乳化沥青复合冷再生混合料研究

任瑞波，朱树青，徐强，马川义

（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南，250101；2.山东省交通规划设计院，山东 济南，250000）

0 引言

随着我国公路进入维修期，公路养护维修产生大量的路面废旧料，对我国的环境造成了巨大的压力，同时维修需要开采新的矿料对资源环境造成严重的影响。而矿料作为筑路材料重要的组成部分，使用一段时间后其物理指标变化较小，完全可以再生利用［1］。我国的沥青路面大都为沥青材料面层加半刚性材料基层类型，相对于面层来说基层旧料在路面大中修铣刨料中占有很大的比例。若将其废弃，将会造成严重的资源浪费和环境问题。如果对其进行研究利用，不但可以大大节约工程建设的矿料成本，而且可以缓解其带来的资源和环境压力。沥青路面冷再生技术可以有效利用路面维修过程中的废旧料进行路面建设。乳化沥青冷再生技术作为冷再生技术之一，可以对路面废旧料加以利用。在我国，较多地方也已经实现乳化沥青冷再生技术的工程应用。多数研究和工程案例是对沥青路面面层铣刨料进行乳化沥青冷再生研究与利用。研究发现乳化沥青冷再生混合料高温性能优异，抗车辙能力强［2－8］；掺加水泥的乳化沥青冷再生混合料水稳定性有所改善，抗水损害能力较好；由于矿料的吸附及电荷作用乳化沥青在成型初期经过破乳，沥青微粒相互聚拢形成沥青膜，从而对矿料包裹粘附，水泥水化物加筋联结，乳化沥青混合料性能有所提高［9］。对于基层废旧路面材料的再生研究利用尚不多见，其是否可以重新利用到路面建设中尚不明确。沥青路面面层材料属于沥青类材料，而基层铣刨料属于水泥稳定类材料，两种类型的矿料按比例混合后，添加一定的乳化沥青和水泥，经再生、复合后混合料是否可以发挥两种材料的优势性能有待研究。基于此，对于掺加路面基层废旧料的乳化沥青复合冷再生混合料性能进行了室内试验研究，通过劈裂和冻融试验来初步评价掺加基层旧料的乳化沥青复合冷再生混合料的性能。

1 试验方案

1.1 原材料

试验利用的沥青路面面层与基层铣刨料均为胶州湾高速大修过程中的废旧料。面层铣刨料经机械筛分为三档，基层铣刨料铣刨后未做分档处理。试验水泥为普通32.5硅酸盐水泥。筛分结果见表1。

表1 路面铣刨料筛分结果／%

由于路面铣刨料变异性较大，掺加部分新集料对铣刨料进行级配设计，拟定设计 AC-20a和AC-25a（约75%面层铣刨料（RAP）＋25%新集料）常规冷再生混合料与AC-20b和AC-25b（约45%面层RAP＋30%基层RAP＋25%新集料）掺加基层旧料复合冷再生混合料四个级配，其合成级配见表2。

表2 再生混合料合成级配／%

试验利用的普通乳化沥青为慢裂型阳离子乳化沥青，试验室测得其基本指标见表3。

1.2 试验方法

1.2.1 含水率试验

四个级配的旧料掺量都约为75%，按照规范试验方法固定乳化沥青用量4%，另外掺加含量1.5%水泥，依据规程进行重型击实试验［10］。根据混合料质量和试模体积确定混合料密度。称取两小份混合料放入烘箱中烘干，测得其含水率。由湿密度和含水率计算混合料的最大干密度，确定最佳含水率。

1.2.2 劈裂试验

水泥乳化沥青冷再生混合料制备过程中添加约1.5%水泥来改善混合料的性能，综合考虑混合料性能和混合料工程实际应用性，适当降低沥青含量。而且，在低油量范围内研究混合料的性能更具应用前景。分别按 1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和 3.5%等五个油量制作马歇尔试件。所有试件放在烘箱内经历60℃、48 h未脱模养生。养生完成后，测得试件体积指标并立即进行15℃劈裂试验和浸水劈裂试验。浸水劈裂试验按照冷再生技术规范要求，试件浸入25℃水中23 h后，再在15℃水中完全浸水1 h，之后取出试件进行15℃劈裂试验。根据马歇尔试件高度和劈裂荷载计算劈裂强度。

表3 乳化沥青指标

1.2.3 冻融试验

由劈裂试验确定合适油量范围，对于乳化沥青冷再生混合料劈裂强度相对较小的油量，不再进行冻融试验，根据其合适油量制作马歇尔试件。由于冷再生混合料空隙率较大，冻融试验所用的马歇尔试件由双面各击实75次制得，而不是沥青与沥青混合料试验规程规定的双面各击实50次。对所有试件进行60℃、48 h养生，养生完成后，按照密封法测得试件体积指标。取出部分试件在－18℃环境下保持16 h，之后在60℃水中放置24 h，经历一次冻融过程。连同对照组试件，一起放入25℃水中养生不少于2 h，浸水完成后立即进行25℃劈裂试验。根据劈裂强度，计算冻融劈裂强度比。

2 结果与分析

2.1 含水率试验

含水率试验结果如图1、2所示，图中a代表普通乳化沥青冷再生混合料，b代表掺加基层旧料复合后的乳化沥青冷再生混合料。

由图1、2可知，四种乳化沥青冷再生混合料的最大干密度都在2.1 g／cm3左右，差距较小；AC-a型乳化沥青冷再生混合料最佳含水率约为4.3%，AC-b型乳化沥青冷再生混合料最佳含水率约为5.4%左右。而掺加基层废旧料复合后，混合料最佳含水率明显增大，提高约1.2%左右。

图1 乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率图

图2 乳化沥青冷再生混合料的最大干密度图

（1）油量和级配相同条件下，最大公称粒径对乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率和最大干密度影响甚微。无论是AC-a型混合料还是AC-b型混合料，公称最大粒径都为20和25 mm，两种粒径之间混合料密度和含水率的差异很小。

（2）油量和级配相同条件下，矿料类型对乳化沥青冷再生混合料最佳含水率影响显著，对最大干密度影响不大。由于面层铣刨料矿料表面被老化沥青裹覆，矿料空隙被堵塞，且因老化沥青是憎水物质，在矿料表面形成的水膜较明显，容易润滑矿料表面，便于压实。拌合后，矿料表面比较暗，压实润滑需要更多的水。因此，相同级配和油量下，AC-b类乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率较大。

2.2 劈裂试验

劈裂强度反映混合料间接抗拉能力，劈裂试验结果如图3（a）～（d）所示。

图3 乳化沥青冷再生混合料劈裂强度图

从图3（a）～（d）可以看出沥青含量由1.5%变化至3.5%，AC-a型常规乳化沥青冷再生沥青混合料劈裂强度为0.6～0.9 MPa左右，浸水后劈裂强度略有减小，降幅在0.1 MPa内；掺加基层旧料的AC-b型复合乳化沥青冷再生混合料劈裂强度变化范围为0.4～0.6 MPa，浸水后劈裂强度降幅在0.1 MPa范围内。对于AC-a常规乳化沥青冷再生混合料，当沥青含量大于2.5%时，无论是劈裂强度还是浸水劈裂强度都趋于稳定；当沥青含量大于3%时，AC-b乳化沥青复合冷再生混合料劈裂强度和浸水劈裂强度才趋于稳定。对于AC-a型常规乳化沥青冷再生混合料，沥青含量为2.5%～3.5%时，劈裂强度较高，干湿劈裂强度比大于75%，满足再生技术规范的要求。当沥青含量为3.0%～3.5%时，AC-b型乳化沥青复合冷再生混合料劈裂强度较大，干湿劈裂强度也较大，干湿劈裂强度比亦满足规范要求。

根据数据，AC-a型常规乳化沥青冷再生混合料劈裂强度最大大于0.8 MPa较AC-b乳化沥青复合冷再生混合料劈裂强度大0.2 MPa左右。掺加基层废旧料复合后，劈裂强度减小。由于基层旧料为水稳类材料，矿料界面不够洁净影响乳化沥青的粘结作用，而且基层旧料棱角性较差，颗粒嵌挤能力降低，从而造成劈裂强度减小。但是两种混合料的劈裂强度都大于0.5 MPa，满足规范对于再生混合料作为路面面层的使用要求，说明掺加基层废旧料复合后的乳化沥青冷再生混合料具备一定抗弯拉能力。浸水劈裂强度数据显示，浸水后劈裂强度略有下降，但降幅很小，说明掺加部分水泥后提高了混合料抗水损害能力较强。另外，根据图中趋势线可以看出，复合后的乳化沥青冷再生混合料对沥青含量较为敏感，劈裂强度趋势线变化较普通的乳化沥青冷再生混合料趋势线剧烈。

2.3 冻融试验

乳化沥青冷再生混合料冻融劈裂强度见表4。

表4 沥青含量和冻融劈裂强度

冻融试验能够反映混合料的水稳定性。由表中数据可知，进过一次冻融过程，乳化沥青冷再生混合料劈裂强度明显减小，AC-a型混合料冻融劈裂强度降幅约30%；AC-b型混合料劈裂强度降幅约40%。

表4显示，冻融劈裂强度出现明显下降。冷再生矿料本身界面洁净度较差，影响破乳后乳化沥青的粘结。由于沥青含量较低，乳化沥青在矿料表明形成的沥青膜较薄，浸水后再经过冻融，沥青易从矿料表面脱离。因此，冻融后两者劈裂强度都下降，AC-b型混合料劈裂强度下降更明显，说明矿料类型对混合料影响较大。四种混合料在相对较低的油量范围内，无论是劈裂强度还是冻融劈裂强度变化并不明显，表明乳化沥青混合料对沥青含量并不敏感。普通乳化沥青冷再生混合料一般用于路面的较低层位，据试验数据，乳化沥青复合冷再生混合料的水稳定性能一般，不可用做表面层，可用于路面较低层位。

15、25℃劈裂试验数据对比结果见表5。

表5 15、25℃劈裂强度

由劈裂强度对比数据可知，AC-a型普通乳化沥青冷再生混合料25℃劈裂强度较15℃劈裂强度明显减小，AC-b型乳化沥青复合冷再生混合料亦是如此。同种混合料，不同粒径的混合料劈裂强度差异较小。说明乳化沥青冷再生混合料具有温度敏感性，复合后的乳化沥青冷再生混合料也具有感温性，两者都属于粘弹性材料。

3 结论

通过上述研究可知：

（1）沥青含量适合的条件下，乳化沥青复合冷再生混合料劈裂强度大于0.5 MPa，干湿劈裂强度比大于75%，满足规范使用要求。

（2）矿料类型对乳化沥青冷再生混合料最佳含水率和劈裂强度影响较大；矿料最大公称粒径对混合料的劈裂强度影响不大，乳化沥青复合冷再生混合料具有一定得抗弯拉能力和抗水损害能力，抗冻融能力一般。

（3）在低油量范围内，乳化沥青复合冷再生混合料对沥青含量并不敏感，而对温度较为敏感，属于粘弹性材料，乳化沥青复合冷再生混合料性能基本满足路面应用要求，可以作为路面较低层位应用到路面建设中去。

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