养生条件对冷再生混合料性能的影响研究★

芦 欣，孙 斌

(1.新疆交投建设管理有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830094； 2.北京盛广拓再生科技股份有限公司，北京 100025)

1 概述

乳化沥青厂拌冷再生技术，也称乳化沥青厂拌常温再生技术，因其大用量和优秀的环保特性，越来越受到广泛的重视[1-2]。自2006年江西昌九高速大规模成功应用至沥青上基层以来，近年来越来越多在公路改扩建、翻修重建中的上基层和下面层得到广泛应用，已逐步成为我国路面大修和改扩建的主要再生技术。与热拌、温拌沥青混合料不同，乳化沥青厂拌冷再生混合料中含有水分，尤其是随着养生时间的延长和养生温度的提升，混合料中含水率的变化直接关系到混合料的综合性能。

国外研究者Bhasin和Masad等人基于微观检测技术利用表面能和物理化学知识分析了残留水分对混合料抗压、断裂能力的损伤效果，发现了水分的存在会导致沥青与骨料的黏合能力以及沥青内聚力的降低[3-5]。北京建筑大学针对残留水对乳化沥青混合料性能影响进行研究，发现混合料动态、静态模量及高、低温和水稳性能均与含水率(质量分数，下同)相关[6]。同时考虑到冷再生混合料二次热压实成型机理[7-9]，实际施工过程控制时，冷再生结构层碾压、养生结束后，检测的相关性能指标均为一次压实后的指标，而项目完工时，均是在铺筑了热拌沥青混合料之后，检测的指标均为二次压实后的指标，因此有必要区分一次压实与二次压实后的技术指标。

综上，研究养生条件对混合料含水率的影响，区分一次压实和二次压实的效果，分析含水率的变化对乳化沥青厂拌冷再生混合料的强度影响，推荐合适的养生条件，对于提升冷再生混合料施工效率，保证混合料的性能是非常有意义的。

2 试验

2.1 试验原材料

回收沥青路面材料(RAP)来自某高速公路大修项目的铣刨料，分成0 mm～4.75 mm(Ⅰ档)、4.75 mm～9.5 mm(Ⅱ档)和9.5 mm～26.5 mm(Ⅲ档)分三档规格进行级配分析，具体见表1，抽提后实际矿料级配与RAP料级配比较明显变细，三档集料抽提后通过率显著大于抽提前通过率。

天然集料选择石灰岩碎石，主要检测指标见表2。经测试，RAP及天然集料的检测结果均能满足《公路沥青路面再生技术规范》[10]的要求。乳化沥青是在实验室经小型胶体磨加工而自制获取，主要技术指标见表3，水泥材料选择42.5级普通硅酸盐水泥，主要技术指标见表4。

表1 三档RAP料级配情况

表2 天然集料级配情况

表3 乳化沥青技术指标测试结果与技术要求

表4 水泥主要技术指标检测结果与技术要求

2.2 乳化沥青冷再生混合料配合比设计

依据RAP三档规格的筛分试验结果和矿料级配设计要求，通过添加部分新集料进行再生料级配设计。选择标准马歇尔试验方法，试件采用双面击实成型。再生料各档材料组成最终比例为：RAP-Ⅰ∶RAP-Ⅱ∶RAP-Ⅲ∶天然碎石∶矿粉=40∶13.5∶37∶8∶1.5，研究选择最大干密度时的含水率3.8%为最佳含水率，水泥为外掺1.5%，最佳乳化沥青用量为3.5%。

2.3 试验方案与方法

为量化含水率的变化对乳化沥青厂拌冷再生混合料性能的影响，研究在60 ℃养生条件下，分别设定0 h，8 h，16 h，24 h，32 h，40 h，48 h，60 h，72 h，96 h，120 h的养生时间，并分别测试在不同养生时间下试件的空隙率、劈裂强度、含水率。综合考虑冷再生混合料存在二次压密成型机理，本次试验方案设计充分考虑了一次击实和二次击实的效果，实验过程以8 h养生时间为例，一次击实成型10个试件，在60 ℃烘箱养生后，其中4个试件测试劈裂强度与空隙率、2个试件测试含水率，另外4个试件再进行二次击实，最后测试再生混合料空隙率、劈裂强度。具体实验方案设计过程如图1所示。为研究养生温度对再生混合料性能的影响，研究分别成型三组试件，各组试件经过第一次击实后，分别在60 ℃，70 ℃，80 ℃条件下养生48 h，然后进行第二次击实，最后测试再生混合料的体积参数和性能指标。

3 试验结果与分析

3.1 养生时间对混合料性能的影响

3.1.1 养生时间对混合料含水率的影响

在60 ℃养生温度下，不同养生时间的混合料含水率随养生时间的变化情况及回归拟合曲线见图2。

由图2可以看出，随着养生时间的延长，再生混合料含水率逐渐下降，试件在养生8 h之后，混合料的含水率已经低于2%。分析含水率曲线下降速率可以发现，自养生开始至养生16 h之内，下降速度较快，含水率由初始的3.3%下降至1.53%，下降54%；养生48 h后含水率为0.97%，低于1%；养生时间大于60 h，曲线下降速率极为缓慢，养生时间在60 h～96 h内，含水率几乎保持不变。因此，基于本研究的试验结果，研究认为现行行业技术规程推荐的48 h的养生时间是偏于保守的。同时，由拟合回归曲线分析可知，含水率与养生时间之间的相关关系遵循指数函数关系，回归系数R2高达0.95，在已知养生时间的前提下，可根据回归关系式初步预估含水率。

3.1.2 养生时间对混合料空隙率的影响

为进一步研究合理的养生时间，保证再生混合料养生后强度，分别对劈裂强度、空隙率随养生时间的变化规律进行研究。60 ℃养生温度下，室内一次击实成型和二次击实成型试件的空隙率随养生时间的变化情况及回归拟合曲线见图3。

由图3可以看出，总体表现为随着养生时间的延长，混合料空隙率逐渐增大；养生时间少于24 h时，二次击实试件的空隙率明显低于一次击实试件，其中，养生时间8 h时，一次与二次击实试件的空隙率分别为9.7%,7.8%，二次击实后空隙率下降了1.9%；养生16 h时，一次与二次击实试件的空隙率分别为9.9%,8.8%，二次击实后空隙率下降了1.1%。结合混合料含水率与养生时间的关系图可看出，在养生16 h之前，从最佳含水率3.3%下降到含水率为1.53%，含水率下降了54%，含水率下降幅度非常明显，说明混合料中的水分蒸发后，混合料中存在大量的微空隙，通过二次击实后，混合料更加致密，空隙率降低。在养生24 h之后，一次击实试件与二次击实试件的空隙率变化较小，说明随着含水率的下降，混合料已经逐步形成强度，再进行二次击实，对混合料的压实效果有限。同时，由拟合回归曲线分析可知，空隙率与养生时间之间的相关关系遵循指数函数关系，且第一次击实回归曲线的拟合效果不及第二次击实，回归系数分别为0.82和0.89。

3.1.3 养生时间对混合料劈裂强度的影响

60 ℃养生温度下，室内一次击实成型和二次击实成型试件的劈裂强度随养生时间的变化情况及回归拟合曲线见图4。

由图4可以看出，随着养生时间的延长而增加，试件的劈裂强度逐渐增大，在养生120 h范围内，混合料一次击实后，劈裂强度从0.48 MPa增加至1.39 MPa，二次击实后，混合料劈裂强度从0.62 MPa增加至1.4 MPa，但在这个过程中，混合料含水率从最佳含水率3.3%下降到0.41%，说明混合料的劈裂强度与含水率密切相关，含水率越低，混合料的劈裂强度越高。且结合图中可以看出，试件在养生时间16 h内，混合料含水率下降非常明显，养生16 h后，由于混合料中水分蒸发速度减缓，二次击实与一次击实后的劈裂强度差异越来越小。从拟合关系曲线来看，一次击实和二次击实条件下，混合料劈裂强度的增长规律遵循指数函数关系曲线，回归系数R2均为0.98。在已知养生时间的前提下，可根据回归关系式预估混合料一次击实和二次击实的强度。

3.2 养生温度对混合料性能的影响

《公路沥青路面再生技术规范》规定乳化沥青厂拌冷再生混合料的养生温度为60 ℃，为进一步提升混合料性能，尝试提高混合料养生温度，并积累时温等效经验。研究分别成型三组试件，各组试件第一次击实完成后，分别在60 ℃,70 ℃,80 ℃条件下养生48 h，之后进行第二次击实。不同养生温度条件下，再生混合料的性能指标试验结果如表5所示。

表5 不同养生温度下再生混合料性能试验结果

首先，从空隙率指标来看，由表5量化数据可知，随着养生温度的提升，冷再生混合料的空隙率与含水率逐渐下降。说明养生温度越高，在相同时间范围内，混合料中的水分蒸发越多，水分蒸发之后剩余的空隙越多，在第二次击实后，空隙率进一步下降，混合料更加密实。特别是当养生温度从60 ℃增加到80 ℃时，养生48 h含水率从0.85%降低到0.1%，混合料的水分基本上全部蒸发结束。

其次，从干、湿劈裂强度指标来看，干、湿劈强度在养生48 h的条件下，养生温度越高，混合料的劈裂强度越高。当养生温度从60 ℃变化到80 ℃时，其干劈裂强度从1.15 MPa增加到1.50 MPa，增长了30.4%。说明在相同的时间范围内，提高养生的温度，混合料中的水分进一步蒸发，混合料强度显著提高。

再次，从干湿劈裂比与冻融劈裂强度比来看，随着养生温度的提高，干湿劈裂比与冻融劈裂强度比均呈现递增趋势，特别是养生温度从70 ℃变化到80 ℃时，干湿劈裂比与冻融劈裂强度比增长明显，在80 ℃养生温度条件时，干湿劈裂比与冻融劈裂强度比分别达到了98.9%与96.2%。尤其是冻融劈裂强度指标，由60 ℃的78.6%提升至80 ℃的96.2%。

最后，从动稳定度指标来看，尽管动稳定度在70 ℃时出现了最低值，但是混合料的动稳定度指标对养生温度的高低不敏感，变化幅度较小，绝对值均在8 500次/mm～9 000次/mm之间。

因此，基于上述试验结果，在满足提高养生温度的条件下，可以适当缩短养生时间，以提升施工效率。

3.3 养生时间、养生温度对混合料性能交互影响的探究分析

结合上述养生时间与劈裂强度的相关关系的试验结果，仔细分析可以发现，混合料在60 ℃养生120 h条件下，混合料的含水率为0.4%，劈裂强度为1.4 MPa，在70 ℃养生48 h条件下，含水率为0.1%，劈裂强度为1.5 MPa，数据非常接近，表明冷再生混合料在70 ℃养生48 h与60 ℃养生120 h的养生效果基本等效。因此，提高养生温度，延长养生时间，均有助于强度的增长，在增长规律方面表现出“时温等效”的特征，其更深层次的分析有待深入研究。

4 结语

1)随着养生时间的延长，再生混合料含水率逐渐下降，自养生开始至16 h以内，混合料的含水率由初始的3.3%下降至1.53%，下降了54%；养生48 h后混合料的含水率已低于1%；养生时间在60 h～96 h内，含水率几乎保持不变。

2)基于劈裂强度与养生时间的关系曲线，随着养生时间的延长，混合料含水率逐渐降低，空隙率逐渐增大，劈裂强度逐渐提升；养生时间低于24 h时，二次击实试件的空隙率明显低于一次击实试件；养生时间高于24 h之后，一次击实试件与二次击实试件的空隙率变化较小，说明随着含水率的下降，混合料已经逐步形成强度。

3)在相同养生时间内，随着养生温度的提升，冷再生混合料的空隙率与含水率逐渐下降，混合料综合性能逐渐提升。说明养生温度越高，在相同时间范围内，混合料中的水分蒸发越多，水分蒸发之后剩余的空隙越多，在第二次击实后，空隙率进一步下降，混合料更加密实。

4)冷再生混合料在70 ℃养生48 h与60 ℃养生120 h，养生效果基本等效。提高养生温度，延长养生时间，均有助于强度的增长，在增长规律方面表现出“时温等效”的特征。研究推荐在满足养生温度不低于60 ℃的条件下，养生时间不低于24 h即可。