乳化沥青冷再生混合料和易性指标及影响因素

汪德才，郝培文，刘　娜，张海伟，李志刚

乳化沥青冷再生混合料和易性指标及影响因素

汪德才1，2，郝培文1，刘娜2，张海伟1，李志刚1

（1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点试验室，西安710064；2.河南省交通科学技术研究院有限公司，郑州450006）

为了研究乳化沥青冷再生混合料和易性，采用自主研发的和易性测试设备，以扭矩值作为乳化沥青冷再生混合料和易性表征指标，研究了不同特性的乳化沥青、回收沥青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）掺量及拌和用水量对乳化沥青冷再生混合料和易性的影响规律，分析了乳化沥青冷再生混合料和易性影响因素的显著性，并通过反算水泥初凝时间以及旋转压实成型试件的体积参数是否在规范范围验证了测试方法及指标的合理性.结果表明:再生混合料和易性随着RAP掺量的增加而变差，合适的拌和用水量能显著改善再生混合料和易性；RAP掺量和拌和用水量对再生混合料和易性有显著影响，而乳化沥青特性的影响不明显；乳化沥青冷再生混合料在拌和后存在一个最佳压实时机，推荐扭矩阈值为20 N·m.

道路工程；乳化沥青冷再生混合料；和易性；测试方法；扭矩阈值

乳化沥青冷再生技术可最大限度地循环利用路面旧料，具有节能环保、降低工程造价等优点，在当前国家大力推进生态文明建设的背景下，越来越受广大公路工作者的青睐.随着乳化沥青冷再生技术用于道路大中修养护项目的不断增加，如何有效确保再生路面的施工质量是一个重要问题.而乳化沥青冷再生混合料的和易性是施工特性的一个重要指标，用来描述混合料铺筑与压实性能的基本特征，直接关系到路面的压实度与平整度.乳化沥青冷再生混合料拌和后，为确保再生混合料的和易性，从拌和前场运至施工现场后需要在乳化沥青破乳之前完成摊铺作业.但由于在施工过程中可能存在机械故障或交通状况等原因导致再生混合料失去工作性（放置时间过长）而延误摊铺作业，不能确保再生混合料的整体性和压实质量，因此，拌和后的乳化沥青冷再生混合料和易性在施工过程中有必要予以明确［1-5］.

目前，国内规范［6］关于乳化沥青冷再生混合料的和易性并未提出明确要求，在应用过程中再生混合料的和易性主要根据目测再生混合料是否变黑、卸车是否困难等现象进行主观判断，没有统一的方法和评价指标对其进行表征，一定程度上影响着乳化沥青冷再生混合料的压实质量，并制约着乳化沥青冷再生技术的规模化应用.因此，正确、合理反映乳化沥青冷再生混合料拌和、摊铺过程中的和易性测试方法与指标等方面的研究具有重要现实意义.

1　材料与试验方法

1.1试验材料

1）回收沥青路面材料（RAP）

采用某高速面层的铣刨料，通过阿布森法从RAP中回收沥青，回收沥青质量分数为4.9%，其技术指标测试结果见表1，RAP抽提前后的筛分结果见表2.

表1　RAP技术指标Table 1　Technology properties of recycled asphalt pavement

表2　RAP抽提前后级配组成Table 2　Gradation of RAP before and after extraction test

2）乳化沥青

基质沥青采用镇海70号道路石油沥青，选用工程中常用的3种阳离子慢裂快凝型乳化剂，室内采用德国RINK乳化沥青实验小磨制备乳化沥青，记为E1、E2、E3.试验结果见表3.

3）级配设计

根据JTG F41乳化沥青冷再生混合料中粒式级配要求进行设计，RAP掺量分别为70%、80%、90%，添加相应的石屑掺量为30%、20%、10%.外掺水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5，用量均采用1.5%.水为西安地区的自来水，所有材料检测指标都符合规范要求.合成级配分别记为G1、G2、G3，见图1.

1.2试验方法

为了能真实合理地反映乳化沥青冷再生混合料拌和与摊铺时的和易性，探索初期笔者曾借鉴水泥混凝土坍落度试验方法测试乳化沥青冷再生混合料的和易性，但随着时间的变化混合料坍落度几乎没有变化，证明该方法不适于乳化沥青冷再生混合料.本文中乳化沥青冷再生混合料和易性测试借助于自主研发的混合料和易性测试设备，见图2，该设备模拟乳化沥青冷再生混合料拌和摊铺过程，利用扭力扳手，测定搅拌叶片在恒定速率下拌和混合料时所受的扭矩值，以扭矩值来表征乳化沥青冷再生混合料的和易性，扭矩值越大，刀片受到的搅拌阻力越大，说明和易性越差［7-11］.

根据文献［12］中关于使用该和易性测试仪器的方法，试验步骤如下:

步骤1试验在常温下进行，首先在拌锅中拌和15 kg乳化沥青冷再生混合料，将再生混合料装入和易性设备中，每次装的方式相同，确保松装密度基本一致，以减小试验误差.

表3　乳化沥青技术指标Table 3　Technology properties of emulsified asphalt

步骤2采用相同的转速（3 r/s）匀速转动扭力扳手并记录数据，重复试验8次，测试过程参见图3.

2　试验结果与讨论

2.1和易性与测试时间的关系

放置时间是影响乳化沥青冷再生混合料和易性的关键因素，为研究再生混合料和易性随时间的变化规律，本文选用 G2（级配类型）与 E2（乳化沥青），在最佳乳化沥青用量4.0%、拌和用水量3.6%下进行试验，测试不同放置时间下乳化沥青冷再生混合料的和易性，试验结果见图4.

由图4可知，随着乳化沥青冷再生混合料放置时间的增加，再生混合料扭矩变大，并且与放置时间呈线性相关，相关系数为0.990.分析原因主要是由于乳化剂物理化学的作用，沥青微珠逐步形成，水分被乳化剂分子间的作用力挤出并开始挥发，于是沥青微珠间的相互吸附、扩散、凝结形成薄膜裹覆于旧料表面，乳化沥青冷再生混合料逐渐失去工作性，从而引起再生混合料和易性变差；另外，水泥初期强度也会逐渐形成，再生混合料整体强度增加，扭矩变大，致使其和易性逐渐变差，这些都会影响再生混合料难以压实而无法有效地形成板体结构.

在施工过程中，考虑到冷再生用乳化沥青材料特性、工程运距、交通组织等因素影响，再生混合料设计通常要求在2 h内运至现场进行摊铺作业，故本文采用再生混合料拌和后2 h为基准进行测试.

2.2和易性影响因素

影响乳化沥青冷再生混合料的和易性因素很多，包括再生混合料级配、乳化沥青特性、拌和用水量、拌和时间与环境温度等.本文主要研究RAP掺量、乳化沥青特性及拌和用水量对乳化沥青冷再生混合料和易性的影响规律，具体试验方案见表4.

2.2.1RAP掺量对和易性的影响

根据表4中的方案1，采用自主研发的和易性设备研究3种不同RAP掺量对再生混合料和易性的影响，试验结果见图5.

表4　试验方案设计Table 4　Experiment scheme design

由图可知，随RAP掺量的增加乳化沥青冷再生混合料的所受扭矩增大，再生混合料和易性逐渐变差.当RAP掺量为70%时再生混合料所受扭矩为18.1 N·m，RAP掺量为80%时再生混合料扭矩相比RAP掺量为70%时增加6.6%，RAP掺量为90%时再生混合料扭矩相比 RAP掺量为70%时增加11%.其原因可能是由于新旧料所产生的摩阻力不一样，RAP掺量为70%时添加新石屑相对较多，适量的细集料在混合料施工过程中能起一定的润滑作用，因此，RAP掺量为70%的混合料和易性相对较好；RAP掺量为90%时，再生混合料中添加的石屑较少，而且粗集料表面纹理粗糙，集料间摩阻力较大，会降低和易性；这也说明新旧料及粗细料的搭配比例会对再生混合料和易性有影响，因此，在级配设计中应考虑合成级配的均匀性，保证再生混合料具有较好的和易性和较高的强度.

2.2.2拌和用水量对和易性的影响

根据表4中的方案2，采用自主研发的和易性设备研究乳化沥青冷再生混合料在3种不同拌和用水量下对再生混合料和易性的影响，试验结果见图6.由图可知，随着乳化沥青冷再生拌和用水量的增加，扭矩先减小后增大，当拌和用水量为3.6%时，再生混合料所受扭矩为19.3 N·m，拌和用水量为3.1%时，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量为3.6%时增加了5.7%；拌和用水量为4.1%时，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量为3.6%时增加了3.1%，这说明合适的拌和用水量能改善再生混合料和易性.当拌和用水量较小时，乳化沥青难以分散均匀，集料颗粒之间润滑不足，摩阻力较大，再生混合料和易性表现较差；当拌和用水量较多时，再生混合料中细料聚集、粗细料出现离析现象，同样也导致再生混合料和易性较差.

2.2.3乳化沥青特性对和易性的影响

选用试验方案3，在最佳拌和用水量下拌制乳化沥青冷再生混合料，研究3种不同特性的乳化沥青对再生混合料和易性的影响，结果见图7.分析数据可知，不同乳化沥青冷再生混合料所受扭矩有一定的差异，乳化沥青E2相比于E1、E3具有较好的和易性，即不同乳化沥青冷再生混合料表现的和易性也不同，但差别不明显.一般而言，乳化沥青粒径越细，其裹覆RAP后形成的润滑作用越明显［13］，再生混合料和易性相应越好；另外，用不同乳化剂制备的乳化沥青，其化学活性、物化性质不同，则与旧料的裹覆均匀性、和易性不同［14］.

2.2.4统计分析

对不同RAP掺量、拌和用水量及乳化沥青特性下乳化沥青冷再生混合料和易性的扭矩进行统计分析［15］，分析结果见表5、6.由表5方差分析结果可知:RAP掺量、拌和用水量对再生混合料和易性有显著影响，而乳化沥青特性对再生混合料和易性影响不显著.由表6统计结果可知:95%的置信区间为19.3～20 N·m，其中极大值为20.6 N·m，极小值为17.8 N·m，因此，根据数理统计结果初步建议乳化沥青冷再生混合料扭矩阈值（和易性指标的临界值）定为20 N·m.结合乳化沥青冷再生混合料和易性与放置时间的关系（见图4拟合的线性关系），可以反算出乳化沥青冷再生混合料放置时间不宜超过2.5 h，这也与乳化沥青冷再生混合料中规定的水泥初凝时间要求基本一致.

表5　方差分析Table 5　Multivariate analysis of variance

表6　和易性扭矩统计结果Table 6　Statistical result of torque value

2.3验证和易性指标

据有关资料显示［16］，由于压实性与和易性之间有一定的联系，再生混合料在不同阶段的压实性试验可以作为其和易性的一个度量，因此，本文基于旋转压实成型试件方法，试件直径100 cm，旋转角1.25°，压力为600 kPa，通过测试不同扭矩值条件下试件的体积参数是否在合理范围，进一步探究再生混合料和易性指标的合理性，结果见图8.

由图8分析可知，旋转压实成型试件空隙率随放置时间的增加呈现先减小后增大，最后趋于平缓的趋势，且最低点出现在阈值内，这说明再生混合料在确保良好和易性下存在一个最佳的压实时机.当扭矩值小于20 N·m时，所测空隙率符合目前国内规范标准中关于乳化沥青冷再生混合料空隙率9%～14%的要求.当扭矩测试值大于20 N·m时，空隙率逐渐增大并趋于平缓，最后大于规范要求的上限值，因此，从压实试件体积参数方面也反映出推荐乳化沥青冷再生混合料和易性阈值为20 N·m合理可行.

3　结论

1）探讨了一种乳化沥青冷再生混合料和易性的测试方法及指标，提出采用扭矩表征乳化沥青冷再生混合料的和易性，施工前应对乳化沥青冷再生混合料进行扭矩测定，确保其混合料和易性，提高路面压实质量.

2）乳化沥青冷再生混合料和易性随着RAP掺量的增加而变差，当RAP掺量为70%时再生混合料所受扭矩为18.1 N·m，RAP掺量为80%时再生混合料扭矩相比RAP掺量为70%时增加6.6%，RAP掺量为90%时再生混合料扭矩相比RAP掺量为70%时增加11%；随着乳化沥青冷再生拌和用水量的增加，扭矩先减小后增大，当拌和用水量为3.6%时，再生混合料所受扭矩为19.3 N·m，当拌和用水量为3.1%时，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量为3.6%时增加了5.7%；拌和用水量为4.1%时，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量为3.6%时增加了3.1%，这说明合适的拌和用水量能改善再生混合料和易性；不同特性乳化沥青冷再生混合料表现的和易性不一致，但差别不明显.一般而言，乳化沥青粒径越细，其裹覆RAP后形成的润滑作用越明显，再生混合料和易性相应越好.

3）对试验结果进行统计分析，计算得出RAP掺量和拌和用水量对再生混合料和易性有显著影响，而乳化沥青特性对再生混合料和易性影响不显著.根据统计分析结果推荐了再生混合料和易性阈值为20 N·m，并通过反算水泥初凝时间与旋转压实成型试件的体积参数证明了该测试方法及指标的合理性，也表明乳化沥青冷再生混合料拌和后存在一个最佳的压实时机.

［1］HILLGREN G，SVENSON A，WALLIN T.In-plant cold recycling and cold mix insweden:developmentsin laboratory testing［Z/OL］.［2015-09-07］.http:∥www. viastra.it/letteratura/emn/sioni/aema98.pdf.

［2］马永锋.乳化沥青冷再生混合料关键技术特性及节能减排分析研究［D］.西安:长安大学，2013.

MA Y F.Study on the key property of bitumen emulsion stabilised material and energy conservation and emission reduction effect［D］.Xi蒺an:Chang蒺an University，2012.（in Chinese）

［3］刘娜.泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料中长期使用性能研究［D］.西安:长安大学，2012.

LIU N.Study on long-mid term performance of cold recycling mixture with foamed asphalt and emulsified asphalt［D］.Xi蒺an:Chang蒺an University，2012.（in Chinese）

［4］宋哲玉，徐培华，陶家朴.乳化沥青破乳机理研究［J］.石油沥青，1995，9（3）:23-29.

SONG Z Y，XU P H，TAO J P.A study of emulsion splitting mechanism for emulsified asphalt［J］.Asphalt，1995，9（3）:23-29.（in Chinese）

［5］STIMIlLI A，FERROTTIG，GRAZIANIA，etal. Performanceevaluationofacold-recycledmixture containing high percentage of reclaimed asphalt［J］.Road Materials and Pavement Design，2013，14:149-161.

［6］交通部公路科学研究院.公路沥青路面再生技术规范: JTG F41—2008［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［7］WANG C，HAO P W，RUAN F，et al.Determination of the productiontemperatureofwarmmixasphaltby workability test［J］.Construction and Building Materials，2013，48（7）:1165-1170.

［8］汪海年，郝培文.热拌沥青混合料的和易性测试新方法［J］.中外公路，2006，26（2）:194-196.

WANG H N，HAO P W.A new method of workability test of hot-mix asphalt［J］.Journal of China&Foreign Highway，2006，26（2）:194-196.（in Chinese）

［9］吴超凡，曾梦澜，王茂文，等.添加Sasobit温拌沥青混合料的拌和与压实温度确定［J］.湖南大学学报（自然科学版），2010，37（8）:1-5.

WU C F，ZENG M L，WANG M W，et al.Determination of the mixing and compaction temperatures for warm mix asphalt with sasobit［J］.Journal of Hunan University（Natural Sciences），2010，37（8）:1-5.（in Chinese）

［10］张争奇，吴瑞环，季社鹏.改性沥青混合料拌合及压实温度的确定方法［J］.公路交通科技，2013，30（8）:6-11.

ZHANG Z Q，WU R H，JI S P.An approach to determine mixing and compaction tempertures for modified asphaltmixture［J］.JournalofHighwayand Transportation Research and Development，2013，30（8）:6-11.（in Chinese）

［11］李宇峙，杨瑞华，邵腊庚，等.沥青混合料压实特性分析［J］.公路交通科技，2005，22（3）:28-30.

LI Y Z，YANG R H，SHAO L G，et al.Compactness and alysis of asphalt mixture［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005，22（3）:28-30.（in Chinese）

［12］阮妨.温拌沥青混合料配合比设计方法及技术性能研究［D］.西安:长安大学，2012.

RUAN F.Study on WMA mixture design method and technicalcharacteristict［D］.Xi蒺an:Chang蒺an University，2012.（in Chinese）

［13］WANG Z J，WANG Q，AI T.Comparative study on effects of binders and curing ages on properties of cement emulsified asphalt mixture using gray correlation entropy analysis［J］.Construction and Building Materials，2014，54（3）:615-622.

［14］张文浩，张科飞，陶卓辉.高性能乳化沥青厂拌冷再生技术研究［J］.市政工程，2011，29（3）:134-139.

ZHANG W H，ZHANG K F，TAO Z H.Study of cold recycling technology of high-performance plant mixed emulsifiedasphalt［J］.MunicipalEngineering Technology，2011，29（3）:134-139.（in Chinese）

［15］薛薇.统计分析与SPSS的应用［M］.4版.北京:中国人民大学出版社，2011:115-117.

［16］吕伟民，孙大权.沥青混合料设计手册［M］.北京:人民交通出版社，2007:231-280.

（责任编辑郑筱梅）

Workability Indicator for Emulsified Asphalt Recycled Mixture and Influence Factors

WANG Decai1，2，HAO Peiwen1，LIU Na2，ZHANG Haiwei1，LI Zhigang1
（1.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.Henan Transportation Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450006，China）

In order to study the workability of emulsified asphalt cold recycled mixture（ECRM），the different characteristics of emulsified asphalt，reclaimed asphalt pavement（RAP）content and the influence laws of mixing water content were researched with the self-developed workability test equipment.Moreover，the significance level of influence factors was analyzed by statistic methods. Finally，the rationality of this method and the indicator was verified by back-calculating the jelling time and the volume parameter of superpave gyratory compactor（SGC）molding method.The result shows that the workability of ECRM become worse with increasing RAP content，which can be siginificantly improved by proper mixing water content.RAP content and mixing water content have a significantly impacts on the workability，while the emulsified asphalt has no such effects.ECRM has the optimal timing of the compaction after mixing，when the torque threshold is recommended for 20 N·m.

highway engineering；emulsified asphalt recycled mixture；workability；test method；torque threshold

U 416.26

A

0254-0037（2016）06-0919-07

10.11936/bjutxb2015090044

2015-09-17

国家自然科学基金资助项目（51408050）；交通运输部西部项目中心资助项目（2014316T12050）

汪德才（1983—），男，博士研究生，主要从事路面结构与材料方面的研究，E-mail:decaiww@126.com