趙 立 魏定邦 丁 民 曹青霞

(1 甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730000；2 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅省公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)工程研究中心，甘肅蘭州 730020)

在較長的一段時(shí)期內(nèi)，冷再生混合料缺少規(guī)范的設(shè)計(jì)方法。隨著對(duì)混合料工程性能的要求不斷提高，很多國家和地區(qū)都提出了冷再生混合料設(shè)計(jì)方法，但是目前還沒有全球普遍認(rèn)可的設(shè)計(jì)方法，即便是在美國，各個(gè)州的冷再生混合料設(shè)計(jì)方法也不盡相同。Lee等的調(diào)研報(bào)告稱，美國有11個(gè)州使用馬歇爾混合料設(shè)計(jì)方法，3個(gè)州使用維姆設(shè)計(jì)方法，4個(gè)州使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，7個(gè)州使用其他方法，還有4個(gè)州沒有自己的方法[1～3]。近幾年來，隨著大多數(shù)國家相繼進(jìn)入公路養(yǎng)護(hù)時(shí)代，以及低碳環(huán)保的全球趨勢，再生作為一種主要的路面養(yǎng)護(hù)方式被提出來，南非、瑞典等國家相繼提出自己的混合料設(shè)計(jì)方法。南非瀝青協(xié)會(huì)于2009年修訂完成了《Technical Guideline:Betumen Stabilised Materials》對(duì)泡沫瀝青和乳化瀝青穩(wěn)定混合料的設(shè)計(jì)施工作為較為詳盡的規(guī)定[4～6]。其中的混合料設(shè)計(jì)方法是在最近大量研究工作的基礎(chǔ)上提出的，與其他國家的方法有十分明顯的不同。

此外，一些從事乳化瀝青或者公路行業(yè)的公司也提出了自己的設(shè)計(jì)方法，如SHELL、Colas、Akzon Nobel等公司，也為冷再生技術(shù)的發(fā)展做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)[7～8]。

廠拌乳化瀝青冷再生混合料從生產(chǎn)到攤鋪需要經(jīng)過運(yùn)輸過程，在大多數(shù)工程中這個(gè)時(shí)間在2～4小時(shí)不等。但是由于乳化瀝青的特點(diǎn)，一般采用慢裂慢凝乳化劑，能夠保證一定的施工時(shí)間。但是如何確定施工時(shí)間，一般都由工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、指南均無相關(guān)試驗(yàn)方法。乳化瀝青破乳后會(huì)引起混合料整體粘度上升，造成無法卸車，碾壓困難或碾壓粘輪等問題，如圖1所示。因此本文針對(duì)上述問題，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后乳化瀝青冷再生混合料的體積指標(biāo)變化以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化來確定其施工時(shí)間[9～10]。

圖1 乳化瀝青冷再生混合料破乳造成碾壓時(shí)粘輪

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

1.基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用殼牌90#A級(jí)瀝青制備，其所檢指標(biāo)均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》。

1.1.2 乳化劑

乳化劑采用法國阿科瑪CECA 4582M慢裂慢凝乳化劑。

1.1.3 RAP

RAP采用蘭州高養(yǎng)中心樹屏料場銑刨料，篩分結(jié)果如表1。

1.2 試件制備及測試

1.2.1 樣品拌合

1)銑刨料干拌、預(yù)摻水拌和的環(huán)境溫度宜控制在25℃±2℃的范圍內(nèi)；

2)試件成型溫度應(yīng)控制在25℃±2℃的范圍內(nèi)；

3)將稱取后的RAP材料在25℃±2℃的環(huán)境溫度下存放至少一個(gè)小時(shí)，至RAP料達(dá)到該養(yǎng)生溫度；

4)加入預(yù)摻水并開始拌和，拌和時(shí)間不少于1分鐘；

5)加入相應(yīng)質(zhì)量的乳化瀝青，將混合料充分拌和至均勻。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型

1)將拌和均勻的混合料在室內(nèi)放置一定時(shí)間后放入旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀試模，并壓實(shí)成型，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的壓力設(shè)定為600kPa，內(nèi)部角控制為1.25°，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)選擇為70次；

2)試件壓實(shí)成型后迅速脫模，將脫模后的試件放在60℃的養(yǎng)生條件下養(yǎng)生24小時(shí)；

3)養(yǎng)生結(jié)束后測量體積指標(biāo)。

1.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試

1)將拌和均勻的混合料放入φ100mm的馬歇爾試模中，上面采用6.5Kg進(jìn)行壓實(shí)模擬運(yùn)輸過程中混合料受到的壓力，至一定時(shí)間后取出后脫模；

2)以200mm/min速度進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，采集其最大壓力Fmax。

2 結(jié)果與討論

采用上述兩種方法確定乳化瀝青混合料的最佳施工時(shí)間，將拌合好的混合料在室內(nèi)分別放置1h、2h、3h、4h、5h后進(jìn)行測試。

乳化瀝青冷再生混合料配合比如表2所示。

2.1 不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的影響

乳化瀝青冷再生混合料的破乳屬于碾壓破乳，壓實(shí)功越大，乳化瀝青破乳程度越高，混合料的早期強(qiáng)度越高，同時(shí)混合料的密實(shí)度越大，耐久性能越好。在上述級(jí)配下，按旋轉(zhuǎn)壓實(shí)圈數(shù)控制成型試件，測試試件的體積指標(biāo)及力學(xué)性能，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)圈數(shù)對(duì)應(yīng)的試件孔隙率和劈裂強(qiáng)度

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件孔隙率普遍較馬歇爾試件低，由圖2可以看到，隨著壓實(shí)圈數(shù)增加，冷再生混合料孔隙率逐漸降低，劈裂強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)超過50次后，孔隙率降低至9%以下，劈裂強(qiáng)度增加至0.5MPa以上，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)超過70次以后，孔隙率降低及劈裂強(qiáng)度增長均較為緩慢。

表1 RAP料、水泥篩分試驗(yàn)結(jié)果表

表2 乳化瀝青冷再生配合比

2.2 乳化瀝青破乳對(duì)混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)體積指標(biāo)的影響

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件，隨著乳化瀝青的逐步破乳，混合料體系粘度增大，在壓實(shí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的阻力，使得最終的成型試件高度增加，試件孔隙率增大，相應(yīng)的劈裂強(qiáng)度也降低，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 成型時(shí)間對(duì)試件高度、劈裂強(qiáng)度的影響

由圖3可以看到，隨著壓實(shí)圈數(shù)的增加，試件高度從93mm左右降低至80mm左右；由于受到乳化瀝青破乳的影響，將拌合好的試樣放置4小時(shí)后再成型，試件高度從93mm急劇增加至100mm左右，說明此乳化瀝青混合料的可施工試件在4小時(shí)以內(nèi)，超過4小時(shí)，由于體系粘度增加，會(huì)影響到混合料卸車及攤鋪碾壓。

同時(shí)，隨著放置時(shí)間的增加，劈裂力值在4.5～5小時(shí)會(huì)有一個(gè)峰值，超過5小時(shí)后劈裂力值迅速下降。說明乳化瀝青冷再生混合料有一個(gè)最佳的壓實(shí)時(shí)間，在此時(shí)間壓實(shí)，會(huì)取得良好的早期力學(xué)性能。這是因?yàn)槿榛癁r青冷再生混合料的早期強(qiáng)度取決于混合料中水的含量，水含量越少，強(qiáng)度越高?！豆窞r青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)中也規(guī)定，當(dāng)混合料中水含量小于2%時(shí)或者可鉆出完整芯樣時(shí)，即可進(jìn)行下一步施工?；瘜W(xué)作用和外力碾壓均可導(dǎo)致乳化瀝青破乳，使其水分散失、強(qiáng)度增加，選擇在乳化瀝青化學(xué)破乳時(shí)進(jìn)行碾壓，可使得混合料內(nèi)部水分最大程度的散失，產(chǎn)生較高的強(qiáng)度。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度確定施工時(shí)間

乳化瀝青冷再生混合料在運(yùn)輸過程中受到料堆壓力，乳化瀝青也會(huì)發(fā)生破乳現(xiàn)象，造成卸車?yán)щy。但是如何確定施工時(shí)間，一般都由工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、指南均無相關(guān)試驗(yàn)方法。本文采用乳化瀝青混合料試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化情況，來確定混合料的可施工時(shí)間。

配比A與配比B是兩種不同乳化劑摻量的乳化瀝青制備而成，配比A中乳化劑摻量為2.5%，配比B中乳化劑摻量為2.0%。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：

從圖4可以看到，乳化瀝青冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度力值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，配比A的抗壓強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在5小時(shí)，而配比B的抗壓強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在3小時(shí)。隨著乳化瀝青的破乳，混合料粘度增加，其抗壓強(qiáng)度逐步增加并出現(xiàn)峰值；但是當(dāng)乳化瀝青破乳完成還未進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，混合料呈現(xiàn)散狀顆粒，無法將整體粘結(jié)起來，不具備整體強(qiáng)度，因此，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而下降，部分試件由于松散甚至無法脫模。配比B中經(jīng)過6小時(shí)的放置，混合料已經(jīng)完全破乳，因此其測試強(qiáng)度只有不到0.1kN。

通過上述試驗(yàn)，對(duì)于可施工時(shí)間，應(yīng)選取在峰值前1小時(shí)，以確保卸車過程以及攤鋪過程。因此配比A與配比B的可施工時(shí)間應(yīng)在4小時(shí)和2小時(shí)。

圖4 放置時(shí)間對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 語

1)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)可促進(jìn)乳化瀝青破乳，當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)超過50次后，孔隙率降低至9%以下，劈裂強(qiáng)度增加至0.5MPa以上，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)超過70次以后，孔隙率降低及劈裂強(qiáng)度增長均較為緩慢。

2)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后試件體積指標(biāo)以及定壓力放置下試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能夠反應(yīng)出乳化瀝青冷再生混合料的可施工時(shí)間，對(duì)于配比A，其可施工時(shí)間為4小時(shí)，配比B為2小時(shí)。

3)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先升高后降低的特征表明乳化瀝青冷再生混合料的壓實(shí)有一個(gè)最佳時(shí)間，在此時(shí)間段，乳化瀝青的化學(xué)破乳及碾壓破乳可以最大限度的將混合料內(nèi)部水分排出，從而獲得較高的早期強(qiáng)度。

[1]AASHTO T 165-55.Effect of Water on Cohesion of Compacted Bituminous Mixtures.Standard Specifications for Transportation Materials and Methods and Sampling and Testing Part II：Tests. Washington D.C.,1997.

[2]AASHTO T 182-84.Coating and Stripping of Bitumen-Aggregate Mixtures.Standard Specifications for Transportation Materials and Methods and Sampling and Testing Part II：Tests. Washington D.C., 1997.

[3]AASHTO T 283-89.Resistance of Compacted Bituminous Mixture to Moisture-Induced Damage. Standard Specifications for Transpor tation Materials and Methods and Sampling and Testing Part II： Tests.Washington D.C.,1993.

[4]ASTM D1075,Standard Test Method for Effect of Water on Compressive Strength of Compacted Bituminous Mixtures.Annual Book of ASTM Standards 4.03.West Conshohocken,PA：ASTM International, 2004.

[5]ASTM D3497.Standard Test Method for Dynamic Modulus of Asphalt Mixtures.Annual Book of ASTM Standards 4.03. West Conshohocken,PA ： ASTM International,2003.

[6]ASTM D3625,Standard Practice for Effect of Water on Bituminous-Coated Aggregate Using Boiling Water.Annual Book of ASTM Standards 4.03.West Conshohocken,PA：ASTM International,2005.

[7]ASTM D4867.Standard Test Method for Effect of Moisture on Asphalt Concrete Paving Mixtures. Annual Book of ASTM Standards 4.03.West Conshohocken,PA： ASTM International, 2004.

[8]Witczak,M.W.,Kaloush,K.,Pellinen,T.,El-Basyouny,M.,Von Quintus,H.,Simple Performance Test for Superpave Mix Design. National Cooperative Highway Research Program (NCHRP)Report 465, 2002.

[9]Witczak,M.W.,NCHRP Report 547： Simple Performance Tests：Summary of Recommended Methods and Database.Transportation Research Board,National Highway Research Council,Washington D.C., 2005.

[10] R.Christopher Williams,Report 2010：Evaluation of Hot Mix Asphalt Moisture Sensitivity Using the Nottingham Asphalt Test Equipment.Iowa state university institute for transportation,2010.