汪德才，郝培文

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2.河南省道路材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，鄭州 450006；3.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450006；4.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)

瀝青路面冷再生技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益，是一項(xiàng)符合國家可持續(xù)發(fā)展要求的道路維修措施.近年來以乳化瀝青作為再生劑的瀝青路面冷再生技術(shù)在國外瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修和升級(jí)改造中得到了廣泛應(yīng)用[1-2].但由于國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范[3]中關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)并未涉及早期性能指標(biāo)，而黏聚力是其冷再生混合料早期性能的關(guān)鍵表征指標(biāo)，在工程實(shí)施過程中易出現(xiàn)由于冷再生混合料早期黏聚力指標(biāo)缺失而造成取芯困難或難以開放交通，或是開放交通后出現(xiàn)表面裂紋等問題，這在一定程度上限制了該項(xiàng)技術(shù)的推廣與應(yīng)用.2017年，Yan等[4]對(duì)冷再生混合料的早期強(qiáng)度基于維姆(HVEEN)內(nèi)聚試驗(yàn)和磨耗試驗(yàn)分別測(cè)定內(nèi)聚力和損失率表征，研究加入水泥對(duì)其早期強(qiáng)度和長期性能的影響，表明早期強(qiáng)度和長期性能間存在很強(qiáng)的線性相關(guān)性.2013年，周源[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)表明添加適量生石灰可以增加乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度，并能縮短養(yǎng)生工期.2016年，耿九光等[6]提出加入早強(qiáng)水泥可改善乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度，能顯著縮短工期.2016年，李鋒等[7]基于黏結(jié)力試驗(yàn)和磨耗試驗(yàn)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度與水穩(wěn)定性能展開研究，得出隨水泥用量增大，早期強(qiáng)度與水穩(wěn)定性能增加，但會(huì)降低低溫性能.2016年，陳海民等[8]通過分析現(xiàn)有冷再生設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為基于黏聚力、抗磨耗及取芯試驗(yàn)可選擇最佳乳化瀝青配方.可以看出，國內(nèi)外研究主要集中在水泥、石灰等常規(guī)材料對(duì)冷再生混合料早期強(qiáng)度改善以及中長期性能等方面，關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料早期性能控制指標(biāo)及影響因素研究很少，對(duì)再生劑(regenerating agent，RA)、布敦巖瀝青(Buton rock asphalt, BRA)、玄武巖纖維(basalt fiber，BF)等不同技術(shù)方式對(duì)改善冷再生混合料早期性能方面也鮮少涉及，因此開展乳化瀝青冷再生混合料早期黏聚力指標(biāo)及要求等方面的研究對(duì)于優(yōu)化其冷再生混合料設(shè)計(jì)及施工工序具有重要意義.

1 試驗(yàn)實(shí)施

1.1 試驗(yàn)材料

1)RAP

采用某高速面層銑刨料，通過阿布森法從瀝青舊料(reclaimed asphalt pavement,RAP)中回收瀝青，瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.87%，其技術(shù)指標(biāo)為：25 ℃針入度2.41 mm, 軟化點(diǎn)60.8 ℃，15 ℃延度11.6 cm，60 ℃黏度2 831 Pa·s.

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4種冷再生用乳化劑，室內(nèi)采用膠體磨制備乳化瀝青，記為E1、E2、E3、E4.采用激光粒度儀進(jìn)行乳化瀝青粒徑測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

3)改性材料

RA為熱再生常用再生劑，60 ℃黏度2.3 Pa·s，飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%，薄膜加熱試驗(yàn)前后質(zhì)量變化1.6%.BF外觀為金褐色，密度2.463 g/cm3，直徑15 μm，長度6 mm，斷裂伸長率3.1%，吸油率70%.BRA為黑褐色顆粒，密度1.71 g/cm3，瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%，含水量小于1%.SBR膠乳常溫下呈乳白色液狀，帶陽離子電荷，固含量50%，pH 5～7，機(jī)械穩(wěn)定性(5 min)小于1%.根據(jù)各材料廠商推薦用量，其中RA添加比例為RAP中舊瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的8%，BF與BRA摻量分別為冷再生混合料的0.30%、0.35%，SBR膠乳為乳化瀝青用量的3%.

4)材料組成設(shè)計(jì)

參考JTG F41中乳化瀝青冷再生混合料中粒式級(jí)配要求設(shè)計(jì)，RAP摻量分別為70%、80%、90%，添加相應(yīng)石屑分別為30%、20%、10%，合成級(jí)配分別記為G1、G2、G3，見表2.采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32.5，外摻用量1.5%，水為飲用自來水，所有材料檢測(cè)指標(biāo)均符合規(guī)范要求.最佳乳化瀝青用量、拌和用水量均基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次成型試件時(shí)最大劈裂強(qiáng)度而確定，分別為4.0%、3.6%.

表2 乳化瀝青冷再生材料組成級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

目前，關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料早期黏聚力評(píng)價(jià)方法主要有以下4種方式.

1)HVEEN黏聚力試驗(yàn)

HVEEN黏聚力試驗(yàn)?zāi)M路面材料層底彎拉應(yīng)力狀態(tài)是基于ASTM D1560修正而來，試驗(yàn)儀器如圖1所示，其試驗(yàn)原理是通過一定規(guī)格的小鋼珠勻速在懸臂梁末端上加載，直至試件掰斷或者彎曲至某一變形(13 mm)時(shí)，彈簧開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，小球停止流出，稱量并記錄小球質(zhì)量(g)，按計(jì)算黏聚力大小.式中：C為黏聚力，g/cm2；L為球重，g；W為試件直徑，cm；H為試件高度，cm.

(1)

試件準(zhǔn)備：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)20次成型直徑150 mm、高(80±3)mm的圓柱體試件，在溫度25 ℃、相對(duì)濕度70%的恒溫恒濕箱中養(yǎng)生4 h.

2)磨耗試驗(yàn)

根據(jù)ASTM D7196磨耗試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，試件準(zhǔn)備與上文黏聚力試驗(yàn)一致，養(yǎng)生后稱重為Wb，室溫下磨耗15 min后稱重為Wa(當(dāng)試件松散即刻停止)，磨耗損失率L計(jì)算公式為

(2)

式中：L為磨耗損失率，%；Wb為磨耗前試件質(zhì)量，g；Wa為磨耗后試件質(zhì)量，g.

3)鉆取芯樣

為更直觀檢驗(yàn)冷再生混合料早期強(qiáng)度形成情況，在室內(nèi)模擬現(xiàn)場實(shí)際，通過成型車轍板鉆取芯樣，以試件的完整度進(jìn)行直觀評(píng)價(jià).

4)稀漿混合料黏聚力測(cè)試方法

本方法適用于確定稀漿混合料(或微表處)初凝時(shí)間和開放交通時(shí)間，通過扭力扳手測(cè)定不同養(yǎng)生時(shí)間下的黏聚力控制混合料的性能，不僅可以評(píng)價(jià)混合料成型速度，也可反映其強(qiáng)度性能.

綜上所述，各種不同黏聚力測(cè)試方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，考慮材料試驗(yàn)方法時(shí)主要有兩方面：一是與現(xiàn)場實(shí)際的吻合程度；二是試驗(yàn)方法的簡便性、精確性與可操作性.稀漿混合料黏聚力試驗(yàn)測(cè)試攤鋪碾壓后黏聚力大小，能較好評(píng)價(jià)混合料的黏聚力，但評(píng)價(jià)乳化瀝青冷再生混合料黏聚力是否科學(xué)合理，未予論證；磨耗試驗(yàn)間接模擬開放交通后的情況，但未反映混合料內(nèi)部真實(shí)黏聚力的情況；鉆取芯樣試驗(yàn)可直觀定性判斷內(nèi)部黏聚力形成情況，但受試驗(yàn)操作影響，數(shù)據(jù)變異性大，難以定量.而HVEEN試驗(yàn)儀可較為真實(shí)地模擬現(xiàn)場實(shí)際，且評(píng)價(jià)其黏聚力也具有較好的一致性，因此本研究借助于HVEEN試驗(yàn)儀定量評(píng)價(jià)乳化瀝青冷再生混合料早期形成黏聚力的情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 黏聚力影響因素

2.1.1 成型時(shí)間影響

根據(jù)HVEEN黏聚力試驗(yàn)方法，在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%以及90%RAP摻量條件下成型試件，測(cè)試放置不同時(shí)間后試件黏聚力大小，結(jié)果見圖2.

由圖2可知，乳化瀝青冷再生混合料黏聚力隨放置時(shí)間增加呈先增大后減小趨勢(shì)，放置約2 h試件黏聚力最大.由于乳化瀝青前期并未破乳，具有良好和易性，后期隨著水分揮發(fā)，乳化瀝青開始破乳凝結(jié)，冷再生混合料逐步失去和易性，對(duì)成型后試件黏聚力有影響，這也說明黏聚力最大值存在于乳化瀝青冷再生混合料和易性良好時(shí)[9].

2.1.2 乳化瀝青特性及用量影響

根據(jù)HVEEN黏聚力測(cè)試方法，在乳化瀝青用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，考察4種乳化瀝青E1、E2、E3、E4對(duì)混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖3；在乳化瀝青用量(E1)4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，考察4種乳化瀝青用量3.0%、3.5%、4.0%、4.5%對(duì)混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖4.

由圖3可知，乳化劑種類對(duì)乳化瀝青冷再生混合料黏聚力指標(biāo)有影響，黏聚力由大到小依次為E2、E1、E4、E3，乳化瀝青平均粒徑由大到小依次為E3、E4、E2、E1，從乳化瀝青E2、E3、E4的黏聚力來看，說明粒徑越小黏聚力越大，但從乳化瀝青E1與E2的黏聚力來看，并非完全說明粒徑越小黏聚力就越大，可能還與乳化劑本身分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)系.

由圖4可知，乳化瀝青用量在3.0%～4.0%變化時(shí)，黏聚力隨著乳化瀝青用量增加而增大；乳化瀝青用量在4.0%～4.5%變化時(shí)，黏聚力反而有所下降，因此冷再生混合料黏聚力最大值存在于乳化瀝青用量為4.0%～4.5%時(shí).由于乳化瀝青用量較少，一方面會(huì)導(dǎo)致乳化瀝青破乳后瀝青裹復(fù)舊料面積較小，另一方面需要拌和用水量會(huì)增多，水分蒸發(fā)時(shí)間延長，殘留空隙較大；乳化瀝青用量較多時(shí)，殘留瀝青相應(yīng)增多，雖然空隙率有所降低，但未形成材料的合理級(jí)配，同樣黏聚力也會(huì)降低.

2.1.3 拌和用水量影響

在乳化瀝青(E1)用量4.0%、90%RAP摻量條件下成型試件，考察4種拌和用水量3.1%、3.6%、4.1%、4.6%對(duì)冷再生混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖5.由圖5可知，拌和用水量在3.1%～3.6%變化時(shí)，黏聚力隨用水量增加而變大；在3.6%～4.6%變化時(shí)，用水量增大黏聚力反而下降.若拌和用水量過少，冷再生混合料潤濕不夠，和易性會(huì)變差，同樣乳化瀝青用量下，裹覆舊料程度不一，導(dǎo)致黏聚力較差；若拌和用水過多，雖能充分潤濕舊料，和易性也在合理范圍，但乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度形成的過程也是水分不斷蒸發(fā)的過程，水分越多，強(qiáng)度形成越慢，殘留空隙越大，早期強(qiáng)度就越差.另外也可以看出黏聚力試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的最佳含水量與基于劈裂強(qiáng)度確定的含水量具有良好的一致性，這在一定程度上也說明了黏聚力測(cè)試方法的合理性.

2.1.4 RAP摻量影響

在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%時(shí)，改變RAP摻量分別為70%、80%、90%，考察RAP摻量對(duì)冷再生混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖6.由圖6可知，隨RAP摻量增加乳化瀝青冷再生混合料黏聚力增大.RAP摻量70%時(shí)黏聚力為112 g/cm2，80%RAP的黏聚力相比70%RAP增加18%，90%RAP的黏聚力相比80%RAP增加3%.表明乳化瀝青冷再生混合料黏聚力并非新料越多越好，黏聚力形成主要依靠于乳化瀝青冷再生混合料膠漿的強(qiáng)度，新料越多，表面需要裹覆的瀝青越多，同樣乳化瀝青用量下，膠漿強(qiáng)度偏低；另外新料與舊料的相容性也并非一致.

2.2 相關(guān)性分析

為分析RAP摻量、拌和用水量、乳化瀝青特性與用量對(duì)冷再生混合料黏聚力的影響程度，進(jìn)行單因素SPSS方差分析[10]，結(jié)果見表3.

表3 影響因素的方差分析結(jié)果

由表3可知：RAP摻量、拌和用水量、乳化瀝青特性及用量的顯著性水平均小于0.05，說明4個(gè)因素在5%顯著性水平下對(duì)乳化瀝青冷再生混合料黏聚力均有顯著影響；從4個(gè)因素統(tǒng)計(jì)量(F)來看，乳化瀝青用量與拌和用水量對(duì)其冷再生混合料黏聚力影響最大，乳化瀝青特性次之，RAP摻量最小.

2.3 黏聚力指標(biāo)要求

根據(jù)HVEEN試驗(yàn)方法，在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，養(yǎng)生不同時(shí)間后立即進(jìn)行取芯試驗(yàn)并測(cè)試其黏聚力大小，其結(jié)果見圖7、8.

如圖8所示，對(duì)養(yǎng)生8 h后的試件取芯，取芯機(jī)未到試件底部時(shí)，發(fā)現(xiàn)試件外側(cè)已完全松散，在取芯機(jī)內(nèi)側(cè)，試件僅有小塊殘留，大部分處于松散的狀態(tài)，說明乳化瀝青冷再生混合料尚未形成強(qiáng)度.對(duì)養(yǎng)生24 h后的試件取芯，取芯機(jī)到試件底部時(shí)，試件外側(cè)完全裂開，但未見松散；取芯機(jī)內(nèi)側(cè)，試件有大塊殘留，未出現(xiàn)完全松散狀態(tài)，說明乳化瀝青冷再生混合料正處于強(qiáng)度形成初始階段.對(duì)養(yǎng)生30 h后的試件取芯，取芯機(jī)到試件底部時(shí)，試件外側(cè)裂開，觀察取芯機(jī)內(nèi)側(cè)，發(fā)現(xiàn)試件基本完整，完整率約80%，說明乳化瀝青冷再生混合料已具有一定強(qiáng)度，處于強(qiáng)度逐步形成階段.對(duì)養(yǎng)生54 h后的試件取芯，取芯機(jī)到試件底部時(shí)，試件外側(cè)未裂開，僅有局部輕微掉落，進(jìn)一步觀察取芯機(jī)內(nèi)側(cè)，發(fā)現(xiàn)試件成型完好，完整率在95%以上，說明乳化瀝青冷再生混合料已形成較好的強(qiáng)度.

由圖7可知，隨著養(yǎng)生時(shí)間增加，試件黏聚力呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)0.998 8，說明養(yǎng)生前期(養(yǎng)生1 d)冷再生混合料黏聚力增加速度較快，后期增加速度相對(duì)較慢，相比于4 h的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生時(shí)間，養(yǎng)生24、36、60、72 h冷再生混合料黏聚力分別增加20%、6%、5%、3%，表明合理養(yǎng)生時(shí)間對(duì)冷再生混合料早期強(qiáng)度的影響至關(guān)重要.根據(jù)上述室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)確定當(dāng)乳化瀝青冷再生混合料試件能取出完整芯樣時(shí)其黏聚力應(yīng)至少大于163 g/cm2.

2.4 黏聚力增強(qiáng)技術(shù)

黏聚力大小是表征乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度形成的重要指標(biāo)，如何有效提升乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度是其工程應(yīng)用的重要方面.根據(jù)HVEEN試驗(yàn)方法，在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，考察RA、BRA、BF及采用SBR膠乳改性4種不同技術(shù)方式對(duì)其冷再生混合料黏聚力提升的影響.結(jié)果見圖9.

分析圖9可知：摻加BRA、RA及采用SBR膠乳對(duì)冷再生混合料黏聚力改善較明顯，其中改善最顯著的是摻加BRA，而摻加BF稍降低了冷再生混合料早期黏聚力.相對(duì)普通乳化瀝青冷再生混合料黏聚力而言，摻加BRA、RA及SBR膠乳的冷再生混合料黏聚力分別提升了68%、38%、33%；而摻加BF的混合料黏聚力降低了2%.

摻加BRA對(duì)其冷再生混合料黏聚力改善明顯，一方面由于BRA是天然瀝青，與舊瀝青相容性有天然優(yōu)勢(shì)；另一方面BRA中有石灰?guī)r礦物質(zhì)，不僅粒度細(xì)，而且吸油能力非常好，可以提高瀝青與集料間的黏附性，包含的一部分礦物成分能很好地填充混合料空隙，從而提升材料強(qiáng)度[11-12].RA主要作用是降低老化瀝青黏度，軟化過硬的舊瀝青，壓實(shí)過程中能進(jìn)一步均勻分散，提高瀝青材料黏附性；另外部分RA滲入RAP中，充分與舊瀝青組分融合，改善瀝青流變特性，使得混合料更易壓實(shí)[13-14].SBR通常以“膠粒”的形式分散在瀝青中，瀝青是連續(xù)相，SBR是分散相，SBR和瀝青的共混讓瀝青表現(xiàn)出較好的黏彈性質(zhì)，改善了混合料的黏結(jié)力[15].首先，BF比表面積大又表面粗糙，會(huì)降低和易性，增加壓實(shí)難度；其次，BF具有良好的親水性，當(dāng)BF投入冷再生混合料后，隨即分散成極細(xì)的絮狀纖維絲，包裹這些絮狀纖維絲需要大量漿體，難以確保舊料的裹覆效果；再者，BF難以分散，拌和時(shí)容易成團(tuán)，可能會(huì)削弱乳化瀝青與舊瀝青或集料間界面[16].

3 結(jié)論

1)推薦采用HVEEN黏聚力試驗(yàn)儀對(duì)乳化瀝青冷再生混合料黏聚力定量評(píng)價(jià)；冷再生混合料黏聚力大小隨放置時(shí)間、乳化瀝青用量及拌和用水量增加呈先增大后減小趨勢(shì)，隨RAP摻量增加而增大，且最大黏聚力值存在于冷再生混合料和易性良好時(shí)；乳化瀝青平均粒徑越小并非黏聚力越大；黏聚力試驗(yàn)與劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)確定最佳拌和用水量具有良好的一致性.

2)RAP摻量、拌和用水量、乳化瀝青特性及用量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料黏聚力影響顯著，其中乳化瀝青用量和拌和用水量影響最大，乳化瀝青特性次之，舊料摻量影響最小.隨著養(yǎng)生時(shí)間增加，乳化瀝青冷再生混合料黏聚力呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化特征，養(yǎng)生前期黏聚力增加速度較快，后期增加較慢，建議乳化瀝青冷再生混合料早期黏聚力應(yīng)不小于163 g/cm2.

3)摻加BRA、RA及采用SBR改性乳化瀝青對(duì)冷再生混合料黏聚力有明顯改善作用，改善最明顯的是在冷再生混合料中摻加BRA的技術(shù)方式，其次是摻加RA的方式以及采用SBR改性乳化瀝青的方式，而摻加BF的方式稍降低了冷再生混合料早期黏聚力.