楊彥海,熊藝衡,陳冠良,岳 靚,楊 野,2

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與測(cè)繪工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116026)

我國(guó)公路建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入建養(yǎng)并舉的階段,每年因?yàn)闉r青路面養(yǎng)護(hù)、維修、重建等產(chǎn)生的廢舊瀝青回收料達(dá)到兩億噸以上。乳化瀝青冷再生混合料具有舊料利用率高、能源消耗低、環(huán)境污染小、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn),近年來(lái)在我國(guó)高等級(jí)路面基層,低等級(jí)路面基層和面層應(yīng)用廣泛[1-5]。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者從宏觀性能和微細(xì)觀作用機(jī)理等方面展開(kāi)了大量研究:杜少文等[6-8]研究了不同水泥摻量對(duì)冷再生混合料性能影響,發(fā)現(xiàn)水泥水化產(chǎn)物對(duì)混合料具有“加筋”作用,能夠提高混合料早期強(qiáng)度,提高混合料路用性能,但水泥水化產(chǎn)物也會(huì)降低混合料溫度敏感性,影響混合料低溫性能,推薦水泥摻量宜控制在1%～2%。Li Quan等[9]發(fā)現(xiàn)粉煤灰能有效提高混合料的干濕劈裂強(qiáng)度比和凍融劈裂強(qiáng)度比。周源[10]發(fā)現(xiàn)添加一定劑量的生石灰可以加快冷再生混合料強(qiáng)度形成,提高混合料早期強(qiáng)度,而摻量過(guò)多則會(huì)影響混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性以及疲勞性能。W.U.Filho等[11]研究了不同乳化瀝青再生劑改善效果,發(fā)現(xiàn)乳化瀝青再生劑可以與舊料發(fā)生相互作用,改善冷再生混合料力學(xué)性能。M.S.Hashim等[12]研究了硅灰對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明,摻入硅灰改善效果較為顯著,抗壓強(qiáng)度和馬歇爾穩(wěn)定度分別提高了68%和78.4%,流值和空隙率分別降低了13.5%和6.6%。雖然國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行了大量研究,但外摻劑對(duì)乳化瀝青冷再生混合料性能影響方面研究較少。鑒于此,筆者基于室內(nèi)試驗(yàn)研究硅灰、微珠以及減水劑對(duì)路用性能的影響,結(jié)合掃描電鏡從宏微觀分析硅灰、微珠以及減水劑作用機(jī)理。研究表明:摻入硅灰、微珠以及減水劑可以改變混合料的空間結(jié)構(gòu),較好地改善了乳化瀝青冷再生混合料的路用性能。

1 原材料及級(jí)配

1.1 原材料

1.1.1 乳化瀝青

試驗(yàn)使用的乳化瀝青為慢裂型陽(yáng)離子乳化瀝青,其技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG T5521—2019),乳化瀝青檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn),筆者選用的最佳乳化瀝青摻量為3.5%。

表1 乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The emulsion test results of asphalt

1.1.2 瀝青混合料回收料

試驗(yàn)使用的瀝青混合料回收材料(Recycling of Asphalt Pavement,RAP)來(lái)源于遼寧省某一級(jí)公路的銑刨料,為避免RAP級(jí)配變異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,將RAP篩分成單粒徑集料,剔除假粗集料,最終將RAP篩分成孔徑為0～0.075 mm、0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm和16～19 mm共計(jì)11檔,其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 舊料篩分結(jié)果Table 2 The screening results of RAP

1.1.3 新集料

為保證乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度和性能,添加30%的石灰?guī)r新集料,試驗(yàn)采用的新集料來(lái)源于遼寧省遼陽(yáng)市的石灰?guī)r堿性集料,為避免新集料變異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,因此也將其篩分成單粒徑。試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)的級(jí)配類(lèi)型為中粒式乳化瀝青冷再生混合料,RAP篩分中缺少19～26.5 mm的粗集料,因此新料中加入該粒徑集料。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求對(duì)新料進(jìn)行檢測(cè),其結(jié)果滿(mǎn)足要求。

1.1.4 水 泥

為提高乳化瀝青冷再生混合料的早期強(qiáng)度和使用性能,水泥被作為添加劑加入混合料中。不同專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)宏觀性能、微觀形貌作用機(jī)理分析摻加適量的水泥能夠提高乳化瀝青冷再生早期強(qiáng)度和改善混合料性能。試驗(yàn)使用的水泥為遼寧省某廠生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3,均滿(mǎn)足《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30—2015)要求。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,筆者選用的最佳水泥摻量為1.5%。

表3 水泥技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table 3 The test results of cement technical index

1.1.5 水

水在乳化瀝青廠拌冷再生混合料中作用有兩方面:一是水作為液體可以充當(dāng)潤(rùn)滑劑的作用,增加混合料的流動(dòng)性,使碾壓成型更容易;二是在混合料拌和過(guò)程中,水與水泥發(fā)生水化反應(yīng)放熱加速乳化瀝青破乳,使其更好地裹覆在集料表面。因此試驗(yàn)用水應(yīng)當(dāng)潔凈,不含油污、泥土等雜質(zhì),本試驗(yàn)使用的水為去離子水,符合規(guī)范要求。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,筆者選用的最佳外摻水摻量為2.4%。

1.1.6 外摻料

(1)硅灰。硅灰是一種粒徑小、比表面積大的活性填料,其細(xì)度和比表面積約為水泥的80～100倍,具有良好的填充性和黏結(jié)性[13]。技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,筆者選用的硅灰摻量為1.5%。

表4 硅灰技術(shù)指標(biāo)Table 4 The technical index of silica ash

(2)微珠。微珠是一種全球狀、連續(xù)粒徑分布、實(shí)心、超細(xì)的粉煤灰,可以改善混合料施工和易性,便于碾壓成型,同時(shí)微珠中含有活性物質(zhì)可以促進(jìn)乳化瀝青破乳,其化學(xué)成分見(jiàn)表5。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,當(dāng)微珠摻量為0.5%時(shí),混合料劈裂強(qiáng)度較小,空隙率也較小;當(dāng)微珠摻量為1.5%時(shí),混合料劈裂強(qiáng)度較大,空隙率增大,因此筆者考慮兩種摻量分別進(jìn)行路用性能試驗(yàn)。

表5 微珠化學(xué)成分組成Table 5 The chemical composition of micro-beads

(3)減水劑。由于硅灰黏結(jié)性較好,摻入混合料則會(huì)降低施工和易性,不易碾壓密實(shí),在乳化瀝青CA砂漿中經(jīng)常使用減水劑作為潤(rùn)滑材料[14-16]。試驗(yàn)采用的減水劑為聚羧酸類(lèi)高效減水劑,減水效果可達(dá)到30%,由于工業(yè)原料成分較雜,為了便于分析化學(xué)成分作用機(jī)理,筆者選用分析純類(lèi)減水劑,其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,筆者選用的減水劑摻量為0.5%。

表6 減水劑技術(shù)指標(biāo)Table 6 The technical indicators of water-reducing agent

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

乳化瀝青冷再生混合料的級(jí)配類(lèi)型采用中粒式,配合比設(shè)計(jì)過(guò)程首先按照級(jí)配要求進(jìn)行RAP和水泥、新集料和水泥的配合比設(shè)計(jì)。按照合成新舊集料3∶7的比例得到最終級(jí)配,其級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG T5521—2019)規(guī)定,通過(guò)空隙率、15 ℃劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比等確定最佳乳化瀝青用量為3.5%。

2 路用性能試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)以往試驗(yàn)成果,筆者選取以下五組摻配方案進(jìn)行路用性能對(duì)比試驗(yàn),研究外摻料對(duì)冷再生混合料路用性能的影響,具體摻配方案見(jiàn)表7。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件,試件高為63.5 mm,直徑為100 mm,試件脫模后放入烘箱中鼓風(fēng)養(yǎng)生,養(yǎng)生溫度為60 ℃,養(yǎng)生時(shí)間為48 h。

表7 路用性能試驗(yàn)對(duì)比方案Table 7 The comparison of road performance test

表7中,第一組為無(wú)外摻料的對(duì)比組;第二組為單摻硅灰的對(duì)比組,探究單摻硅灰與多種外摻料對(duì)混合料路用性能的影響;第三組為空隙率作為指標(biāo)得到的最優(yōu)復(fù)配方案;第四組為15 ℃劈裂強(qiáng)度以及浸水劈裂強(qiáng)度得到的最優(yōu)復(fù)配方案;第五組為僅摻硅灰的對(duì)比組,探究硅灰與水泥對(duì)混合料路用性能的影響。

2.2 空隙率

本研究采用CoreLok真空密度測(cè)定儀測(cè)得冷再生混合料空隙率,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 冷再生混合料空隙率Fig.2 The air voids of cold recycled mixture

由圖2可知,摻加外摻料的乳化瀝青冷再生混合料空隙率均有不同程度的減小,最小可達(dá)到7.9%,其原因是硅灰粒徑較小,具有良好的填充性,在拌和碾壓過(guò)程中能夠填充混合料內(nèi)部的微小空隙;微珠為球狀物體,在拌和碾壓過(guò)程中能夠改善混合料的施工和易性,便于混合料碾壓密實(shí);減水劑的主要作用是減少外摻水量的同時(shí)能夠改善混合料的施工和易性,便于混合料碾壓密實(shí),三種外摻料均可有效降低混合料的空隙率。

2.3 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是指瀝青路面在夏季高溫條件下,能夠抵抗車(chē)輛荷載反復(fù)作用并且不會(huì)產(chǎn)生推移、車(chē)轍、擁包等路面病害的特性。為了研究硅灰、微珠以及減水劑對(duì)乳化瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響效果,將成型試件和壓頭放置在60 ℃烘箱中養(yǎng)生5～6 h,再采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫貫入試驗(yàn),以貫入強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性展開(kāi)研究,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 高溫貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The test result of high temperature penetration

由圖3可知,外摻料的加入均不同程度改善了混合料的高溫穩(wěn)定性,單摻硅灰、空隙率指標(biāo)確定的最優(yōu)方案以及劈裂強(qiáng)度確定的最優(yōu)方案的混合料高溫貫入強(qiáng)度分別提升了193%、234%、253%。硅灰具有良好的黏附性,能夠與水泥瀝青膠漿相互交織增加集料間的黏聚力,有效地降低了混合料的溫度敏感性,提升了混合料的高溫穩(wěn)定性。微珠和減水劑能夠改善混合料的施工和易性,混合料更容易碾壓密實(shí),另外微珠中具有一定的活性物質(zhì),在拌和碾壓過(guò)程中部分微珠破碎成粒徑更小的顆粒易于促進(jìn)水泥水化反應(yīng)。雖然硅灰具有良好的黏聚性,但硅灰無(wú)法像水泥一樣發(fā)生水化反應(yīng),因此僅摻加硅灰效果不佳。

2.4 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性是指瀝青路面在冬季低溫的條件下,混合料抵抗低溫產(chǎn)生收縮裂縫的性能。為了研究外摻料對(duì)乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性的影響效果,將成型試件放置在-10 ℃的環(huán)境箱中養(yǎng)生6 h,再采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行劈裂試驗(yàn),以劈裂強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)混合料低溫抗裂性展開(kāi)研究,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The test result of low temperature split

由圖4可知,外摻料的加入均不同程度改善了混合料的低溫抗裂性,單摻硅灰、空隙率指標(biāo)確定的最優(yōu)方案以及劈裂強(qiáng)度確定的最優(yōu)方案的混合料低溫劈裂強(qiáng)度分別提升了19%、54%、62%。硅灰、微珠與水泥瀝青膠漿相互交織形成瀝青復(fù)合膠漿,混合料瀝青膠漿增多干縮加劇,因此單摻硅灰以及摻加大量的微珠對(duì)混合料低溫抗裂性能改善效果不太顯著。摻入少量微珠以及減水劑改善了混合料的施工和易性,混合料內(nèi)部干縮影響降低,對(duì)混合料低溫劈裂強(qiáng)度改善效果較好。硅灰和水泥均可與瀝青形成瀝青復(fù)合膠漿,兩者效果類(lèi)似且摻量一樣,形成的瀝青膠漿數(shù)量相差不大,因此兩組數(shù)據(jù)低溫劈裂強(qiáng)度相差不大。

2.5 水穩(wěn)定性

瀝青路面的水穩(wěn)定性是指瀝青路面受到水壓和滲水的作用時(shí),瀝青路面抵抗水的影響不產(chǎn)生松散、剝落、坑槽等病害的能力。乳化瀝青冷再生混合料空隙率偏大,抗水損害能力嚴(yán)重不足,因此必須對(duì)乳化瀝青冷再生混合料抗水損害能力進(jìn)行研究。筆者選用凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行混合料抗水損害能力研究,以?xún)鋈谂褟?qiáng)度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.5 The freeze-thaw splitting strength ratio

由于僅摻入硅灰的第五組成型試件在60 ℃解凍過(guò)程中破碎,因此不對(duì)其進(jìn)行分析。由圖5可知,混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均大于75%,滿(mǎn)足規(guī)范要求。外摻料的加入均不同程度改善了混合料的抗水損害能力。隨著空隙率的減小,混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸增大。硅灰粒徑極小,其細(xì)度約為水泥的80～100倍,具有良好的填充性,能夠黏附于水泥水化產(chǎn)物填充水化產(chǎn)物內(nèi)部微小空隙。微珠和減水劑能夠改善混合料的施工和易性,提高混合料密實(shí)度,降低混合料的空隙率,但微珠粒徑較大,隨著摻量增多,對(duì)混合料施工和易性影響不大,反而造成混合料空隙率增大,凍融劈裂強(qiáng)度比降低。

3 瀝青膠漿微觀形貌

外摻料的加入能與乳化瀝青膠漿相互交織形成新的乳化瀝青膠漿,從而大大提高瀝青膠漿的黏附性,增大了集料間的黏聚力,改善了混合料的性能。為探究外摻料對(duì)混合料強(qiáng)度形成的機(jī)理,筆者采用掃描電鏡對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行觀察,探究外摻料的作用機(jī)理,瀝青膠漿微觀形貌圖見(jiàn)圖6所示。

圖6 瀝青膠漿微觀形貌Fig.6 The micro morphology of asphalt mortar

由圖6(a)可知,水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物與乳化瀝青相互交織形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對(duì)乳化瀝青冷再生混合料起到了加筋作用,但由于養(yǎng)生過(guò)程中水分的蒸發(fā),瀝青膠漿中形成了大量的微小空隙,導(dǎo)致混合料性能不佳。由圖6(b)～(e)可知,硅灰與乳化瀝青相互作用形成空間骨架結(jié)構(gòu)的瀝青膠漿,改善了混合料的力學(xué)性能,降低了混合料的空隙率,摻入硅灰不僅可以改善瀝青膠漿的空間結(jié)構(gòu),形成良好的空間骨架結(jié)構(gòu),還能填充水泥水化產(chǎn)物形成的微小空隙,降低混合料空隙率。但隨著硅灰的加入,混合料內(nèi)部瀝青膠漿增多,干縮加劇,混合料低溫抗裂性能不佳,而僅摻硅灰時(shí),瀝青膠漿形成的空間骨架結(jié)構(gòu)較為單薄,難以承受溫度荷載變化引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致瀝青膠漿斷裂,因此在凍融循環(huán)過(guò)程中混合料破碎。由圖6(c)和圖6(d)可知,微珠和減水劑的加入改善了混合料的施工和易性,混合料內(nèi)部干縮影響減弱,路用性能得到較大的改善,隨著微珠摻量增多,瀝青復(fù)合膠漿骨架空間結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系更加緊密,混合料力學(xué)性能增強(qiáng),但空隙率也增大。

4 結(jié) 論

(1)外摻料的加入改善了混合料的路用性能,降低了混合料的空隙率。其中高溫貫入強(qiáng)度最高可達(dá)1.132 MPa,提升了253%;低溫劈裂強(qiáng)度最高可達(dá)1.2 MPa,提升了62%;空隙率最低為7.9%,降低了21.7%;凍融劈裂強(qiáng)度比可達(dá)86.3%,提升了10.1%。

(2)硅灰和微珠的加入能參與水泥水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠,提升水泥水化反應(yīng)程度,改善混合料的性能,通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)不同摻配方案下的瀝青膠漿微觀形貌,乳化瀝青形的瀝青膠漿由強(qiáng)度不足的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變成了強(qiáng)度更高的空間骨架結(jié)構(gòu)。

(3)綜合考慮混合料性能及經(jīng)濟(jì)因素,推薦最優(yōu)復(fù)配方案為m(水泥)∶m(外摻水)∶m(硅灰)∶m(微珠)∶m(減水劑)=1.5%∶2.4%∶1.5%∶0.5%∶0.5%。