨著水泥摻量的增加呈現(xiàn)出一種近乎線性增長的趨勢。在中等交通量下，即使水泥摻量為最低的3%，混合料7 d無側(cè)限抗壓強度也已滿足規(guī)范大于3 MPa 的要求。考慮到過多的水泥摻量會增加工程建設成本，也會導致基層材料過度收縮，因此確定水泥的最佳摻量為3%。

圖1 不同水泥摻量下，水泥改性冷再生瀝青混合料無側(cè)限抗壓強度與P AP 摻量的關系

由圖1 還可看到，同一水泥摻量下，混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度隨著RAP 摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。因此，最佳的RAP 摻量為40%。

3 水泥改性冷再生瀝青混合料耐久性研究

本文以水穩(wěn)定系數(shù)和凍融強度比為技術指標[8]，采用干濕循環(huán)試驗和凍融循環(huán)試驗來研究水泥改性再生瀝青混合料的耐久性能。所用試件均養(yǎng)護28 d。

3.1 干濕循環(huán)試驗

本試驗所需試件的制作及成型均按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）嚴格執(zhí)行。試件在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d 后，以浸水1 d、風干2 d，繼續(xù)浸水1 d 為1 個干濕循環(huán)。如此反復進行5 個干濕循環(huán)后，測試其無側(cè)限抗壓強度。經(jīng)過5 個干濕循環(huán)試件和未經(jīng)干濕循環(huán)試件的無側(cè)限抗壓強度試驗結果見表6。

表6 干濕循環(huán)試驗結果

由表6 可知，隨著RAP 摻量增加，干濕循環(huán)后試件的無側(cè)限抗壓強度先增大后減小，當RAP 摻量為40%時，干濕循環(huán)后試件的無側(cè)限抗壓強度達到最大值，與試件7 d 無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律一致。從水穩(wěn)定性系數(shù)角度分析，相比于不摻RAP 的混合料，RAP 的摻加有效提升了混合料的水穩(wěn)定性，并且RAP 摻量越大，水穩(wěn)定性的提升效果越明顯。

3.2 凍融循環(huán)試驗

以凍融循環(huán)前后試件的無側(cè)限抗壓強度比值BDR 作為評價混合料抗凍性能的指標，設置2 組正交試驗：（1） 最佳水泥摻量3%，RAP 摻量為0%、30%、40%、50%；（2）最佳RAP 摻量40%，水泥摻量為3%、4%、5%。試驗結果見表7、表8。

表7 最佳水泥摻量下凍融循環(huán)試驗結果

表8 最佳RAP 摻量下凍融循環(huán)試驗結果

由表7 可知，在控制水泥摻量不變的情況下，當RAP 摻量為0%時，水泥改性冷再生瀝青混合料的BDR 值最小，抗凍性能最差；RAP 的摻加在不同程度上改善了水泥改性冷再生瀝青混合料的抗凍性能，其中40%摻量RAP 的提升效果最為明顯。原因可能是再生瀝青混合料中骨料內(nèi)部空隙被舊瀝青填充，并且隨著水泥水化的進行，骨料空隙被進一步填充。

由表8 可知，在RAP 摻量不變的情況下，無論是凍融前后，隨著水泥摻量的增加，試件的無側(cè)限抗壓強度均在不斷提升，抗凍性能也在不斷增大，說明水泥有助于再生瀝青混合料抗凍性能的提升，且水泥摻量越大，對于再生瀝青混合料抗凍性能的改善越明顯。

4 結語

（1）通過7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗，得到水泥改性冷再生瀝青混合料的最佳水泥摻量為3%，最佳RAP 摻量為40%。

（2）RAP 摻量為40%時，水泥改性冷再生瀝青混合料的干濕循環(huán)無側(cè)限抗壓強度達到最大值；RAP的摻加有效提升了水泥改性冷再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并且RAP 摻量越大，提升效果越明顯。

（3）水泥有助于再生瀝青混合料抗凍性能的提升，且水泥摻量越大，對于水泥改性冷再生瀝青混合料抗凍性能的改善越明顯。