全深式乳化沥青冷再生混合料的性能研究

尹晓波，李俊晓

(1.华润水泥控股有限公司运营部，广西 南宁 530000；2.山东省海洋环境检测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)



全深式乳化沥青冷再生混合料的性能研究

尹晓波1，李俊晓2*

(1.华润水泥控股有限公司运营部，广西 南宁 530000；2.山东省海洋环境检测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)

摘要：采用水泥和乳化沥青固化回收旧沥青路面材料(RAP)和稳定土，制备全深式冷再生基层材料。研究了乳化沥青掺量的变化对不同配比混合料的无侧限抗压强度和水稳定性的影响，并结合微观测试阐述了水泥和乳化沥青在冷再生混合料中的作用机理。结果表明，适量的乳化沥青掺量对混合料的性能提高有益，最佳乳化沥青掺量为3%。微观分析表明，水泥水化产物形成的空间网络结构与沥青乳液破乳后形成的沥青网络结构相互贯穿，不可分割，把冷再生混合料紧密地结合为一个半刚性的整体，使冷再生混合料强度得以形成和发展。

关键词：全深式冷再生；乳化沥青；水泥；强度；水稳定性

我国高等级路面结构中沥青路面所占比例约为75%，每年在路面的翻修、改建和养护的过程中，都会产生大量的废旧沥青混合料。按照每年12%的高等级公路路面需要维修来计算，每年就有约220万吨的废旧沥青混合料产生，而且可以预见的是，在未来相当长的一段时期内，每年会产生更多的废旧沥青混合料。在许多实际工程中，废旧的沥青混合料往往会被废弃处置，这不仅是一种资源的浪费，同时也会占用很多土地，并且会对环境造成污染。采用沥青道路冷再生技术，使得旧路面的材料得到重新利用，是解决这一问题的一个有效措施，而且冷再生一般可节省总投资40%～50%[1～3]。

目前，国内外关于沥青路面冷再生方面的研究进展很快，取得了许多成果[1-4]。但文献资料表明[5-8]，更多的冷再生研究侧重于对沥青路面面层材料进行回收利用，即面层冷再生技术。而实际冷再生工程中，再生层往往不仅仅局限于沥青面层，还包括非沥青材料层，即全深式冷再生技术。因此，本文以全深式冷再生技术为切入点，系统研究了不同配合比时，乳化沥青用于全厚度冷再生基层材料时混合料的性能，并对乳化沥青全厚度冷再生基层材料的强度形成机理进行了探讨。

1试验

1.1原料

回收旧沥青路面材料(RAP)取自湖北省武汉市某高速公路面层铣刨料，其中旧沥青含量约4.0%；稳定土为跟RAP取自同一路段的基层铣刨料，RAP与稳定土的粒径分布见图1；乳化沥青为自制的阳离子乳化沥青；水泥为华新水泥厂生产的P.O.425普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1；水为一般自来水。

图1　RAP与稳定土粒径分布Fig.1　Particle size distribution of stabilized soil and RAP

成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OSO3烧失量质量分数/%21.734.252.6763.592.210.552.391.75

1.2配合比设计

1.2.1混合料级配设计

实际冷再生施工时，冷再生混合料中RAP与稳定土的比例随铣刨深度的变化而不同，铣刨越深，则混合料中RAP所占比例越小，稳定土所占比例越大。为真实地模拟沥青路面全深式冷再生工艺，冷再生混合料为RAP(R)与稳定土(S)按质量比R/S为1：1、1：2，1：4混合制备而成。三组合成级配均符合《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034-2000)[9]中所规定的二级及二级以下公路用作基层时水泥稳定土的颗粒组成范围。表2为混合料合成级配，并与规范级配进行了比较。

表2　混合料合成级配

1.2.2乳化沥青、水泥及水的用量

乳化沥青共有5个掺量，在每组混合料中，其掺量分别为R+S总质量的0%、1.5%、3%、4.5%和6%；水泥在本研究中仅作为稳定剂[10-15]，而不将其看做活性填料，不考虑其掺量对混合料级配的影响，每组混合料的水泥掺量固定为R+S总质量的3%；用水量根据击实试验确定的最佳含水量添加。

1.3试件制备与试验方法

混合料配合比确定之后，对每组混合料进行击实试验，确定出混合料的最佳拌合用水量，后续试验用水量均据此添加；最佳含水量确定以后，采用静压法制备试件，试件尺寸为Φ×H=100 mm×100 mm。击实试验和试件制备均参照现行《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[16]规定的试验方法进行。试件成型后，将试件用塑料薄膜裹覆，置于20 ℃的恒温养护室内，养护至规定龄期后进行相关测试。

本研究对混合料的7 d和28 d无侧限抗压强度、劈裂强度和水稳定性进行了研究，并结合微观照片分析了乳化沥青全厚度冷再生基层材料的强度形成机理。

2结果与讨论

2.1混合料击实特性

图2　混合料击实特性Fig.2　Compaction characteristics of the mixture

不同配比时混合料击实特性(最佳含水率和最大干密度)如图2所示。从图2可以看出，当RAP与稳定土比例一定时，混合料最佳含水率随着乳化沥青用量的增加而降低，这是由于乳化沥青中含有的水分可以为混合料提供部分拌和需水量，从而减少了外加水量；当乳化沥青掺量一定时，混合料的最佳含水率随RAP与稳定土质量比的降低而增加，这是由于相同质量的RAP与稳定土相比，稳定土拌和均匀所需要的用水量较多，而混合料中稳定土的质量是随着RAP与稳定土质量比的降低而增加的，从而导致了混合料最佳含水率的增加；当乳化沥青掺量一定时，R/S为1:1的混合料最大干密度要比R/S为1:2和1:3两组的大，这是由于在该配合比下，颗粒级配相对更佳，击实后更易密实，从而表现为较大的最大干密度。

2.2无侧限抗压强度

进行无侧限抗压强度试验前，应在养生龄期的最后一天将试件置于20 ℃的恒温水槽内浸泡24 h，然后将试件取出，吸干表面自由水，再进行抗压强度试验。图3为混合料在7 d和28 d时的无侧限抗压强度。

图3　混合料的7 d和28 d无侧限抗压强度Fig.3　Unconfined compressive strength of the mixture for 7 d and 28 d

从图3可以看出，对于任一配比的冷再生混合料，其强度发展趋势大致相当：当乳化沥青掺量低于3%时，无侧限抗压强度均随着乳化沥青掺量的增加而增大；而当乳化沥青掺量超过3%时，无侧限抗压强度均随着乳化沥青掺量的增加而显著降低。当乳化沥青掺量为6%时，各组混合料的28 d强度较7 d强度增长不大，仅分别增长了0.05、0.08、0.14 MPa。这是因为乳化沥青对混合料无侧限抗压强度的形成起着正反两方面的作用：一方面由于适量乳化沥青的加入，破乳后的沥青与水泥水化产物共同作用，形成相互交织的网络结构，将RAP和稳定土颗粒包裹起来，有利于混合料抗压强度的形成；另一方面，当混合料中乳化沥青掺量过大时，破乳后形成的油膜会将未水化的水泥颗粒或水泥水化产物包裹住，阻碍了水泥的水化及其胶结作用的发挥，且乳化沥青掺量越大，这种效应越明显。

当乳化沥青掺量固定为3%时，R/S=1:1的混合料7 d和28 d抗压强度均较其他两组大，分别为2.78和3.14 MPa。这是因为在该配合比下的混合料颗粒级配相对更佳，压实后更加密实，有利于强度的发展，与击实试验结果相符。

2.3水稳定性

水稳定性是评价混合料路用性能的重要指标。将试件在标准状态下养护28 d，保水24 h后再风干48 h，共经过5次干湿循环，最后保水24 h后进行抗压试验。对比试件则在标准状态下养生至干湿循环结束，饱水24 h后进行抗压试验[17-18]。混合料的水稳定性用干湿循环试件与对比试件的抗压强度比来表征。图4为不同配比时混合料的水稳定性。

图4　不同配比时混合料的水稳定性Fig.4　Water stability of the mixture for different mix ratios

从图4可以看出，乳化沥青的加入可显著提高混合料的水稳定性，含乳化沥青的混合料水稳定性均大于0.8，当乳化沥青掺量在3%～4.5%时，混合料的水稳定性最佳。与强度发展规律不同的是，当乳化沥青掺量大于3%时，混合料的水稳定性并不会随乳化沥青掺量的增加而显著降低，且当R/S=1:1时，6%乳化沥青掺量的混合料比4.5%的混合料水稳定性更佳。这是由于在多次干湿循环的过程中，随着水分的渗透，混合料中被多余沥青所包裹的水泥颗粒有一部分得以水化，对因水分侵蚀而造成的混合料强度损失起到了一定的补偿作用。

3机理分析

图5　混合料显微形貌Fig.5　Microscopic morphology of the mixture

图6　混合料SEM照片Fig.6　SEM photos of the mixture

冷再生混合料中的水泥水化后，水化产物以水泥颗粒为中心向四周空间发展，纵横交错，逐渐填充满混合料内的所有毛细空间，从而形成均匀、密实且孔隙闭合的整体结构，增强了混合料的整体强度和抗水损害性[19]；同时，在沥青乳液的水溶液部分，以水化硅酸钙凝胶为主的水泥水化产生的晶体结构也会在乳液的水相中形成和发展；另一方面，混合料中的沥青乳液因压实挥发等原因，逐渐开始分解破乳，沥青从乳液的水相中分离出来，形成许多微小沥青颗粒，它们相互聚结，成为连续的整体薄膜，大部分以结构沥青的形式粘结在矿料表面。在这几方面的共同作用下，当两种胶凝材料以适当的比例配合时，它们之间既相互独立又相互贯穿，不可分割，形成两种材料和性质均不相同的立体空间网络，把冷再生混合料紧密地结合为一个半刚性的整体。这就是水泥乳化沥青全厚度冷再生基层材料强度形成的原因。

图5为R/S=1:1，乳化沥青掺量为3%时混合料的显微形貌，从图中可以看出，混合料中的RAP和稳定土与乳液破乳后放出的沥青相互裹覆，形成了一个整体。为进一步证实水泥在冷再生混合料中的作用机理，对上述混合料取样进行SEM测试，测试结果如图6所示。

图6中有明显的针状和纤维状凝胶，它们相互交织搭接，形成网络结构，一方面填充了混合料内的毛细空间，另一方面也会在沥青乳液的水相中继续形成和发展，证实了前面对水泥在冷再生混合料中作用机理的分析。

4结语

(1)RAP与稳定土比例一定时，混合料最佳含水率随着乳化沥青用量的增加而降低；乳化沥青掺量一定时，混合料最佳含水率随着RAP与稳定土质量比的降低而增加，且R/S=1:1的冷再生混合料最大干密度较R/S为1:2和1:3两组的大。

(2)乳化沥青掺量为3%时，各种配比的冷再生混合料抗压强度均最大；乳化沥青掺量低于或高于3%时，混合料强度均相对要低。

(3)乳化沥青的加入可显著提高冷再生混合料的水稳定性，含乳化沥青的冷再生混合料水稳定性均大于0.8。与强度发展规律不同的是，乳化沥青掺量大于3%时，混合料的水稳定性并不会随乳化沥青掺量的增加而显著降低。

(4)水泥水化产物形成的空间网络结构与沥青乳液破乳后形成的沥青网络结构相互贯穿，不可分割，把冷再生混合料紧密地结合为一个半刚性的整体，此即水泥乳化沥青全厚度冷再生基层材料强度形成的原因。

参考文献：

[1]HARDISON T.Guidelines for cold in-place recycling[C]//Asphalt Emulsion Manufacturers Association 22nd Annual Meeting and the 19th Annual Meeting of the Asphalt Recycling & Reclaiming Association. Annapolis, MD, US:AEMA/ARRA,1995:102-127.

[2]拾方治,李秀君,孙大权,等. 冷再生沥青混合料设计方法概述[J].公路, 2004,(11) :102-107.

[3]KANDHAL P S, MALLICK R B.Pavement recycling guide lines for state and local goverments-participant's handbook [EB/OL].[2014-11-10].http://ntl.bts.gov/lib/7000/7600/7607/Frontpg.pdf

[4]丁朴,陈晓光.沥青路面现场冷再生研究[J].公路与汽运,2006(1):33-36.

[5]曾梦澜,肖杰,吴超凡,等.冷再生沥青混合料RAP含量对使用性能的影响[J].中南公路工程,2007,32(2):27-31.

[6]吴旷怀,李燕枫,杨国梁,等.乳化沥青冷再生沥青混合料的研究[J].暨南大学学报:自然科学版,2008,29(3):281-285.

[7]陈祥峰,张嘉林,常明丰.厂拌乳化沥青冷再生配合比设计[J].公路,2012 (8):208-211.

[8]钟梦武,吴超凡,于永生,等.掺加水泥的乳化沥青冷再生沥青混合料设计方法研究[J].公路,2008 (1):195-199.

[9]JTG F41-2008, 公路沥青路面再生技术规范[S].

[10]ISSA R, ZAMAN M M, MILLER G A, et al. Characteristics of cold processed asphalt millings and Portland cement emulsion composite[C]//80th annual meeting of TRB.2001.

[11]CROSS S A, YOUNG D A. Evaluation of type C fly ash in cold in-place recycling[J]. Transportation Research Record, 1997(1583):82-90.

[12]NIAZI Y, JALILI M. Effect of Portland cement and lime additives on properties of cold in-place recycled mixtures with asphalt emulsion[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23(3): 1338-1343.

[13] TAHA R, AL-HARTHY A, AL-SHAMSI K, et al. Cement stabilization of reclaimed asphalt pavement aggregate for road bases and subbases[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2002, 14(3): 239-245.

[14]何亮,王真,马育,等.发泡剂对沥青发泡和混合料水稳定性的影响[J].建筑材料学报,2010,13(2):198-202.

[15]TAHA R, ALI G, BASMA A, et al. Evaluation of reclaimed asphalt pavement aggregate in road bases and subbases[J]. Transportation Research Record, 1999 (1652): 264-269.

[16]JTG E51-2009.公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[17]凌建明,谢华昌,庄少勤,等.水泥-石灰土水稳定性的实验研究[J]. 同济大学学报，2001,29(6):733-737.

[18]王建明.石灰粉煤灰稳定高液限粘土的路用技术性能[J].粉煤灰综合利用，1998 (3):7-10.

[19] 江苏省交通科学研究院. 沪宁高速公路沥青路面再生技术研究阶段汇报[Z]. 2004:22-28.

【环境与生态】

Performance of emulsified asphalt full thickness

cold recycling subgrade materials

YIN Xiao-bo1,LI Jun-xiao2*

(1.Operation Department, China Resources Cement Holdings Co.Ltd., Nanning 530000, China ;

2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Institute of

Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

Abstract∶Cement and emulsified asphalt were employed to solidify RAP and stabilized soil, which were then employed to prepare full thickness cold recycling subgrade materials.We addressed the impact of emulsified asphalt adding amount change on unconfined compressive strength, indirect tensile strength and water stability of different ratios of cold recycled mixtures.We further state the function mechanism of cement and emulsified asphalt in the mixtures via microscopic test.Results show that appropriate emulsified asphalt addition can improve the performance of cold recycled mixtures, the optimum emulsified asphalt addition of 3%.Microscopic test indicates cement hydration formed space network structure interfingers with emulsified asphalt post-emulsion formed asphalt network structure,not detachable.They closely combine the cold recycled mixtures to be a semi-rigid whole.The strength of the cold mixtures can be formed and developed.

Key words∶full thickness cold recycling; emulsified asphalt; cement; strength; water stability

中图分类号：TU528.42

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2015)04-0065-06

通讯作者＊。Email:caike0501@163.com

作者简介：尹晓波(1987-)，男，硕士，助理工程师，研究方向为道路工程材料、建筑工程材料。

收稿日期：2014-12-04

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.012