賓雪陽 寇元德 宋 肖

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院 武漢 430023)

冷再生混合料中再生瀝青混合料(RAP)中的舊瀝青是否可以被激活,什么條件下可以被激活繼續(xù)發(fā)揮膠結(jié)作用,對(duì)瀝青路面再生而言是至關(guān)重要的研究點(diǎn)。近年來學(xué)者們利用凝膠滲透色譜、紅外光譜等多種微觀檢測(cè)技術(shù)對(duì)舊瀝青與新瀝青的融合交互進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)新舊瀝青的融合程度越高,RAP路用性能越優(yōu)異[1],使用灰度均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠定量評(píng)價(jià)樣品中新舊瀝青的融合情況[2],老瀝青層在較硬集料和較軟新瀝青層之間起緩沖作用[3],RAP表層舊瀝青與新瀝青確實(shí)發(fā)生融合,溫度是影響融合程度的關(guān)鍵因素[4]。Abuqtaish等[5]利用AFM技術(shù)研究了新舊瀝青共混融合狀態(tài),驗(yàn)證了共混區(qū)域的性質(zhì)介于新瀝青與RAP瀝青之間,黏結(jié)性能主要源于新瀝青;Falchetto等[6]研究了再生混合料的微觀結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)水泥水化的剛性產(chǎn)物刺入老化瀝青膠漿中起到連接作用,且可使瀝青膠漿黏結(jié)性增大[7];王振軍等[8]量化評(píng)價(jià)水泥乳化瀝青膠漿與再生瀝青的黏附性,以表征水泥乳化瀝青膠漿層抗侵蝕性和裹覆均勻性。但目前對(duì)于舊瀝青所發(fā)揮作用的研究仍不完善,如未考慮舊瀝青常溫和受熱狀態(tài)下的活性激發(fā)效應(yīng),幾乎忽視舊瀝青在混合料中的膠結(jié)作用。本文從理論分析和試驗(yàn)研究?jī)煞矫鎸?duì)RAP舊瀝青在混合料中的作用進(jìn)行探究,為乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)再生瀝青中的新舊瀝青交互融合作用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 銑刨料(RAP)

RAP是采用銑刨、開挖等方式從瀝青路面上獲取的舊瀝青路面材料,由集料和其外包裹的舊瀝青膠結(jié)料組成,集料和舊瀝青膠結(jié)料黏聚在一起,外形類似黑色的石料,俗稱“黑石”,見圖1。本文優(yōu)選了多條路段服役12年以上的高速公路大修項(xiàng)目的銑刨料,抽提篩分后,進(jìn)行混合料的材料組成設(shè)計(jì)。

圖1 RAP“黑石”

1.2 新集料

在冷銑刨過程中,由于銑刨刀頭會(huì)將一部分粗集料分解成細(xì)集料,與原路面結(jié)構(gòu)層材料的級(jí)配相比,銑刨后舊料的級(jí)配偏細(xì),因此通常需要添加一定比例的粗集料,來調(diào)整再生混合料的合成級(jí)配,根據(jù)冷再生混合料最大公稱粒徑大小與原銑刨級(jí)配特征,添加新碎石。由于新碎石添加比例較低,添加新碎石對(duì)舊瀝青的活性研究的影響幾乎可忽略。

1.3 水泥和礦粉

根據(jù)規(guī)范要求冷再生混合料中水泥用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般不超過2%,研究選定1.5%的水泥用量,選用普通硅酸鹽水泥P·O 42.5,根據(jù)冷再生工程經(jīng)驗(yàn)摻加2%的礦粉。

JTG/T 5521-2019 《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的冷再生級(jí)配范圍較寬,水泥等活性填料如水泥為外摻,不計(jì)入礦料級(jí)配。根據(jù)關(guān)鍵篩孔控制,確定了再生混合料各檔材料的組成比例,見表1。

表1 銑刨料的冷再生配合比

2 再生瀝青在混合料體系中作用的假設(shè)分析

關(guān)于舊瀝青在RAP中的作用,美國(guó)NCHRP中存在3種假設(shè)[9]:

1) RAP材料像碎石一樣在新拌和的瀝青混合料中起到集料的作用,并不會(huì)與新瀝青之間交互融合,乳化瀝青作為膠結(jié)料裹覆住再生瀝青混合料,將RAP完全當(dāng)普通集料考慮,即“黑石假設(shè)”。

2) 新舊瀝青100%完全融合,舊瀝青已經(jīng)完全軟化,其黏度需靠新加入乳化瀝青來恢復(fù)。

3) 實(shí)際混合假設(shè),即新舊瀝青部分融合在一起共同起著膠結(jié)作用。部分舊瀝青已發(fā)生軟化,應(yīng)由冷再生混合料的力學(xué)試驗(yàn)確定乳化瀝青的用量,以量化舊瀝青的軟化程度。

由于新舊瀝青交互融合機(jī)制的復(fù)雜性,目前沒有定論溫度如何影響激活程度,因此對(duì)再生瀝青在混合料體系中在溫度影響下作用的幾種假設(shè)的合理性是值得探究的。

3 溫度對(duì)舊瀝青的活性激發(fā)

溫度是影響舊瀝青活性激活的關(guān)鍵因素,溫度的激發(fā)作用體現(xiàn)在鋪筑時(shí)其上的熱拌混合料層對(duì)下方冷再生層的熱傳導(dǎo)作用,該作用在氣溫較高的季節(jié)更加顯著。在覆蓋熱拌瀝青層至冷再生表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱傳導(dǎo)效應(yīng),冷再生層中舊瀝青被激活軟化,發(fā)揮膠結(jié)料作用,RAP中有效(自由)瀝青含量提升,基于摩爾-庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度理論,再生層礦料之間潤(rùn)滑效果顯著,再加上熱拌層壓實(shí)的雙重作用會(huì)容易產(chǎn)生車轍。

高溫會(huì)對(duì)舊瀝青起到激活作用,因此第一種假設(shè)在這種條件下顯然不合理。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,冷再生層4 cm深度可達(dá)60 ℃以上。當(dāng)冷再生混合料內(nèi)部溫度超過瀝青軟化點(diǎn),在熱拌瀝青混合料的壓實(shí)作用下,會(huì)導(dǎo)致冷再生混合料再次壓實(shí),混合料進(jìn)一步壓密,空隙率下降。因此,冷再生混合料屬于冷拌溫鋪型混合料,RAP中瀝青是可以被激活的。

4 再生瀝青混合料中的舊瀝青活性研究

4.1 貢獻(xiàn)率分析

為量化研究瀝青銑刨料中的舊瀝青在膠結(jié)體系的貢獻(xiàn)率,在第一次雙面擊實(shí)100次(25 ℃)后,試件養(yǎng)護(hù)2 d(60 ℃),再雙面擊實(shí)50次(25 ℃),成型不同乳化瀝青類型(普通乳化瀝青A、B和改性乳化瀝青C)的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件,每種測(cè)試條件下平行試件為6個(gè),試驗(yàn)中乳化瀝青冷再生混合料的拌和、放置和壓實(shí)過程均為恒溫,研究二次壓實(shí)后普通與改性乳化瀝青、乳化瀝青用量與混合料空隙率、劈裂強(qiáng)度的關(guān)系,利用回歸分析確定不添加乳化瀝青時(shí)的空隙率與劈裂強(qiáng)度數(shù)值,從而量化舊瀝青的貢獻(xiàn)率,結(jié)果見表2。

表2 陽離子乳化瀝青A、B技術(shù)要求與試驗(yàn)結(jié)果

圖2為不同油石比率與再生混合料空隙率、劈裂強(qiáng)度的回歸關(guān)系圖。

圖2 乳化瀝青用量與空隙率、劈裂強(qiáng)度的關(guān)系

由圖2a)可知,隨著乳化瀝青用量的增加,二次擊實(shí)后試件的空隙率均逐漸降低,呈線性遞減的趨勢(shì),在同樣擊實(shí)功作用下,改性乳化瀝青試件空隙率普遍低于普通乳化瀝青,說明改性乳化瀝青可顯著降低再生混合料的空隙率,使得再生混合料更致密。

由圖2b)可知,隨著乳化瀝青用量的增加,劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì),3種乳化瀝青均存在最佳油石比,由多項(xiàng)式擬合回歸分析可知,A、B、C最佳油石比分別為3.1%、3.5%和3.5%,對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度分別為0.71,0.74,0.86 MPa,在相同乳化瀝青用量條件下,改性乳化瀝青劈裂強(qiáng)度高于普通乳化瀝青。

為進(jìn)一步量化舊瀝青在再生混合料膠結(jié)體系中的貢獻(xiàn)率,研究將數(shù)據(jù)點(diǎn)重新進(jìn)行數(shù)值線性回歸分析,由于乳化瀝青0點(diǎn)至最佳乳化瀝青用量范圍屬于單調(diào)區(qū)間,故篩除大于最佳乳化瀝青含量的數(shù)據(jù)點(diǎn),通過對(duì)回歸線反向延長(zhǎng),根據(jù)縱截距確定無乳化瀝青時(shí)的空隙率和劈裂強(qiáng)度,圖3為3種乳化瀝青用量與再生混合料空隙率和劈裂強(qiáng)度的回歸曲線及方程。

圖3 乳化瀝青類型、用量與空隙率、劈裂強(qiáng)度的回歸關(guān)系曲線

由圖3可知,當(dāng)乳化瀝青含量為0時(shí),普通乳化瀝青A、B和改性乳化瀝青C的空隙率分別為13.71%,13.46%,13.09%,劈裂強(qiáng)度分別為0.25,0.27,0.35 MPa,當(dāng)不添加新的乳化瀝青時(shí),起膠結(jié)作用的主要是舊瀝青,舊瀝青發(fā)揮的劈裂強(qiáng)度不小于0.25 MPa。

如果在最佳乳化瀝青用量下以劈裂強(qiáng)度作為基準(zhǔn),無乳化瀝青的劈裂強(qiáng)度值認(rèn)定為主要由舊瀝青被激活后的膠結(jié)作用所提供,以此來量化舊瀝青貢獻(xiàn)率,RAP舊瀝青貢獻(xiàn)率=(乳化瀝青含量為0的劈裂強(qiáng)度÷劈裂強(qiáng)度最大值)×100%,那么三者舊瀝青的貢獻(xiàn)率分別為:普通乳化瀝青A=35.2%;普通乳化瀝青B=36.5%;改性乳化瀝青C=40.7%。

可見從理論角度分析,RAP中的舊瀝青確實(shí)可以被激活,而并非假設(shè)一中僅充當(dāng)黑色石料,且在膠結(jié)體系中發(fā)揮重要作用。當(dāng)然RAP瀝青貢獻(xiàn)率和RAP中瀝青的老化程度、乳化瀝青用量、養(yǎng)生條件,以及新舊瀝青的交互作用等均有直接關(guān)系,有關(guān)RAP瀝青作用貢獻(xiàn)率的影響因素與相關(guān)量化分析,有待進(jìn)一步深入探討。

4.2 不同組分條件下活性激發(fā)試驗(yàn)

通過成型不含乳化瀝青混合料試件,研究在不同的成型溫度下舊瀝青激活的程度。具體方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果分析見圖4。

圖4 具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果

不添加乳化瀝青等其他組分條件下,直接用RAP進(jìn)行一次擊實(shí),結(jié)果表明,在25 ℃時(shí)無法成型試件,在60 ℃以上時(shí)可以直接成型。分析其原因,在25 ℃時(shí),RAP中瀝青組分沒有被激活,混合料體系中缺乏有效膠結(jié)料組分而無法成型試件,因此在在該工況條件下,認(rèn)為黑石假設(shè)是可以接受的。而60 ℃可成型也說明了RAP中的舊瀝青發(fā)揮膠結(jié)作用與溫度緊密相關(guān)。

在RAP中加適量的水以增加潤(rùn)滑性,結(jié)果表明,一次擊實(shí)和二次擊實(shí)均可以成型,說明在水的作用下,RAP舊瀝青的存在可保證試件擊實(shí)成型。其測(cè)試結(jié)果,空隙率為14.0%,劈裂強(qiáng)度為0.28 MPa,與前述回歸分析的數(shù)據(jù)很接近。因此,在水的潤(rùn)滑作用下,RAP中的舊瀝青可起到膠結(jié)作用,在該工況條件下黑石假設(shè)不可接受。

在最佳含水量條件下,再添加2%的礦粉和1.5%的水泥,試件可成型,且試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)仍然與回歸分析結(jié)果很接近,空隙率與劈裂強(qiáng)度與僅加水的情況相比,略微降低但基本一致,因此可以推測(cè),在不添加乳化瀝青的條件下,水泥與礦粉對(duì)再生混合料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)有限。在該工況條件下,RAP中的舊瀝青主要起到膠結(jié)作用,黑石假設(shè)不可接受。

4.3 不同溫度下活性激發(fā)試驗(yàn)

不同季節(jié)的溫度變化使得冷再生施工溫度的波動(dòng)范圍較大,相比于熱拌瀝青混合料,冷再生混合料的壓實(shí)更容易受到施工溫度的影響,大多數(shù)情況下進(jìn)行冷再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)往往忽略了溫度影響,然而壓實(shí)溫度對(duì)冷再生混合料形成的劈裂強(qiáng)度具有非常顯著的影響,較高壓實(shí)溫度下的冷再生混合料試件具有較大的劈裂強(qiáng)度[10]。

采用RAP(不添加乳化瀝青),在最佳含水量條件下,添加1.5%的水泥、2%的礦粉,分別在10,20,30,40,50,60 ℃溫度下,雙面各擊實(shí)100次,測(cè)試其空隙率、劈裂強(qiáng)度,通過這一過程模擬再生層在不同施工季節(jié)的不同大氣溫度下,冷再生不同料溫施工的實(shí)際工況;為進(jìn)一步檢驗(yàn)覆蓋熱拌瀝青面層時(shí),冷再生的二次熱壓實(shí)過程,一次擊實(shí)成型后,在60 ℃條件下養(yǎng)生48 h,再進(jìn)行第二次擊實(shí),雙面各擊實(shí)50次,再分別檢測(cè)空隙率、劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 空隙率、劈裂強(qiáng)度-一次擊實(shí)溫度關(guān)系

由圖5可知,在最佳含水量情況下僅添加水泥和礦粉,擊實(shí)溫度在10～60 ℃的區(qū)間之內(nèi)變化,一、二次擊實(shí)試件均能成型,說明舊瀝青可以起到膠結(jié)料的作用。一次、二次擊實(shí)的劈裂強(qiáng)度均隨擊實(shí)溫度的升高而增加,二次擊實(shí)進(jìn)一步提升劈裂強(qiáng)度,但隨著一次擊實(shí)溫度升高,二次擊實(shí)劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈降低趨勢(shì)。60 ℃時(shí)劈裂強(qiáng)度達(dá)到最高,二次擊實(shí)后劈裂強(qiáng)度提升到0.45 MPa,在添加合適劑量的普通乳化瀝青時(shí),擊實(shí)后混合料強(qiáng)度約為0.74 MPa,舊瀝青的貢獻(xiàn)率約為(0.45÷0.74)×100%=60.8%。

溫度和水都會(huì)影響到舊瀝青的活性激發(fā)。若不加水,60 ℃以上舊瀝青即可激活從而發(fā)揮膠結(jié)料作用,若添加水,無論是否添加水泥和礦粉,再生瀝青混合料在10～60 ℃均可成型,并且主要由混合料中的舊瀝青發(fā)揮膠結(jié)作用,這也說明添加水促進(jìn)了混合料的壓實(shí)且激發(fā)舊瀝青膠結(jié)作用,溫度越高發(fā)揮作用越大,因此冷再生施工應(yīng)盡可能選擇在夏季。一般情況下添加乳化瀝青會(huì)促進(jìn)舊瀝青的活性激發(fā),新舊瀝青的交互作用會(huì)增加舊瀝青對(duì)膠結(jié)體系的貢獻(xiàn)率。

5 結(jié)論

本文對(duì)瀝青銑刨料(RAP)在混合料體系中的作用,以及溫度和水對(duì)其中舊瀝青的活性激發(fā)作用進(jìn)行分析,然后分別從理論推導(dǎo)和室內(nèi)試驗(yàn)兩方面,探究了舊瀝青在混合料中的膠結(jié)作用,并量化了貢獻(xiàn)率。主要研究結(jié)論如下。

1) 舊瀝青可以在再生瀝青混合料中發(fā)揮膠結(jié)作用并且對(duì)混合料的貢獻(xiàn)率不低。在最佳含水量及25 ℃條件下,無論是否添加水泥和礦粉,再生瀝青混合料均可成型且劈裂強(qiáng)度接近,實(shí)測(cè)劈裂強(qiáng)度約為0.27 MPa,舊瀝青貢獻(xiàn)率在35%以上,與理論回歸分析得到的結(jié)果基本一致。在這種條件下,僅將再生瀝青混合料當(dāng)成普通集料的假設(shè)不成立。

2) 溫度和水是激發(fā)舊瀝青活性的重要影響因素。在不添加水及任何外加劑的情況下,達(dá)到60 ℃以上,再生瀝青混合料可以成型試件,60 ℃以下則無法成型,此時(shí)僅將再生瀝青混合料當(dāng)成普通集料的假設(shè)可成立。

3) 在最佳含水量下,無論是否添加水泥和礦粉,在10～60 ℃再生瀝青混合料均可成型,并且主要由混合料中的舊瀝青發(fā)揮膠結(jié)作用,且料溫越高作用越大,因此冷再生施工應(yīng)盡可能選擇在夏季進(jìn)行。