冷再生混合料力学强度影响因素探究

蒋应军， 谭云鹏， 王瑞祥， 王 闯， 胡永林

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064；2.金东区公路管理局，金华 321110)

冷再生路面长期承受车辆荷载和各种自然因素的综合作用，力学强度逐渐衰减，因此提高乳化沥青就地冷再生混合料的力学强度对路面抗水害能力、耐久性有重要意义[1-3]。中外道路工作者针对冷再生混合料的路用性能开展了一些相关研究。Lee等[4]研究了级配粗细、旧料对冷再生混合料的疲劳性能的影响，指出回收料较粗且老化沥青含量少的冷再生混合料抗疲劳性能好；He[5]研究了回收料老化程度、回收料掺量对冷再生混合料抗永久变形的影响，指出回收料老化程度及掺量对冷再生混合料永久变形影响不明显；Xongyongyar[6]研究了水泥对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响，指出水泥可提高冷再生混合料路用性能，随着水泥用量增加，冷再生混合料力学特性、高温性能、水稳定性能逐渐增大，低温性能先增加后减小；荣丽娟[7]研究了回收料材料特性及乳化沥青冷再生配合比设计方法，指出回收料越多，冷再生混合料低温性能越好，力学性能越差，在满足规范要求的原则下，回收料建议掺量为80%，乳化沥青用量建议为7.3%；吕政桦等[8]研究了回收料掺量对冷再生混合料路用性能及耐久性能性能的影响，并基于多指标加权优化设计理论，提出满足综合性能的最佳回收料掺量；徐剑等[9]对泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料性能进行了对比试验研究，指出乳化沥青冷再生混合料与泡沫沥青冷再生混合料都满足路用性能要求；李秀君[10]采用单轴贯入试验，测定了泡沫沥青再生混合料在不同条件下的抗剪强度，指出水泥可以使泡沫沥青冷再生混合料抗剪强度提高5倍左右。上述研究成果无疑对提高冷再生混合料路用性能具有重要意义，然而上述研究聚焦回收料掺量、矿料级配等因素对冷再生混合料路用性能的影响，很少有乳化沥青类型与外掺材料对冷再生混合料力学强度影响的相关研究。且上述研究均采用重型击实方法与马歇尔方法制备试件，而马歇尔试件与路面芯样的工程相关性不足70%[11-13]。

据此，采用垂直振动试验方法，研究乳化沥青类型、纤维类型及掺量与水泥掺量对冷再生混合料力学强度的影响。

1 研究方案

1.1 原材料

1.1.1 乳化沥青

普通慢裂乳化沥青(PM)、普通中裂乳化沥青(PZ)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)改性乳化沥青和丁苯橡胶(styrene butadiene rubber，SBR)改性乳化沥青技术性质如表1所示。

表1 乳化沥青技术性质

1.1.2 面层回收集料

面层回收集料(reclaimed asphalt pavement material，RAP)采用陕西某高速公路沥青路面回收集料，级配筛分结果如表2所示。

1.1.3 新集料

矿粉、机制砂和9.5～19 mm的粗集料采用洛南县正泰矿业有限公司产品，技术性质满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[14]的技术要求。

表2 RAP级配筛分结果

1.2 试验方案

1.2.1 乳化沥青类型对冷再生混合料力学强度的影响

研究乳化沥青类型对混合料力学强度的影响时，拟采用AC-20乳化沥青冷再生混合料级配(简称CRM-20)如表3所示。其中Ca表示粗集料C掺量为a%，Sb表示机制砂S掺量为b%，Kc表示矿粉K掺量为c%。

1.2.2 水泥对冷再生混合料力学强度的影响

研究水泥掺量变化对混合料力学强度的影响时所采用混合料级配如表4所示。试验时，水泥采用外掺法，固定9.5～19 mm粗集料和机制砂掺量分别为10%和20%，变化水泥掺量分别为0.5%、1%、1.5%、2%。

1.2.3 纤维对冷再生混合料力学强度的影响

研究纤维类型及掺量变化对混合料力学强度的影响时所采用混合料级配如表5所示。试验时，纤维采用外掺法，固定9.5～19 mm粗集料和机制砂掺量分别为10%和20%，分别掺加聚酯纤维、矿物纤维、木质素纤维和玄武岩纤维4种纤维，其掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。

1.3 试验方法

1.3.1 垂直振动试验方法

垂直振动试验方法(vertical vibration test method，VVTM)采用的振动压实仪的基本参数：工作频率为35 Hz，上车系统质量为108 kg，下车系统质量为167 kg[15-16]。

采用垂直振动击实确定最大干密度和最佳含水率，振动成型时间为65 s[17]。

采用垂直振动成型63.5 mm×φ100 mm试件，振动成型时间为60 s。

1.3.2 力学强度试验

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中马歇尔稳定度试验(T0709—2011)[18]测试马歇尔稳定度MS、浸水马歇尔稳定度MSw。

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中劈裂试验(T0716—2011)测试干劈裂强度RT、湿劈裂强度RTw。

表3 CRM-20混合料级配

表4 不同水泥掺量下混合料的级配

表5 不同纤维掺量下混合料的级配

2 冷再生混合料强度影响因素

2.1 乳化沥青类型对冷再生混合料强度的影响

2.1.1 配合比

VVTM确定的不同类型乳化沥青冷再生混合料的最大干密度ρmax、最佳含水率OWC和最佳乳化沥青用量OEC如表6所示。试验时乳化沥青用量为4%，混合料级配如表3所示。

表6 最大干密度、最佳含水率及最佳乳化沥青用量

2.1.2 试验结果及分析

乳化沥青类型对VVTM冷再生混合料力学强度的影响如表7所示。其中，PPM/PPZ指普通慢裂乳化沥青冷再生混合料与普通中裂乳化沥青冷再生混合料力学性能比值。

由表7 可知，与普通中裂乳化沥青冷再生混合料相比,普通慢裂乳化沥青冷再生混合料力学强度略有提高；SBR改性乳化沥青冷再生混合料马歇尔稳定度、劈裂强度和冻融劈裂强度分别至少提高了15%、17%和24%，即力学强度至少可提高15%；SBS改性乳化沥青冷再生混合料马歇尔稳定度、劈裂强度和冻融劈裂强度分别至少提高了9%、11%和15%，即力学强度至少可提高9%。

表7 不同类型乳化沥青冷再生混合料强度对比

因此，根据力学性能最优原则，选取SBR改性乳化沥青作为冷再生混合料的胶结料，后续研究不做特殊说明，乳化沥青均指SBR改性乳化沥青。

2.2 水泥对冷再生混合料强度的影响

2.2.1 配合比

VVTM确定的乳化沥青冷再生混合料的最大干密度ρmax、最佳含水率OWC和最佳乳化沥青用量OEC如表8所示。试验时乳化沥青用量为4%，混合料级配如表4所示。

表8 最大干密度、最佳含水率及最佳沥青用量

2.2.2 试验结果及分析

不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料强度如表9所示。表中τd是指单轴贯入抗剪强度，σm是指不同水泥剂量掺量乳化沥青冷再生混合料VVTM试件MS与不掺水泥乳化沥青冷再生混合料VVTM试件MS比值，σw是指不同水泥剂量掺量乳化沥青冷再生混合料VVTM试件湿劈裂强度RTw与不掺水泥乳化沥青冷再生混合料VVTM试件湿劈裂强度RTw比值，σg是指不同水泥剂量掺量乳化沥青冷再生混合料VVTM试件干劈裂强度RT与不掺水泥乳化沥青冷再生混合料VVTM试件干劈裂强度RT的比值，σd是指不同水泥剂量掺量乳化沥青冷再生混合料VVTM试件单轴贯入抗剪强度τd与不掺水泥乳化沥青冷再生混合料VVTM试件单轴贯入抗剪强度τd的比值。

表9 不同水泥掺量冷再生混合料力学强度

由表9可知：随水泥掺量的增加，乳化沥青冷再生混合料的力学强度不断增大；乳化沥青冷再生混合料中掺入水泥，一部分水泥吸收乳化沥青或集料中的水发生水化反应，水化产物与沥青薄膜既相互独立又相互交织在一起，形成空间立体网络结构包裹在集料表面；另一部分水泥起着活性矿粉作用，与沥青发生化学吸附而形成力学结构膜，极大地提高了集料与沥青之间的黏附性。因此，掺水泥乳化沥青冷再生混合料力学强度较大；当水泥掺量超过1.5%后，冷再生混合料的力学强度增长速率放缓，与不掺水泥乳化沥青冷再生混合料相比，掺水泥1.5%乳化沥青冷再生混合料的马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了11%、19%和85%。

综上，考虑到经济性以及水泥掺量过大容易导致乳化沥青冷再生混合料脆性增加等因素，建议乳化沥青冷再生混合料水泥掺量为1.5%。

2.3 纤维对冷再生混合料强度的影响

2.3.1 配合比

VVTM确定的乳化沥青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化沥青用量如表10所示。试验时乳化沥青用量为4%，混合料级配如表5所示。A、B、C、D分别表示聚酯纤维、矿物纤维、木质素纤维和玄武岩纤维。

2.3.2 试验结果及分析

不同类型纤维及不同掺量下乳化沥青冷再生混合料力学强度如图1所示。

由图1可知，与不掺纤维冷再生混合料相比：随纤维掺量增加，纤维乳化沥青冷再生混合料的力学强度先增大后减小，这是因为当纤维掺量不大时，纤维在混合料中的分散性比较好，可起到加筋作用，使得冷再生混合料力学性能得以提高；当纤掺量超过一定量后，随纤维掺量增加，纤维分散性变差，会有一部分纤维结团成束，不但不能起到加筋和稳定作用，反而会成为冷再生混合料的力学薄弱点，使大颗粒集料被挤开，混合料的空隙率增大，黏聚力减小，力学强度也会随之减小；聚酯纤维和矿物纤维为0.4%、木质素纤维和玄武岩纤维为0.3%，对应马歇尔稳定度可分别提高8%、5%、7%和4%；聚酯纤维和木质素纤维为0.4%、矿物纤维和玄武岩纤维为0.3%，对应劈裂强度可分别提高9%、10%、5%和6%；聚酯纤维、矿物纤维、玄武岩纤维为0.4%、木质素纤维为0.5%，对应抗剪强度可分别提高12%、5%、4%和9%。

表10 最大干密度、最佳含水率及最佳沥青用量

图1 强度随纤维掺量变化规律Fig.1 Strength variation with fiber content

综上，4种纤维最佳掺量分别为聚酯纤维0.4%、矿物纤维0.4%、木质素纤维0.4%、玄武岩纤维0.3%。

在4种纤维各自最佳掺量下，不同类型纤维对乳化沥青冷再生混合料力学强度影响如表11和图2所示。表中A、B、C、D分别表示聚酯纤维、矿物纤维、木质素纤维和玄武岩纤维。

表11 不同类型纤维冷再生混合料力学强度

图2 不同力学指标强度比值Fig.2 Strength ratio of different mechanical indicators

由表11和图2可知，与不掺纤维乳化沥青冷再生混合料相比：聚酯纤维乳化沥青冷再生混合料马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了8%、9%和12%，即力学强度至少可提高8%；矿物纤维冷再生混合料马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了5%、4%和5%，即力学强度至少可提高4%；木质素纤维冷再生混合料马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了6%、10%和9%，即力学强度至少可提高6%；玄武岩纤维冷再生混合料马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了3%、6%和4%，即力学强度至少可提高3%。

综上，纤维类型建议选择聚酯纤维，纤维最佳掺量为0.4%。

3 结论

(1)普通慢裂乳化沥青冷再生混合料力学强度略有提高，SBR、SBS改性乳化沥青冷再生混合料力学强度至少可提高15%、9%。

(2)掺水泥1.5%的乳化沥青冷再生混合料的马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了11%、19%和85%；考虑到经济性以及水泥掺量过大容易导致乳化沥青冷再生混合料脆性增加等因素，建议乳化沥青冷再生混合料水泥掺量为1.5%。

(3)确定出4种纤维的最佳掺量，根据力学性能最优原则，建议选用聚酯纤维来提升冷再生混合料的力学强度，纤维最佳掺量为0.4%。