汪德才，郝培文，劉　娜，張海偉，李志剛

乳化瀝青冷再生混合料和易性指標(biāo)及影響因素

汪德才1，2，郝培文1，劉娜2，張海偉1，李志剛1

（1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安710064；2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州450006）

為了研究乳化瀝青冷再生混合料和易性，采用自主研發(fā)的和易性測(cè)試設(shè)備，以扭矩值作為乳化瀝青冷再生混合料和易性表征指標(biāo)，研究了不同特性的乳化瀝青、回收瀝青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）摻量及拌和用水量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料和易性的影響規(guī)律，分析了乳化瀝青冷再生混合料和易性影響因素的顯著性，并通過反算水泥初凝時(shí)間以及旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的體積參數(shù)是否在規(guī)范范圍驗(yàn)證了測(cè)試方法及指標(biāo)的合理性.結(jié)果表明:再生混合料和易性隨著RAP摻量的增加而變差，合適的拌和用水量能顯著改善再生混合料和易性；RAP摻量和拌和用水量對(duì)再生混合料和易性有顯著影響，而乳化瀝青特性的影響不明顯；乳化瀝青冷再生混合料在拌和后存在一個(gè)最佳壓實(shí)時(shí)機(jī)，推薦扭矩閾值為20 N·m.

道路工程；乳化瀝青冷再生混合料；和易性；測(cè)試方法；扭矩閾值

乳化瀝青冷再生技術(shù)可最大限度地循環(huán)利用路面舊料，具有節(jié)能環(huán)保、降低工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前國家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，越來越受廣大公路工作者的青睞.隨著乳化瀝青冷再生技術(shù)用于道路大中修養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目的不斷增加，如何有效確保再生路面的施工質(zhì)量是一個(gè)重要問題.而乳化瀝青冷再生混合料的和易性是施工特性的一個(gè)重要指標(biāo)，用來描述混合料鋪筑與壓實(shí)性能的基本特征，直接關(guān)系到路面的壓實(shí)度與平整度.乳化瀝青冷再生混合料拌和后，為確保再生混合料的和易性，從拌和前場(chǎng)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后需要在乳化瀝青破乳之前完成攤鋪?zhàn)鳂I(yè).但由于在施工過程中可能存在機(jī)械故障或交通狀況等原因?qū)е略偕旌狭鲜スぷ餍裕ǚ胖脮r(shí)間過長）而延誤攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，不能確保再生混合料的整體性和壓實(shí)質(zhì)量，因此，拌和后的乳化瀝青冷再生混合料和易性在施工過程中有必要予以明確［1-5］.

目前，國內(nèi)規(guī)范［6］關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料的和易性并未提出明確要求，在應(yīng)用過程中再生混合料的和易性主要根據(jù)目測(cè)再生混合料是否變黑、卸車是否困難等現(xiàn)象進(jìn)行主觀判斷，沒有統(tǒng)一的方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行表征，一定程度上影響著乳化瀝青冷再生混合料的壓實(shí)質(zhì)量，并制約著乳化瀝青冷再生技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用.因此，正確、合理反映乳化瀝青冷再生混合料拌和、攤鋪過程中的和易性測(cè)試方法與指標(biāo)等方面的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

1　材料與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

1）回收瀝青路面材料（RAP）

采用某高速面層的銑刨料，通過阿布森法從RAP中回收瀝青，回收瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.9%，其技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表1，RAP抽提前后的篩分結(jié)果見表2.

表1　RAP技術(shù)指標(biāo)Table 1　Technology properties of recycled asphalt pavement

表2　RAP抽提前后級(jí)配組成Table 2　Gradation of RAP before and after extraction test

2）乳化瀝青

基質(zhì)瀝青采用鎮(zhèn)海70號(hào)道路石油瀝青，選用工程中常用的3種陽離子慢裂快凝型乳化劑，室內(nèi)采用德國RINK乳化瀝青實(shí)驗(yàn)小磨制備乳化瀝青，記為E1、E2、E3.試驗(yàn)結(jié)果見表3.

3）級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG F41乳化瀝青冷再生混合料中粒式級(jí)配要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，RAP摻量分別為70%、80%、90%，添加相應(yīng)的石屑摻量為30%、20%、10%.外摻水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32.5，用量均采用1.5%.水為西安地區(qū)的自來水，所有材料檢測(cè)指標(biāo)都符合規(guī)范要求.合成級(jí)配分別記為G1、G2、G3，見圖1.

1.2試驗(yàn)方法

為了能真實(shí)合理地反映乳化瀝青冷再生混合料拌和與攤鋪時(shí)的和易性，探索初期筆者曾借鑒水泥混凝土坍落度試驗(yàn)方法測(cè)試乳化瀝青冷再生混合料的和易性，但隨著時(shí)間的變化混合料坍落度幾乎沒有變化，證明該方法不適于乳化瀝青冷再生混合料.本文中乳化瀝青冷再生混合料和易性測(cè)試借助于自主研發(fā)的混合料和易性測(cè)試設(shè)備，見圖2，該設(shè)備模擬乳化瀝青冷再生混合料拌和攤鋪過程，利用扭力扳手，測(cè)定攪拌葉片在恒定速率下拌和混合料時(shí)所受的扭矩值，以扭矩值來表征乳化瀝青冷再生混合料的和易性，扭矩值越大，刀片受到的攪拌阻力越大，說明和易性越差［7-11］.

根據(jù)文獻(xiàn)［12］中關(guān)于使用該和易性測(cè)試儀器的方法，試驗(yàn)步驟如下:

步驟1試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，首先在拌鍋中拌和15 kg乳化瀝青冷再生混合料，將再生混合料裝入和易性設(shè)備中，每次裝的方式相同，確保松裝密度基本一致，以減小試驗(yàn)誤差.

表3　乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 3　Technology properties of emulsified asphalt

步驟2采用相同的轉(zhuǎn)速（3 r/s）勻速轉(zhuǎn)動(dòng)扭力扳手并記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)試驗(yàn)8次，測(cè)試過程參見圖3.

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1和易性與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系

放置時(shí)間是影響乳化瀝青冷再生混合料和易性的關(guān)鍵因素，為研究再生混合料和易性隨時(shí)間的變化規(guī)律，本文選用 G2（級(jí)配類型）與 E2（乳化瀝青），在最佳乳化瀝青用量4.0%、拌和用水量3.6%下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試不同放置時(shí)間下乳化瀝青冷再生混合料的和易性，試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

由圖4可知，隨著乳化瀝青冷再生混合料放置時(shí)間的增加，再生混合料扭矩變大，并且與放置時(shí)間呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.990.分析原因主要是由于乳化劑物理化學(xué)的作用，瀝青微珠逐步形成，水分被乳化劑分子間的作用力擠出并開始揮發(fā)，于是瀝青微珠間的相互吸附、擴(kuò)散、凝結(jié)形成薄膜裹覆于舊料表面，乳化瀝青冷再生混合料逐漸失去工作性，從而引起再生混合料和易性變差；另外，水泥初期強(qiáng)度也會(huì)逐漸形成，再生混合料整體強(qiáng)度增加，扭矩變大，致使其和易性逐漸變差，這些都會(huì)影響再生混合料難以壓實(shí)而無法有效地形成板體結(jié)構(gòu).

在施工過程中，考慮到冷再生用乳化瀝青材料特性、工程運(yùn)距、交通組織等因素影響，再生混合料設(shè)計(jì)通常要求在2 h內(nèi)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，故本文采用再生混合料拌和后2 h為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試.

2.2和易性影響因素

影響乳化瀝青冷再生混合料的和易性因素很多，包括再生混合料級(jí)配、乳化瀝青特性、拌和用水量、拌和時(shí)間與環(huán)境溫度等.本文主要研究RAP摻量、乳化瀝青特性及拌和用水量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料和易性的影響規(guī)律，具體試驗(yàn)方案見表4.

2.2.1RAP摻量對(duì)和易性的影響

根據(jù)表4中的方案1，采用自主研發(fā)的和易性設(shè)備研究3種不同RAP摻量對(duì)再生混合料和易性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖5.

表4　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 4　Experiment scheme design

由圖可知，隨RAP摻量的增加乳化瀝青冷再生混合料的所受扭矩增大，再生混合料和易性逐漸變差.當(dāng)RAP摻量為70%時(shí)再生混合料所受扭矩為18.1 N·m，RAP摻量為80%時(shí)再生混合料扭矩相比RAP摻量為70%時(shí)增加6.6%，RAP摻量為90%時(shí)再生混合料扭矩相比 RAP摻量為70%時(shí)增加11%.其原因可能是由于新舊料所產(chǎn)生的摩阻力不一樣，RAP摻量為70%時(shí)添加新石屑相對(duì)較多，適量的細(xì)集料在混合料施工過程中能起一定的潤滑作用，因此，RAP摻量為70%的混合料和易性相對(duì)較好；RAP摻量為90%時(shí)，再生混合料中添加的石屑較少，而且粗集料表面紋理粗糙，集料間摩阻力較大，會(huì)降低和易性；這也說明新舊料及粗細(xì)料的搭配比例會(huì)對(duì)再生混合料和易性有影響，因此，在級(jí)配設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮合成級(jí)配的均勻性，保證再生混合料具有較好的和易性和較高的強(qiáng)度.

2.2.2拌和用水量對(duì)和易性的影響

根據(jù)表4中的方案2，采用自主研發(fā)的和易性設(shè)備研究乳化瀝青冷再生混合料在3種不同拌和用水量下對(duì)再生混合料和易性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖6.由圖可知，隨著乳化瀝青冷再生拌和用水量的增加，扭矩先減小后增大，當(dāng)拌和用水量為3.6%時(shí)，再生混合料所受扭矩為19.3 N·m，拌和用水量為3.1%時(shí)，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時(shí)增加了5.7%；拌和用水量為4.1%時(shí)，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時(shí)增加了3.1%，這說明合適的拌和用水量能改善再生混合料和易性.當(dāng)拌和用水量較小時(shí)，乳化瀝青難以分散均勻，集料顆粒之間潤滑不足，摩阻力較大，再生混合料和易性表現(xiàn)較差；當(dāng)拌和用水量較多時(shí)，再生混合料中細(xì)料聚集、粗細(xì)料出現(xiàn)離析現(xiàn)象，同樣也導(dǎo)致再生混合料和易性較差.

2.2.3乳化瀝青特性對(duì)和易性的影響

選用試驗(yàn)方案3，在最佳拌和用水量下拌制乳化瀝青冷再生混合料，研究3種不同特性的乳化瀝青對(duì)再生混合料和易性的影響，結(jié)果見圖7.分析數(shù)據(jù)可知，不同乳化瀝青冷再生混合料所受扭矩有一定的差異，乳化瀝青E2相比于E1、E3具有較好的和易性，即不同乳化瀝青冷再生混合料表現(xiàn)的和易性也不同，但差別不明顯.一般而言，乳化瀝青粒徑越細(xì)，其裹覆RAP后形成的潤滑作用越明顯［13］，再生混合料和易性相應(yīng)越好；另外，用不同乳化劑制備的乳化瀝青，其化學(xué)活性、物化性質(zhì)不同，則與舊料的裹覆均勻性、和易性不同［14］.

2.2.4統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)不同RAP摻量、拌和用水量及乳化瀝青特性下乳化瀝青冷再生混合料和易性的扭矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析［15］，分析結(jié)果見表5、6.由表5方差分析結(jié)果可知:RAP摻量、拌和用水量對(duì)再生混合料和易性有顯著影響，而乳化瀝青特性對(duì)再生混合料和易性影響不顯著.由表6統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知:95%的置信區(qū)間為19.3～20 N·m，其中極大值為20.6 N·m，極小值為17.8 N·m，因此，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果初步建議乳化瀝青冷再生混合料扭矩閾值（和易性指標(biāo)的臨界值）定為20 N·m.結(jié)合乳化瀝青冷再生混合料和易性與放置時(shí)間的關(guān)系（見圖4擬合的線性關(guān)系），可以反算出乳化瀝青冷再生混合料放置時(shí)間不宜超過2.5 h，這也與乳化瀝青冷再生混合料中規(guī)定的水泥初凝時(shí)間要求基本一致.

表5　方差分析Table 5　Multivariate analysis of variance

表6　和易性扭矩統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6　Statistical result of torque value

2.3驗(yàn)證和易性指標(biāo)

據(jù)有關(guān)資料顯示［16］，由于壓實(shí)性與和易性之間有一定的聯(lián)系，再生混合料在不同階段的壓實(shí)性試驗(yàn)可以作為其和易性的一個(gè)度量，因此，本文基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件方法，試件直徑100 cm，旋轉(zhuǎn)角1.25°，壓力為600 kPa，通過測(cè)試不同扭矩值條件下試件的體積參數(shù)是否在合理范圍，進(jìn)一步探究再生混合料和易性指標(biāo)的合理性，結(jié)果見圖8.

由圖8分析可知，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件空隙率隨放置時(shí)間的增加呈現(xiàn)先減小后增大，最后趨于平緩的趨勢(shì)，且最低點(diǎn)出現(xiàn)在閾值內(nèi)，這說明再生混合料在確保良好和易性下存在一個(gè)最佳的壓實(shí)時(shí)機(jī).當(dāng)扭矩值小于20 N·m時(shí)，所測(cè)空隙率符合目前國內(nèi)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料空隙率9%～14%的要求.當(dāng)扭矩測(cè)試值大于20 N·m時(shí)，空隙率逐漸增大并趨于平緩，最后大于規(guī)范要求的上限值，因此，從壓實(shí)試件體積參數(shù)方面也反映出推薦乳化瀝青冷再生混合料和易性閾值為20 N·m合理可行.

3　結(jié)論

1）探討了一種乳化瀝青冷再生混合料和易性的測(cè)試方法及指標(biāo)，提出采用扭矩表征乳化瀝青冷再生混合料的和易性，施工前應(yīng)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行扭矩測(cè)定，確保其混合料和易性，提高路面壓實(shí)質(zhì)量.

2）乳化瀝青冷再生混合料和易性隨著RAP摻量的增加而變差，當(dāng)RAP摻量為70%時(shí)再生混合料所受扭矩為18.1 N·m，RAP摻量為80%時(shí)再生混合料扭矩相比RAP摻量為70%時(shí)增加6.6%，RAP摻量為90%時(shí)再生混合料扭矩相比RAP摻量為70%時(shí)增加11%；隨著乳化瀝青冷再生拌和用水量的增加，扭矩先減小后增大，當(dāng)拌和用水量為3.6%時(shí)，再生混合料所受扭矩為19.3 N·m，當(dāng)拌和用水量為3.1%時(shí)，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時(shí)增加了5.7%；拌和用水量為4.1%時(shí)，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時(shí)增加了3.1%，這說明合適的拌和用水量能改善再生混合料和易性；不同特性乳化瀝青冷再生混合料表現(xiàn)的和易性不一致，但差別不明顯.一般而言，乳化瀝青粒徑越細(xì)，其裹覆RAP后形成的潤滑作用越明顯，再生混合料和易性相應(yīng)越好.

3）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得出RAP摻量和拌和用水量對(duì)再生混合料和易性有顯著影響，而乳化瀝青特性對(duì)再生混合料和易性影響不顯著.根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果推薦了再生混合料和易性閾值為20 N·m，并通過反算水泥初凝時(shí)間與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的體積參數(shù)證明了該測(cè)試方法及指標(biāo)的合理性，也表明乳化瀝青冷再生混合料拌和后存在一個(gè)最佳的壓實(shí)時(shí)機(jī).

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（責(zé)任編輯鄭筱梅）

Workability Indicator for Emulsified Asphalt Recycled Mixture and Influence Factors

WANG Decai1，2，HAO Peiwen1，LIU Na2，ZHANG Haiwei1，LI Zhigang1
（1.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.Henan Transportation Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450006，China）

In order to study the workability of emulsified asphalt cold recycled mixture（ECRM），the different characteristics of emulsified asphalt，reclaimed asphalt pavement（RAP）content and the influence laws of mixing water content were researched with the self-developed workability test equipment.Moreover，the significance level of influence factors was analyzed by statistic methods. Finally，the rationality of this method and the indicator was verified by back-calculating the jelling time and the volume parameter of superpave gyratory compactor（SGC）molding method.The result shows that the workability of ECRM become worse with increasing RAP content，which can be siginificantly improved by proper mixing water content.RAP content and mixing water content have a significantly impacts on the workability，while the emulsified asphalt has no such effects.ECRM has the optimal timing of the compaction after mixing，when the torque threshold is recommended for 20 N·m.

highway engineering；emulsified asphalt recycled mixture；workability；test method；torque threshold

U 416.26

A

0254-0037（2016）06-0919-07

10.11936/bjutxb2015090044

2015-09-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51408050）；交通運(yùn)輸部西部項(xiàng)目中心資助項(xiàng)目（2014316T12050）

汪德才（1983—），男，博士研究生，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究，E-mail:decaiww@126.com