养生期乳化沥青冷再生混合料强度及疲劳损伤特性

张　迪， 方　琳， 王建伟

(1.黄河水利职业技术学院， 河南 开封　475004；　2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心， 河南 开封　475004)



养生期乳化沥青冷再生混合料强度及疲劳损伤特性

张迪1,2， 方琳1,2， 王建伟1,2

(1.黄河水利职业技术学院， 河南 开封475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心， 河南 开封475004)

[摘要]现行沥青路面再生技术规范乳化沥青冷再生混合料配合比设计过程中没有对早期强度提出具体要求，缺乏对早期强度的重视，导致养生7 d后混合料取芯困难或钻不出完整芯样。以含水率做为评价指标揭示了养生期乳化沥青冷再生混合料强度、模量及疲劳损伤特性。进行了不同含水率下乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度、抗压回弹模量、间接拉伸疲劳特性及钻芯完整率研究，揭示了劈裂强度、抗压回弹模量和抗剪切强度随含水率的变化规律，建议乳化沥青冷再生混合料层开放交通条件以含水率为控制指标，推荐乳化沥青冷再生混合料加铺上层结构时含水率不宜大于1.5%。

[关键词]道路工程； 乳化沥青冷再生混合料； 早期强度； 含水率； 路用性能

0前言

我国《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)对乳化沥青冷再生混合料开放交通条件进行了规定，要求冷再生层在加铺上层结构前必须进行养生，养生时间不宜少于7 d，当满足以下两个条件之一时，可提前结束养生[1]： ①再生层可以取出完整的芯样； ②再生层的含水率小于2%。在乳化沥青冷再生基层(下面层)施工过程中，由于施工季节、降雨等原因，乳化沥青冷再生混合料现场养生7 d后含水率高于2%，取不出来完整芯样也时常发生，再者国内赶工期的现象也比较常见，铺筑7 d后或在较短的养生期下即进行上层结构的铺筑，养生车辆、运料车辆、摊铺机、压路机等施工设备必然会对还未形成足够强度、刚度的下承层产生破坏作用，在施工期即产生了路面结构的内部损伤[2]。由于对乳化沥青冷再生混合料早期开放交通条件把握不准确导致沥青路面出现车辙等病害，究其原因主要是现行规范配合比设计中只注重了乳化沥青冷再生混合料的中长期强度，较少涉及混合料早期强度，实践证明，工程应用过程中出现问题最多的往往是混合料早期强度形成阶段[3-6]。目前许多学者对乳化沥青冷再生混合料的高低温性能、疲劳特性等进行了研究，也得到了许多有指导价值的结论[7-11]，但鲜见乳化沥青冷再生混合料早期强度特性方面研究报道。为了探究养生期施工车辆和开放交通初期行车荷载对乳化沥青冷再生的强度特性和路用性能的影响，有必要对乳化沥青冷再生混合料早期强度进行研究，并提出相应的控制指标。研究成果可对今后乳化沥青冷再生混合料施工质量提供技术参考。

1乳化沥青冷再生混合料配合比设计

1.1原材料

乳化沥青由SK90基质沥青、龙孚MQK-1M阳离子慢裂慢凝乳化剂、盐酸调节剂经室内小型胶体磨制备而成，乳化沥青技术性能检测结果见表1。RAP取自陕西西宝高速公路大中修施工现场，根据RAP筛分试验结果，确定需要添加新集料来调整混合料级配，粗集料采用10～20 mm石灰岩碎石，RAP掺量为85%，确定混合料合成级配见表2。试验选用的水泥为耀县普通硅酸盐水泥PO 32.5，水泥以外掺的形式添加，掺量为1.5%。

表1 乳化沥青试验结果与技术要求Table1 Emulsifiedasphalttestresultsandthetechnicalre-quirements试验项目规范要求试验结果1.18mm筛上剩余量/%≤0.1 0.02电荷++ 沥青标准粘度/s12～6032 蒸发残留物含量/%≥62.563.7 针入度(25℃,5s)/(0.1mm)80～10092 蒸发残留物 软化点/℃≥53 61 延度(5℃)/cm≥20 >100

表2 乳化沥青冷再生混合料合成级配Table2 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturesyntheticgrading筛孔尺寸/mm通过百分率/%规范级配/%26.51001001996.290～1009.574.960～80 4.7547.435～65 2.3625.420～50 0.313.5 3～21 0.0754.5 2～8

1.2配合比设计结果

采用修正马歇尔法确定冷再生混合料的最佳沥青用量，乳化沥青冷再生混合料配合比设计结果为：最佳乳化沥青用量为4.0%，拌合用水量为3.8%，干劈裂强度0.72 MPa，干湿劈裂强度比为95.1%，空隙率为11.7%，重型击实最大干密度2.135 g/cm3，马歇尔试件毛体积密度2.127 g/cm3。

2养生期不同含水率乳化沥青冷再生混合料强度特性

2.1不同含水率乳化沥青冷再生混合料劈裂强度变化规律

劈裂试验试件制备： 正反各75次成型标准马歇尔试件，将试件不托模半封闭置于20 ℃鼓风烘箱养生。养生期间间隔6 h测马歇尔试件的含水率，并进行劈裂强度试验，劈裂试验加载速率为50 mm/min，不同含水率马歇尔试件20 ℃劈裂试验结果见图1。

图1　乳化沥青冷再生混合料劈裂强度随含水率的变化规律Figure 1　Emulsified asphalt cold recycled mixture splitting strength variation with moisture content

由图1可知: 养生前期乳化沥青冷再生混合料含水率变化较大，乳化沥青冷再生混合料劈裂强度与马歇尔试件含水率之间的拟合关系为:

y=2.00702×exp(x/6.52713)-0.96925

(R2=0.972)，

拟合关系良好。2%含水率条件下乳化沥青冷再生混合料0.53 MPa，满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)乳化沥青冷再生混合料最终劈裂强度≥0.5 MPa设计技术要求，这与规范确定再生层的含水率小于2%时可以加铺上层结构的初衷相一致。养生期间劈裂强度随含水率减小而增大，含水率小于1.5%时，强度随含水率的减小增长较快，含水率小于1.5%后劈裂强度基本趋于平稳，含水率由2.0%减小至1.5%，马歇尔试件需要在25 ℃鼓风烘箱中半封闭养生1.5 d，同时劈裂强度由0.53 MPa增大至0.65 MPa，提高了22.6%，含水率由1.5%减小至0.8%，马歇尔试件劈裂强度由0.65 MPa提高至0.72 MPa，同时马歇尔试件需在鼓风烘箱中半封闭养生3 d，可见将乳化沥青冷再生混合料加铺上层结构的含水率减小至1.5%，可显著提高乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度，若进一步减小乳化沥青冷再生混合料含水率，现场需要等待较长时间。

2.2不同含水率乳化沥青冷再生混合料模量变化规律

抗压回弹模量是进行路面结构设计时选取材料设计参数的重要依据，是计算路面结构弯沉与层底弯拉应力的关键参数，研究不同养生期乳化沥青冷再生混合料抗压回弹模量随试件含水率的变化规律，对确定乳化沥青冷再生混合料养生及开放交通条件有重要意义。抗压回弹模量试件制备：静压法成型150 mm(直径)×150(高)圆柱体试件，半封闭置于20 ℃鼓风烘箱养生，养生期间间隔一定时间测试件无侧限抗压强度和抗压回弹模量，取破坏试件中部芯样测含水率，进而建立养生期间含水率与乳化沥青冷再生混合料抗压回弹模量之间的关系，试验结果见图2。

图2试验结果表明: 乳化沥青冷再生混合料最终养生结束后抗压回弹模量为1194 MPa，这与《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)在进行层底拉应力计算时给出的模量范围800～1200 MPa是一致的。养生期间抗压回弹模量随着含水率的减小而增大，含水率为2.0%，乳化沥青冷再生混合料抗压回弹模量为573 MPa，1.5%含水率时抗压回弹模量为1002 MPa，可见含水率减小了0.5%而抗压回弹模量增大了近1倍。含水率小于1.5%后抗压回弹模量增加幅度减缓，已接近最终抗压回弹模量值，可见将加铺上层结构时乳化沥青冷再生混合料的含水率由2.0%减小至1.5%可显著提高乳化沥青冷再生混合料的力学强度，减小施工阶段可能带来的损害。

图2　不同含水率乳化沥青冷再生混合料抗压回弹模量试验结果Figure 2　Different moisture emulsified asphalt cold recycled mixtures compressive resilient modulus test results

2.3不同含水率乳化沥青冷再生混合料抗永久变形能力

图3　贯入剪切试验原理Figure 3　penetration shear test schematic diagram

通常采用车辙试验评价沥青混合料的抗永久变形能力，笔者在室内试验时发现，由于乳化沥青冷再生混合料早期强度不足，车辙仪试验轮在行走过程中会带走一些集料，导致感应器实测车辙变形量试验数据失真，本文采用40 ℃贯入剪切强度评价乳化沥青冷再生混合料的抗永久变形能力。贯入剪切试验原理如图3所示，试验加载速率为50 mm/min，计算公式见式(1)。试验时首先成型标准马歇尔试件，将马歇尔试件不脱模室温放置12 h后脱模，然后半封闭置于40 ℃鼓风烘箱中养生，养生结束后立即进行贯入剪切试验，取剪切破坏后的马歇尔试件实测其含水率，进而建立贯入剪切强度与试件含水率之间的关系，试验结果见表4及图4。

(1)

式中：SD为应力强度，MPa；P为破坏荷载，N，y为破坏荷载对应的位移，mm；压头直径D=40 mm，倒角半径r=10 mm。

表4及图4试验结果表明: ①乳化沥青冷再生混合料贯入剪切强度随其含水率的减小而增大，指数拟合关系良好，室内养生过程中乳化沥青冷再生混合料强度发展规律可分为三阶段：缓慢增长阶段、加速增长阶段和趋于稳定阶段，这与水泥乳化沥青强度形成三阶段(水泥与乳化沥青的接触阶段、动态平衡阶段及加速破乳阶段)相吻合。②比较2.0%和1.5%含水率情况下的贯入剪切强度，40 ℃

表4 不同含水率乳化沥青冷再生混合料贯入剪切试验结果Table4 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixespenetrativesheartestresultswithdifferentwatercontent含水率/%P/Ny/mmSD/MPaSD平均值/MPa11545.031.094.612075.211.061.039945.320.9442293.534.333.839313.454.064.2540803.124.3659293.596.043.257263.256.036.0658373.326.1193613.079.062.890122.918.878.9791742.959.00124093.6111.832.2110733.7710.4211.03111023.4110.84142363.3116.751.7149383.1716.8516.08151643.2916.65167643.1418.541.4172103.0618.0318.05170913.1218.56177583.0718.091.2176292.9618.1918.23176922.8918.41185262.9618.160.8178492.9518.4518.80182502.9918.79

图4　乳化沥青冷再生混合料贯入剪切强度随含水率的变化规律Figure 4　Emulsified asphalt cold recycled mixes penetrometer shear strength variation with moisture content

半封闭养生条件下，乳化沥青冷再生混合料含水率由2.0%减小至1.5%，混合料贯入剪切强度由12.7 MPa，增大至16.8 MPa，增大了32.2%，而含水率由1.5%减小至0.8%，需40 ℃半封闭养生1.5 d，而贯入剪切强度由16.8 MPa增大至18.8 MPa，仅增大了11.9%，以40 ℃室内加速养生与现场养生的对应关系，试件室内鼓风烘箱40 ℃半封闭养生1.5 d，常温条件下现场至少需要养生3 d，可见延长养生时间虽然可以提高乳化沥青冷再生混合料的早期强度，但也会增加铺筑上层沥青混凝土结构的等待时间，1.5%含水率做为加铺上层结构的最小含水率可达到工期与强度要求的二者平衡。

3不同养生期乳化沥青冷再生混合料的疲劳损伤特性

现行沥青路面再生技术规范要求乳化沥青冷再生混合料铺筑上层结构的最小含水率为2%或能够钻出完整芯样，加铺上层结构后乳化沥青冷再生基层(下面层)处于全封闭状态，水分挥发缓慢，在其强度完全形成之前车辆荷载必将对低强度、低模量乳化沥青层产生较大的疲劳破坏作用[12]。目前许多学者对乳化沥青冷再生混合料的疲劳特性进行了了研究，也得到了许多有指导价值的结论[13-15]，但研究大多针对强度完全形成的乳化沥青冷再生混合料，不同养生期乳化沥青冷再生混合料疲劳损伤特性研究较少，为了探究养生期施工车辆和开放交通初期行车荷载对乳化沥青冷再生的疲劳破坏作用，需开展不同养生期下水乳化沥青冷再生混合料的疲劳损伤特性研究。笔者采用间接拉伸疲劳试验研究不同养生期乳化沥青冷再生混合料的疲劳特性，疲劳试验采用标准马歇尔试件，马歇尔试件采用半封闭养生方式，考虑到沥青的感温性和试验温度对疲劳试验结果的影响，为方便试验操作，室内加速养生温度为20 ℃，疲劳试验加载频率为10 Hz，试验选择0.1、0.2、0.3、0.4共4个应力水平，试验温度为20 ℃，间隔一定养生时间进行疲劳试验，将疲劳破坏的试件用于测试试件含水率，进而建立不同养生期马歇尔试件含水率与间接拉伸疲劳寿命之间的关系，试验结果如表5和图5所示。

表5 不同含水率乳化沥青冷再生混合料疲劳试验拟合方程Table5 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturefatiguetestfittingequationwithdifferentwatercontent含水率/%Nf=K(1σ0)n相关系数R23.8K=1043,n=2.2740.9343.2K=3209,n=2.0150.9562.8K=4590,n=1.9970.9841.7K=7217,n=1.9060.9581.4K=9214,n=1.8090.9841.2K=9560,n=1.7900.9690.8K=9890,n=1.7650.9830.1K=9904,n=1.7490.979

图5　不同含水率乳化沥青冷再生混合料疲劳试验拟合　参数Figure 5　Emulsified asphalt cold recycled mixture fatigue test fitting parameters with different water contents

表5及图5试验结果表明: 相同应力比水平下，马歇尔试件疲劳寿命随含水率的减小而增大，指数拟合关系良好，养生时间延长混合料抗疲劳性能增强。含水率由3.8%降低至1.5%疲劳试验增加较为明显，马歇尔试件含水率降低到1.5%后随着养生时间增加，疲劳寿命虽有增大趋势，但增加幅度不大。为保证运营期初期的路面使用寿命，应严格控制乳化沥青冷再生混合料基层强度与模量还没形成时车辆的通行，将冷再生层加铺上层结构时的最小含水率降低至1.5%可提高路面的抗疲劳性能。

4钻芯取样验证

为了进一步验证乳化沥青混合料早期强度形成效果，在实验室模拟现场不同含水率乳化沥青冷再生混合料钻芯完整性，成型10 cm厚的车辙板。根据重型击实试验得到的最大湿密度计算车辙板装料的质量，采用常规车辙板成型机碾压，直到试件表面和车辙板齐平即停止碾压，车辙板成型设备碾压时要关闭温控，在室温下碾压，碾压前碾压轮上应涂抹少量水分，防止混合料粘轮，导致表面不平整。将成型后的车辙板放在40 ℃鼓风烘箱中养生，间隔一定时间用钻芯机进行取样，为了客观的评价取芯的效果，引入完整率指标(完整率定义为芯样风干后的质量与实验室标准质量的比值，该比值较大则说明试件比较完整，该比值较小时则说明试件不完整，实验室标准质量是通过重型击实实验所得干密度和芯样标准体积计算得到)。本试验通过模拟现场碾压及钻芯，对混合料早期强度进行研究，进而确定乳化沥青冷再生混合料加铺上层结构时的最大含水率。考虑到乳化沥青与RAP料的配伍性，本文选择了三种工程中曾用过的乳化沥青用于试验研究，不同含水率乳化沥青冷再生混合料钻芯完整性试验结果见图6。

图6　不同含水率乳化沥青冷再生混合料钻芯完整性Figure 6　Emulsified asphalt cold recycled mixes drill core integrity with different water content

从图6中可以明显看出: 不同养生期乳化沥青冷再生混合料含水率与其钻芯完整性之间具有较好的指数拟合关系，芯样完整性随含水率的减小而增大，3种乳化沥青，冷再生混合料在2%含水率时芯样完整率为75%～91%，1.5%含水率情况下试件钻芯完整率均大于94%，将加铺上层结构时乳化沥青冷再生层的最小含水率控制在1.5%可确保再生层钻芯完整性，这与前文的研究结果相吻合。

5结论

① 乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度、抗压回弹模量、抗剪切变形能力受含水率影响显著，均随龄期的减小而增大，在含水率小于1.5%时基本趋于稳定，将1.5%含水率做为加铺上层结构的最小含水率可达到工期与强度要求的二者平衡。

② 随着含水率的减小，乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能逐渐提高，通过延长乳化沥青冷再生的养生时间可以有效地提高其抗疲劳耐久性。

③ 随着含水率的减小，乳化沥青冷再生混合料的芯样完整率增加，1.5%含水率情况下试件钻芯完整率均大于94%，综合考虑不同养生阶段乳化沥青冷再生混合料的强度和力学特性以及满足工期的要求，建议乳化沥青冷再生混合料层开放交通条件以含水率为控制指标，乳化沥青冷再生混合料加铺上层结构时含水率不宜大于1.5%。

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Characteristics of Strength and Fatigue Damage for Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture

ZHANG Di1,2， FANG Lin1,2， WANG Jianwei1,2

(1.Yellow River Conservancy Technical Institute; Kaifeng, Henan 475004, China;2.Engineering Technology Research Center for Small Watershed Conservancy of Universities of Henan Province; Kaifeng, Henan 475004, China)

[Abstract]The current asphalt pavement recycled technical specifications emulsified asphalt cold recycled mixes with no specific requirements on the early strength during the design process, the lack of emphasis on early strength, leading to drill core samples could not complete after 7 d curing. In this paper, the moisture content as evaluation and reveals the curing of emulsified asphalt cold recycled mixture strength, modulus and fatigue damage characteristics，and carried out under different moisture content of emulsified asphalt cold recycled mixture splitting strength, compressive resilient modulus, indirect tensile fatigue properties and core drilling complete rate study reveals the splitting strength, compressive modulus of resilience and resistance shear strength variation with moisture content, it is recommended emulsified asphalt cold recycled mixture layer traffic conditions to a water content of open control targets, emulsified asphalt cold recycled mixture overlay superstructure when the moisture content less than 1.5%.

[Key words]road engineering； emulsified asphalt cold recycled mixture； early strength; moisture content； road performance

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0236-06

[作者简介]张迪(1983-)，男，河南濮阳人，硕士，助教，主要从事工程结构和材料的研究工作。

[收稿日期]2015-10-09