乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料性能研究
徐 劍,黃頌昌,秦永春,李 峰,石小培
(交通運輸部公路科學研究院,北京 100088)
摘要:為了檢驗瀝青穩定類冷再生混合料性能,回答乳化瀝青與泡沫瀝青孰優孰劣的爭論,采用劈裂試驗、車轍試驗對泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料性能進行了對比試驗研究。研究結果表明,乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料的力學特性有明顯的溫度依賴性,均為粘彈性材料;冷再生混合料15℃劈裂強度滿足規范中密級配粗粒式熱拌瀝青混凝土強度范圍;泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強度、浸水24 h后的劈裂強度略高于乳化瀝青冷再生混合料;乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度顯著高于泡沫瀝青冷再生混合料,且都遠超過規范對改性瀝青混合料動穩定度的技術要求。乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料性能均能滿足瀝青路面中下面層的要求。
關鍵詞:道路工程;冷再生;試驗研究;乳化瀝青;泡沫瀝青
中圖分類號: U416·2 文獻標識碼: A
0 引言
隨著我國高等級公路大量進入大中修養護期,瀝青路面再生技術的應用越來越廣泛。其中,冷再生是瀝青路面再生的主要方式,而泡沫瀝青和乳化瀝青是冷再生的兩種主要結合料。盡管冷再生與熱再生相比更具環保、節能優勢,但是一直存在對冷再生混合料性能的擔憂和對冷再生結合料孰優孰劣的爭論: (1)冷再生混合料能否滿足瀝青路面中下面層的使用要求; (2)乳化瀝青冷再生混合料和泡沫瀝青冷再生混合料孰優孰劣; (3)瀝青沒有形成裹附、外觀上接近水穩材料的泡沫瀝青冷再生混合料,是否屬于半剛性材料。
已有研究工作主要是針對某種冷再生技術本身的研究[1-5],較少進行乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料的對比研究,僅有的少量對比研究工作是在上世紀80年代[6-7],當時所用的乳化瀝青和泡沫瀝青材料與現有材料存在很大差異,研究結論的適用性不強。
本文采用干、濕劈裂試驗和車轍動穩定度試驗,對泡沫瀝青冷再生混合料、乳化瀝青冷再生混合料的抗拉、抗剪、水穩定性等性能進行了對比研究。
1 研究方案
1·1 材料和混合料
選用北方某地的RAP、機制砂、石灰石礦粉、32·5 P·S·A礦渣硅酸鹽水泥。級配篩分(水篩法)和混合料摻配試驗結果如表1和圖1所示,合成級配范圍滿足文獻[8]對泡沫瀝青冷再生混合料中粒式級配范圍的要求。
按照文獻[8]的方法,確定再生混合料的最佳含水量6·3%。
1·2 試驗方法
按照表1的礦料配比,采用2·0%、2·5%、3·0%3個油石比,制備泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料試件。劈裂試驗采用Ф101·6 cm×63·5 cm馬歇爾試樣,試驗成型方法參照文獻[8]規定的標準成型方法,其中,為了進行對比,乳化瀝青混合料試樣的擊實也采用與泡沫瀝青混合料一樣的雙面各擊實75次的方法。車轍試驗參照文獻[9]的規定采用輪碾法成型,壓實后的試樣連同試模一起放置到60℃烘箱中烘干至恒重后進行車轍試驗。
按照文獻[9]的方法對試樣進行15、40、60℃劈裂試驗,浸水24 h劈裂試驗,測得劈裂強度、浸水劈裂強度,計算干濕劈裂強度比,并根據劈裂試驗的荷載-變形曲線中最大荷載和最大變形計算劈裂破壞勁度模量;按照文獻[9]的方法對試樣進行60℃的車轍試驗,測得動穩定度和60 min車轍累計變形指標。
2 試驗結果分析
2·1 15℃劈裂試驗
劈裂試驗是目前國內外評價冷再生混合料最常用的方法。劈裂試驗中試樣受拉破壞,比較接近路面材料實際受力狀態,已有研究證明劈裂強度和無側限抗壓強度、彎拉強度之間有一定的換算關系[10],是評價路面材料力學性能的有效手段。
15℃劈裂試驗結果如圖3所示。
(1)在油石比、級配完全相同的情況下,泡沫瀝青冷再生混合料15℃劈裂強度略高于乳化瀝青冷再生混合料,且均滿足文獻[11]中熱拌粗粒式瀝青混凝土的強度范圍。例如,油石比2·5%時,泡沫瀝青冷再生混合料15℃劈裂強度為0·71 MPa,略高于乳化瀝青冷再生混合料的0·69MPa,且均滿足密級配粗粒式瀝青混凝土0·6~1·0 MPa的15℃劈裂強度范圍。
(2)在油石比、級配完全相同的情況下,泡沫瀝青冷再生混合料劈裂破壞勁度模量明顯高于乳化瀝青冷再生混合料。分析認為,泡沫瀝青冷再生混合料中,泡沫瀝青與0·075 mm以下的礦粉結合后在混合料中呈“點焊”狀分布,起粘結作用是瀝青-礦粉膠漿,沒有“點焊”的部位還有水泥的粘結作用,而乳化瀝青混合料中起粘結作用的只是乳化瀝青,粘度顯然低于是瀝青-礦粉膠漿,其中的水泥也不能形成獨立的粘結,因此劈裂破壞勁度模量低于泡沫瀝青混合料。
(3)在通常的瀝青用量范圍內,冷再生混合料15℃劈裂強度指標對油石比的變化不敏感,但是劈裂破壞勁度模量隨油石比的增加而有所降低。這與熱拌瀝青混合料在常溫下的劈裂強度通常會隨油石比的增大、瀝青膜的增厚而降低[12-13]是不同,這可能是由于冷再生混合料的瀝青用量僅為2%~3%,遠低于熱拌瀝青混合料的原因。
2·2 浸水24h的15℃劈裂試驗
浸水24 h后的劈裂試驗得到的浸水劈裂強度和干濕劈裂強度比,可以反映冷再生混合料的抗水損害性能。浸水24 h后的15℃劈裂試驗結果如圖4、圖5所示。
(1)在油石比、級配完全相同的情況下,泡沫瀝青冷再生混合料浸水24 h后的15℃劈裂強度略高于乳化瀝青冷再生混合料,與未浸水的15℃劈裂試驗結果是一致的。
(2)在油石比、級配完全相同的情況下,冷再生混合料的干濕劈裂強度比均超過90%,說明冷再生混合料有卓越的抗水損害能力。分析認為,這是由于冷再生混合料是在有水的狀態下拌制的,其中的水泥在拌制、養生和浸水24 h期間不斷發生水化反應的原因。
(3)在油石比、級配完全相同的情況下,泡沫瀝青冷再生混合料浸水24 h后劈裂破壞勁度模量高于乳化瀝青冷再生混合料,與未浸水的15℃劈裂試驗結果是一致的。
(4)與乳化瀝青冷再生混合料在浸水24 h后模量明顯降低不同,泡沫瀝青冷再生混合料浸水24 h后劈裂破壞模量衰減不明顯。分析認為,泡沫瀝青冷再生混合料中的瀝青是“點焊”分布,使得水泥能夠更加充分地進行了水化反應。
(5)在2%~3%這一通常油石比范圍內,冷再生混合料浸水24 h后15℃劈裂強度指標對油石比的變化不敏感,但是劈裂破壞勁度模量隨油石比的增加而有所降低,這與未浸水的15℃劈裂試驗結果是一致的。
2·3 不同溫度條件下的劈裂試驗
采用2·0%的油石比制備試樣,分別在15、40、60℃條件下進行劈裂試驗,試驗結果如圖6所示。
從圖6中可以看出, 40℃和60℃條件下,泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強度分別為0·18、0·09 MPa,僅為15℃劈裂強度0·71 MPa的25·4%和12·7%;乳化瀝青冷再生混合料40℃和60℃條件下分別為0·19、0·08 MPa,僅為15℃劈裂強度0·69 MPa的27·5%和11·6%。油石比為2·5%、3·0%時的劈裂強度試驗結果以及材料的劈裂破壞模量結果存在同樣的規律。
可見,盡管劈裂強度的絕對值不同,但是無論是泡沫瀝青冷再生混合料、乳化瀝青冷再生混合料,其力學特性均存在和熱拌混合料一樣的溫度依賴性,這說明無論是乳化瀝青冷再生混合料還是泡沫瀝青冷再生混合料,其本質上仍然是瀝青混合料,是具有粘彈性特征的柔性材料,而不是半剛性材料。分析認為,盡管冷再生混合料中只添加了很少的(2%~3%)瀝青,但是RAP還有4%~5%的瀝青含量(盡管存在不同程度的老化),混合料總瀝青含量較高,使混合料整體表現出粘彈性材料特征。
2·4 車轍試驗
為了檢驗冷再生混合料的高溫穩定性,選用
2·5%的油石比,分別制備乳化瀝青冷再生混合料和泡沫瀝青冷再生混合料試件,進行車轍試驗,試驗結果如表4所示。
從表4中可以看出,泡沫瀝青冷再生混合料和乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度DS均遠遠超過文獻[14]對改性瀝青混合料動穩定度的技術要求,說明冷再生混合料有非常好的高溫穩定性。其次,乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度超過10 000次/mm,顯著高于泡沫瀝青冷再生混合料。分析認為,泡沫瀝青冷再生混合料存在兩種結合料,一是泡沫瀝青,另外一個是水泥。由于水泥劑量低,不足以有效粘結住泡沫瀝青“點焊”之外的集料,混合料更容易在荷載作用下出現剪切變形,使得動穩定度低于乳化瀝青冷再生混合料。
3 結語
(1)冷再生混合料15℃劈裂強度指標滿足《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)中密級配粗粒式熱拌瀝青混凝土的強度范圍。
(2)在油石比、級配完全相同的情況下,泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強度、浸水24 h后的劈裂強度略高于乳化瀝青冷再生混合料,泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂破壞勁度模量高于乳化瀝青冷再生混合料,乳化瀝青冷再生混合料的劈裂破壞應變要大于泡沫瀝青混合料。冷再生層一般用作路面基層或者下面層,層底會出現受拉破壞。如果按照現行公路瀝青路面設計規范以層底拉應力作為控制指標,泡沫瀝青冷再生混合料要略好于乳化瀝青冷再生。而如果以國外設計方法通常采用的層底拉應變作為控制指標,那么乳化瀝青冷再生混合料要優于泡沫瀝青冷再生混合料。
(3)泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料的力學特性均和熱拌瀝青混合料存在一樣的溫度依賴性,說明冷再生混合料本質上是瀝青混合料,是具有粘彈性特征的柔性材料,而不是半剛性材料。
(4)在2%~3%這一通常的油石比范圍內,泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度對油石比的變化不敏感,劈裂破壞模量隨油石比的增加而降低。
(5)泡沫瀝青冷再生混合料和乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度DS均遠遠超過《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)對改性瀝青混合料動穩定度的技術要求,有非常好的高溫穩定性,且乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度顯著高于泡沫瀝青冷再生混合料。
因此,乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料可以滿足用于瀝青中下面層的要求。
下一步的研究方向:本研究結論僅是在一個礦料級配、一種基質瀝青、一種RAP材料的基礎上得到的,在材料改變后研究結論是否有很好的復現性,還有待檢驗;本研究僅僅是室內試驗研究,研究結論還有待工程檢驗;開展低溫彎曲試驗和疲勞試驗,對乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料做進一步的對比研究。
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