水泥種類和摻量對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響*

曹明明, 肖劉路, 鐘鑫陽, 袁泉, 陶朝勛

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司, 四川 成都 610041;2.合肥市市政設計研究總院有限公司, 安徽 合肥 230041;3.成都理工大學, 四川 成都 610059;4.四川興蜀公路建設發展有限責任公司, 四川 成都 610000;5.阿壩州公路管理局, 四川 馬爾康 624099)

經過多年的通車運營,瀝青路面會出現開裂、變形、松散等病害,須進行大中修或改擴建。傳統的銑刨恢復方式(銑刨舊瀝青層后采用新瀝青混合料修補)會產生大量廢舊瀝青混合料(RAP),造成極大的資源浪費,且嚴重污染環境,探索RAP利用率高且節約資源、保護環境的RAP再生方式迫在眉睫。乳化瀝青廠拌冷再生技術對RAP的利用率在80%以上,相較于就地熱再生技術,采用乳化瀝青廠拌冷再生技術可以避免RAP的二次加熱,有助于節約能源,減少瀝青煙排放,具有顯著的環保優勢[1-3]。

乳化瀝青廠拌冷再生瀝青混合料強度形成機理與熱拌料存在一定差異,須待乳化瀝青破乳后才能形成強度。受限于乳化瀝青摻量及乳化瀝青和RAP結合的差異,乳化瀝青冷再生混合料的早期強度并不是很高。因此,乳化瀝青冷再生混合料中往往需要摻加水泥以提高其早期強度和后期強度[4-5]。已有研究表明,乳化瀝青冷再生混合料中用水泥代替礦粉,利用水泥水化來加快乳化瀝青的破乳速度,可在提高混合料早期強度和剛度的同時改善混合料的路用性能[6-7]。但在實際工程中,水泥摻量過大會對乳化瀝青冷再生混合料性能產生不利影響,可能造成乳化瀝青冷再生混合料強度提高速度過快、施工容留時間不足、低溫脆性增大、抗裂性能不足等[8-9]。目前,雖然有一些學者研究了水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料性能的影響,但對水泥種類對混合料性能影響的研究較少。本文依托川九(川主寺—九寨溝)路改建工程,研究不同水泥種類和摻量下乳化瀝青冷再生混合料早期高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性的變化,為耐久性的乳化瀝青冷再生混合料配合比設計提供依據。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

乳化瀝青廠拌冷再生混合料設計中加入水泥,可加快乳化瀝青的破乳速度,提高混合料的早期強度、高溫穩定性和水穩定性。但摻入過量水泥的乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能和疲勞性能均有一定程度衰減,且容易發生溫度收縮和干縮開裂。因此,通常水泥摻量不超過1.8%。本文采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5和復合硅酸鹽水泥P.C 42.5進行對比研究,水泥試驗結果見表1、表2。

表1 P.O 42.5水泥的檢測結果

表2 P.C 42.5水泥的檢測結果

1.2 配合比設計

經篩分和破碎的RAP分為10～30 mm、5～10 mm和0～5 mm 3檔,篩分結果見表3。抽提、回收后測試各檔RAP的瀝青含量,分別為4.08%、3.64%、4.80%。

表3 RAP的篩分結果

乳化瀝青配合比設計中,摻入乳化瀝青、水、礦粉和10～20 mm石灰巖碎石,經測試,其性能均滿足設計和規范要求。根據JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術規范》進行乳化瀝青配合比設計,合成級配見表4,最佳含水量、最佳乳化瀝青用量見表5。

表4 乳化瀝青的合成級配

表5 乳化瀝青配合比設計結果

2 路用性能分析

在最佳含水量與最佳乳化瀝青用量下,分別摻加0.0、1.5%、3.0%、4.5%的P.C 42.5水泥、P.O 42.5水泥成型乳化瀝青冷再生混合料試件進行室內試驗,分析水泥種類和摻量對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響,確定適宜的水泥種類和摻量。

2.1 高溫穩定性能

成型乳化瀝青冷再生混合料車轍試件進行車轍試驗,試驗結果見圖1。

由圖1可知:1) 隨著水泥摻量的增加,摻入兩種水泥的乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度均逐漸增大,表明摻加水泥能提升乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩定性。水泥摻量低于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩定性顯著提升,這是因為水泥摻量小于1.5%時,水泥水化產物迅速填充混合物的空隙,混合物的密實度提高并產生強度;水泥摻量大于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩定性提升幅度逐漸減小,這是因為水泥摻量大于1.5%時水泥未完全水化,充當活性礦粉,高溫穩定性提升幅度降低。2) P.O 42.5水泥摻量為1.5%時,乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度遠大于規范要求,過量摻加P.O 42.5水泥并不能顯著改善乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能。對于P.C 42.5水泥,動穩定度SDS與水泥摻量Cc基本呈線性關系(SDS,P.C=794.4Cc+4 677.6,R2=0.991 9),但摻加P.C 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度增長幅度明顯小于摻加P.O 42.5水泥的再生混合料。相同摻量下,摻加P.C 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度明顯低于摻加P.O 42.5水泥的再生混合料,摻加P.O 42.5水泥對乳化瀝青冷再生混合料高溫穩定性的改善更顯著,這一現象可能與水泥的早期強度有關,采用早期強度更高的水泥,乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度更高,早期強度更大。

圖1 不同水泥種類和摻量下乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度

2.2 低溫抗裂性能

成型板式乳化瀝青冷再生混合料試件,并切割成小梁試件進行低溫彎曲試驗,試驗結果見圖2。

由圖2可知:1) 隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的抗彎拉強度呈線性增大,最大彎拉應變和彎曲應變能密度先增大后減小。水泥摻量低于1.5%時,隨水泥摻量增大,乳化瀝青冷再生混合料的最大彎拉應變增大;摻量大于1.5%時,繼續增大水泥摻量,最大彎拉應變逐漸減小,但減小幅度逐漸降低。對水泥摻量和乳化瀝青冷再生混合料彎曲應變能密度采用二次多項式進行擬合,對于摻加PC 42.5水泥的冷再生混合料,y=-175.65x2+1 036.7x+44.75,R2=0.987 9(x為水泥摻量,y為彎曲應變能密度);對于摻加PO 42.5水泥的冷再生混合料,y=-198.98x2+1 081.8x+18.725,R2=0.993 3。根據擬合結果,P.O 42.5水泥、P.C 42.5水泥摻量分別小于2.5%、3.0%時,隨水泥摻量增加,乳化瀝青冷再生混合料的彎曲應變能密度逐漸增大;P.O 42.5水泥、P.C 42.5水泥摻量分別大于2.5%、3.0%時,隨水泥摻量增加,彎曲應變能密度逐漸減小;水泥摻量小于1.0%時,相同摻量的兩種乳化瀝青冷再生混合料的彎曲應變能密度幾乎相同。水泥摻量較小時,盡管抗彎拉強度和最大彎拉應變有所差別,但彎曲應變能密度差別不大,說明水泥摻量低于1%時,水泥種類和摻量對乳化瀝青冷再生混合料的敏感性并不是很強烈,在對乳化瀝青冷再生混合料高溫性能和早期強度要求不高,而冬季溫度較低的地區,可嘗試將水泥摻量降低至1%。2) 摻量相同的情況下,與摻加P.C 42.5水泥相比,摻加P.O 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的抗彎拉強度更大、最大彎拉應變和彎曲應變能密度更小,表明P.O 42.5水泥對抗彎拉強度的提升具有顯著作用,但對混合料的柔性不利,導致乳化瀝青冷再生混合料在低溫時易發生脆裂。建議在低溫性能要求高的地區,乳化瀝青冷再生混合料中摻加強度增長更慢的水泥。3) 最大彎拉應變的變異系數比彎曲應變能密度的變異系數大,采用彎曲應變能密度衡量乳化瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性能更穩定。

圖2 水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料低溫性能的影響

2.3 黏附性

肯塔堡浸水飛散試驗考慮了乳化瀝青冷再生混合料在水的作用下其黏結性能衰減的情況,能更好地表征其水穩定性。但由于乳化瀝青冷再生混合料的黏附性差于熱拌瀝青混合料,若洛杉磯磨耗儀的旋轉次數采用熱拌瀝青混合料常用的300 r,乳化瀝青冷再生混合料的黏附性將缺乏對比性。為便于試驗結果分析,將洛杉磯磨耗儀的旋轉次數調整為100 r。成型馬歇爾試件進行浸水飛散試驗,試驗結果見圖3。

圖3 水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料黏附性的影響

由圖3可知:1) 隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的浸水飛散損失均減小。水泥摻量為0.0～1.5%時,浸水飛散損失下降明顯,較小的水泥摻量能顯著提升乳化瀝青冷再生混合料的水穩定性和黏附性;水泥摻量大于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,再生混合料的浸水飛散損失下降明顯,特別是摻加P.O 42.5水泥的混合料,過多地摻入水泥,乳化瀝青冷再生混合料的水穩定性提升不明顯。建議在滿足黏附性和水穩定性等要求的情況下,采用較低的水泥摻量,水泥摻量不宜大于1.5%,特殊情況下不大于1%。2) 相同摻量下,摻入P.O 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的浸水飛散損失比摻加P.C 42.5水泥的小,P.O 42.5水泥對乳化瀝青冷再生混合料水穩定性的改善更顯著。

2.4 水穩定性

成型馬歇爾試件進行凍融劈裂試驗,試驗結果見圖4、圖 5。

圖4 P.O 42.5水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強度的影響

圖5 P.C 42.5水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強度的影響

由圖4、圖5可知:隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的凍融劈裂強度及凍融劈裂強度比增大,摻加水泥可使乳化瀝青冷再生混合料的抗拉強度及水穩定性得到提升。水泥摻量小于1.5%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青廠拌冷再生混合料的凍融劈裂強度比顯著提升;摻量為1.5%～3.0%時,隨著水泥摻量的增加,凍融劈裂強度比增長速度較緩慢,特別是P.O 42.5水泥,摻量大于1.5%時,凍融劈裂強度比提升不明顯;水泥摻量大于3.0%時,隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的凍融劈裂強度比增長幅度增大,這可能是由于過多的水泥在試件浸水前未充分水化,這部分水泥在60 ℃水浴中進一步水化,使混合料的凍融劈裂強度顯著提升,凍融劈裂強度比增大。

3 結論

(1) 隨著水泥摻量的增加,乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩定性增強,P.O 42.5水泥比P.C 42.5水泥更能提升乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩定性,P.O 42.5水泥摻量為1.5%時,乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度大于10 000 次/mm。

(2) 相同摻量時,與摻加P.C 42.5水泥相比,摻加P.O 42.5水泥的乳化瀝青冷再生混合料的抗彎拉強度較大、最大彎拉應變和彎曲應變能密度較小。摻加水泥對乳化瀝青冷再生混合料的柔性不利,可能導致乳化瀝青冷再生混合料在低溫下開裂,建議在低溫地區嚴格控制乳化瀝青冷再生混合料中的水泥摻量。

(3) 水泥摻量小于1.5%時,乳化瀝青冷再生混合料的浸水飛散損失隨水泥摻量的增加顯著下降,但隨水泥摻量增加,乳化瀝青冷再生混合料的黏附性對水泥摻量的增加不再敏感。凍融劈裂強度隨著水泥摻量的增加而增大。

(4) 應綜合考慮路用性能需求確定乳化瀝青冷再生混合料中水泥摻量,在滿足高溫性能、早期強度、黏附性和水穩定性等路用性能要求的前提下,可采用較低的水泥摻量,水泥摻量不宜大于1.5%,使乳化瀝青冷再生混合料具有更優越的抗裂性能。