养生方法对泡沫沥青冷再生混合料性能的影响

李志刚，郝培文

（1.长安大学公路学院，西安 710064；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点试验室，西安 710064）

养生方法对泡沫沥青冷再生混合料性能的影响

李志刚1，郝培文2

（1.长安大学公路学院，西安 710064；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点试验室，西安 710064）

为了更真实模拟现场养生状况，设计开放养生、半密封养生及半密封+全密封养生（“组合”养生）3种养生方式，并采用力学试验对3种养生条件下泡沫沥青冷再生混合料的含水率、劈裂强度（indirect tensile strength，ITS）、无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，UCS）及抗剪参数的发展规律进行研究；同时，通过CT扫描试验对混合料内部空隙结构进行分析.结果表明:不同养生方式下，混合料内部水分迁移路径和散失速率不一致，导致混合料养生过程中含水率及强度发展规律不一致；含水率与混合料终期养生强度密切相关；不同养生条件下混合料的内摩擦角变化规律基本一致，而黏聚力受含水率影响明显；半密封及“组合”养生水分散失速率慢，养生过程中被水化产物包裹的水分产生的水蒸气压力会破坏原有空隙结构，从而揭示了不同养生方式的空隙分布机理并推荐半密封养生36 h+全密封养生36 h作为泡沫沥青冷再生混合料中长期养生方法.

泡沫沥青冷再生混合料；养生方法；力学强度；抗剪参数；空隙分布

随着我国高速公路网的基本建成，我国早期建成的高等级公路陆续进入大中修阶段.路面维修养护、翻修重建的任务越来越重，我国公路行业将步入建养并重的发展时期，随之产生的废旧路面材料也越来越多.因泡沫沥青冷再生混合料的偏柔性特性，冷再生层的应用可以起到结构转换的作用［1-2］；同时，因其经济、节能环保等独特优势，被广泛应用于沥青路面大中修工程中，近年来受到国内外学者的高度重视［3-4］.

泡沫沥青冷再生混合料通常以水泥作为活性填料.基于此，在施工完成后通常需一定养生时间，以保证泡沫沥青冷再生混合料具有足够强度.目前，我国规范要求现场铺筑7 d后取芯完整或者含水率低于2%方可铺筑上覆层［5］.但是在室内加速养生方面，国内外尚未形成一致意见［6］，目前我国通常采用不脱模60℃开放养生40 h以上来模拟再生混合料中长期性能.但研究认为，60℃养生温度过高且已超过沥青的软化点，会对泡沫沥青混合料劈裂强度、沥青分布状态及空隙分布特征产生影响，并推荐采用40℃作为泡沫沥青冷再生混合料的室内加速养生温度［7］.进一步研究发现，无论开放养生还是半密封养生，混合料早期强度增长不大，只有含水率降低到一定程度后，混合料强度才会明显增加［8-9］.李秀君［10］通过对比开放养生和密封养生，发现2种养生方式对混合料强度的影响不大.刘娜［11］通过大量试验探究不同养生温度、密封与开放养生方式条件下含水率以及抗压回弹模量发展规律.综上，研究人员对养生方法尚未达成一致，且养生过程中的强度变化规律尚不明确.同时，不同养生条件下混合料内部的空隙分布状况尚不明确，缺乏对冷再生混合料养生过程中强度形成的本质认识.

借鉴上述研究，本文采用40℃养生温度，设计3种不同养生方案，并对不同养生方案的含水率、力学强度和抗剪参数的变化规律进行探究.同时，采用CT扫描试验，分析不同养生方法下混合料内部空隙的分布状况.

1　试验材料及配合比设计

1.1原材料

试验中回收沥青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）来源于陕西某高速公路沥青面层，将RAP自然风干后进行筛分试验，RAP级配见表1.通过掺加石屑来调整冷再生混合料级配，其检测结果见表2.试验中，通过发泡特性试验确定SK90#基质沥青最佳发泡温度为150℃，最佳发泡用水量为1.5%，其膨胀率为22倍，半衰期为11.6 s.采用陕西耀县水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥，经检测，水泥的各项指标均满足规范要求.拌和用水为西安地区饮用水.

表1　RAP筛分试验结果Table 1 Grading test of RAP

表2　石屑技术指标检测结果Table 2 Technical index test results of fine aggregate

1.2配合比设计

根据RAP级配及石屑级配情况，确定石屑的掺量为20%，RAP掺量为80%，水泥外掺量为1.5%，泡沫沥青冷再生混合料合成级配见表3.通过重型击实试验及马歇尔配合比设计确定最佳拌和用水量为5.3%，最佳泡沫沥青用量为3%.

2　养生设计及试验方法

2.1养生方案介绍

目前，国内外常见养生方式有:不脱模开放养生、半密封养生和全密封养生.这3种养生方式各有优劣，为了更好地模拟冷再生层的实际养生状况，本研究设计的3种养生方案如下:

1）开放养生.将成型标准马歇尔试件室温静置4 h后，不脱模置于40℃鼓风烘箱内养生.该养生方式虽然能很好地达到加速养生的目的，但养生过程中的水分蒸发路径与实际现场养生过程中水分蒸发路径并不一致.

2）半密封养生.将成型好的标准马歇尔试件室温静置4 h后小心脱模，然后将试件置于底部密封的养生盒内，试件顶部与养生盒之间用保鲜膜密封（见图1（a）），仅将马歇尔试件上表面与外界进行水分散失与交换，并置于40℃鼓风烘箱中养生.这种养生方式的水分蒸发路径与现场未加铺沥青混凝土时再生层养生状况比较接近，通过试件上表面与空气进行水分交换与散失，从而实现现场早期养生状况的模拟.

3）半密封+全密封养生（“组合”养生）.作者在前期基础研究中，通过对半密封养生与自然养生及路面芯样的含水率与力学强度的研究对比，发现40℃半密封养生36 h混合料强度与现场养生5～7 d芯样强度接近.因此，本文将标准马歇尔试件室温静置4 h后小心脱模，于40℃烘箱内半密封养生36 h，随后取出试件并置于密封袋内继续进行40℃全密封养生，且每隔24 h更换密封袋.半密封养生36 h可以实现现场未加铺上覆层时冷再生层早期养生状况模拟，而随后的全密封养生则能很好地模拟加铺上覆沥青路面后的再生层的养生状况.采取半密封与全密封结合的养生方式与路面实际养生过程中的状态更为接近.

2.2试验方法

成型试件后进行不同条件下的模拟养生，每隔12 h取出16个试件.将试件分为4组，1组用于测定马歇尔试件的含水率，另外3组分别用于测定15℃劈裂强度（indirect tensile strength，ITS）、单轴贯入强度SD及无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，UCS）.试件养生后立即破坏，取试件内部混合料测定其含水率.为了避免空气浴保温过程中的水分散失，将单轴贯入及无侧限抗压强度测定的试件取出后，立即裹覆于密闭塑料袋中，置于15℃环境箱内保温5 h后测定其力学强度.对于劈裂试件，置于15℃水浴中保温2 h后测定其劈裂强度.结合上述养生方法，本文对不同养生方案的试件的含水率、强度及抗剪参数的发展规律进行分析研究.

表3　泡沫沥青冷再生混合料合成级配Table 3 Grading curves of cold recycled mixture with foamed asphalt

3　不同养生方案泡沫沥青混合料的性能发展规律

试验中含水量、劈裂强度、无侧限抗压强度均参照JTG E51—2009中试验方法进行.参考同济大学邵显智［12］提出的用极值点取代损伤拐点来评价沥青混合料的抗剪切性能的方法，根据贯入强度、无侧限抗压强度，计算得到泡沫沥青冷再生混合料黏聚力和内摩擦角，计算方法参照文献［13］.

3.1不同养生方案混合料含水率及力学强度发展规律

图2为不同养生条件下试件含水率和劈裂强度随养生时间的变化状况.40℃开放养生的前24 h内，水分散失速率很快，养生至72 h以后，含水率基本不再发生变化.半密封养生和“组合”养生条件试件的含水率变化状况类似，不同的是上述2种养生方案中，试件养生终期含水率明显高于开放养生，且“组合”养生后试件含水率略高于半密封养生.与之对应的是图2中劈裂强度、图3中无侧限抗压强度和贯入强度SD的变化情况，随着水分散失，混合料力学强度也趋于稳定.这主要取决于冷再生混合料内水泥的水化进程，且由于水泥的水化放热作用，在冷再生混合料养生的前24 h内，水分散失速率很快.前24 h内无论哪种养生方法，用于水泥水化的水分充足又均处于40℃环境内，其水泥水化程度类似，混合料强度差别不大.由于该阶段水泥水化进程完成，因此，养生24 h后混合料力学强度增长速率变缓.同时，养生终期强度也有较大差别.究其根本，影响不同养生条件下冷再生混合料养生终期强度的主要因素可能在于冷再生混合料内部含水率的差异.

对比马歇尔试件在3种养生方式下，其含水率稳定于1.6%和0.6%左右.开放养生方式含水率变化太快，水分的挥发路径与实际不符，不能模拟施工现场的使用条件；相对而言，半密封及“组合”养生方式最终含水率与现场含水率更为接近，且“组合”养生过程水分散失路径与现场养生一致，与现场养生状况最为接近.考虑到“组合”养生方式在养生至72 h后力学强度基本达到稳定峰值，即终期强度值，本文推荐采用40℃鼓风烘箱内“半密封36 h+全密封36 h”养生结合的方式模拟冷再生混合料的中长期养生.

3.2不同养生方案混合料抗剪参数发展规律

随着冷再生层位的不断上移以及交通量的迅速增加，路面设计中对再生层的抗剪性能要求也越来越高［14］.为了探究不同养生条件下混合料抗剪性能的变化规律，根据上述试验结果计算不同养生条件下混合料的抗剪参数，结果见图4.

图4为不同养生条件下泡沫沥青冷再生混合料的黏聚力C及内摩擦角φ随养生时间的变化情况.从图4中可以看出，开放养生至24 h以后，泡沫沥青冷再生混合料内部黏聚力基本稳定，而另外2种养生方式养生至36 h后黏聚力也趋于稳定.养生前期水泥水化不完全且含水率较高，导致混合料黏聚力较低；而随着养生的继续，冷再生混合料内部水分继续散失，从而削弱了水分对混合料内部沥青-RAP黏结作用，黏聚力有所提高.但由于含水率本身已经较低，加之沥青黏结作用有限，故而冷再生混合料内部黏聚力基本趋于稳定.由于半密封养生与“组合”养生方法的养生终期含水率差别不大，其养生终期黏聚力差别也不大.

由图4可见，不同条件下养生12 h后，泡沫沥青冷再生混合料内部内摩擦角基本趋于稳定，由于水泥水化初期，此时冷再生混合料内部集料的“嵌挤作用”起主导作用，含水率对这种“嵌挤作用”影响并不显著.前12 h养生阶段，由于冷再生混合料内部水分过高，且水化并未完全，此时水泥水化产物未形成结构，无法提供足够的力学强度；同时内部水分较多形成“润滑作用”，导致混合料前12 h养生阶段内摩擦角很低.

3.3含水率对混合料力学强度的影响

目前，各国通常以含水率作为沥青上覆层铺筑的判别指标.为了进一步明确含水率与混合料力学强度的相关性，本文对含水率与试件力学强度进行相关性分析.相关性分析结果见图5.

图5为试件养生过程中含水率与泡沫沥青冷再生混合料强度的相关性分析.为了避免水泥水化程度不一致对拟合结果产生影响，将去掉0、12 h养生数据拟合结果（见图5（b））和未去掉该部分养生数据的拟合结果（见图5（a））进行对比.这说明前12 h内，冷再生混合料内部的水泥水化部分完成，前12 h强度的形成主要为水泥水化的强度，而12 h以后，特别是24 h以后，水泥水化作用基本完成，也就是说基本达到冷再生混合料中水泥水化形成的强度，混合料内部的强度主要受混合料内部含水率的影响.

结合不同养生条件下混合料的含水率、力学强度及抗剪参数的变化规律，可以发现3种养生状况下混合料含水率、力学强度及抗剪参数均在养生至72 h左右趋于稳定.由于养生前期混合料内部水分充足，混合料内部水泥水化状况基本一致，混合料强度差别只体现在含水率的差异上.3种养生方式养生的前24 h，因混合料内部水分较大，沥青黏结作用极小且水泥水化程度类似，混合料强度差别不大.养生至24～72 h，开放养生混合料水分散失速率最快，强度较高，其他2种养生方式强度略低.72h以后，3种养生方式的混合料强度基本稳定，达到终期强度.但混合料内部含水率略有差别，其终期强度也表现出不同.

4　不同养生方案混合料空隙分布状况

泡沫沥青冷再生混合料空隙率一般在9%～13%，远远高于普通热拌沥青混合料（一般4%左右）.而空隙率作为一个重要的体积指标，对混合料性能影响较大.为进一步揭示不同养生方案混合料内部空隙的分布规律，采用X射线CT扫描技术对标准马歇尔试件进行扫描及三维重构.阈值按照最大类间方差法确定［15］.参照文献［7］方法计算出混合料内部空隙的平均孔径，见表4.

表4　不同养生条件下混合料空隙平均孔径Table 4 Average aperture at different curing conditions

通过对表4试件结果进行分析，不同养生状况下混合料空隙率差别不大，且平均孔径差别也不大.究其原因，平均孔径的计算为混合料内部所有孔径的均值；而再生混合料内部大空隙数目虽然不多，但大空隙体积较大，对孔径的计算影响较大.同时，混合料内部存在的大量小空隙无法在平均孔径上体现.因此，对于再生混合料这种多孔结构，采用平均孔径表征混合料内部空隙分布并不合理.为进一步明确不同养生条件下混合料中不同体积空隙的分布状况，对CT重构空隙结果进行统计分析，不同空隙体积空隙数目占总空隙数目的比例见图6.

由图6可以发现，相较于另外2种养生方式，开放养生后混合料V＜0.1 mm3所占比例明显较高，而0.1 mm3≤V＜0.5 mm3所占比例则低于其他2种养生方式，且其他空隙体积所占比例基本一致.结合前文所述，不同养生方式经过24 h养生后试件内部含水率差别较大，表现在开放养生含水率较低，而另外2种养生方式含水率相对较高.同时，经过40℃烘箱24 h养生后，试件内水泥大部分水化完成，形成的水化产物交织在试件内部，甚至分割、填充内部空隙，将原有大空隙分割为多个小空隙.而开放养生由于水分迁移速率较快，在水泥水化结构形成前大部分水分已经散失，可在短时间内完成养生；水分形成的水蒸气压力对形成的空隙结构破坏不大.而半密封和“组合”养生方式，由于水分迁移速率较慢，水泥水化结构形成空隙后，将大量水分密闭在空隙内部；随着养生的继续，密闭空隙内的水分形成水蒸气压力，就会通过空隙的薄弱环节突破这种“约束”，从而破坏原有空隙，甚至将部分小空隙联通为大空隙，并且水分散失速率越慢，对空隙的破坏越严重.

5　结论

1）不同养生条件对泡沫沥青冷再生混合料内部含水率、ITS、UCS及抗剪参数产生较大影响.开放养生条件下混合料养生终期强度高于另外2种养生方式.由于水分的散失速率不同，导致混合料强度及抗剪参数的变化规律不完全一致.

2）水泥水化完成后，不同养生条件下冷再生混合料的强度的大小与混合料内部含水率相关:含水率越大，混合料强度越低.混合料养生终期黏聚力与含水率关系也是如此，但养生终期内摩擦角与含水率关系不大.

3）结合混合料含水率、力学强度及抗剪参数的变化规律，同时考虑与实际路面养生时水分迁移的一致性，推荐采用半密封养生36 h+全密封养生36 h的养生方案作为泡沫沥青冷再生混合料的中长期养生方法.

4）养生条件不同导致再生混合料中水分迁移路径及速率不一致.而CT扫描结果分析表明，水分迁移的这种差别导致混合料内部V＜0.1 mm3及0.1 mm3≤V＜0.5 mm3空隙所占比例发生变化，从而改变混合料内部空隙结构，影响再生混合料性能.

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（责任编辑 梁 洁）

Effect of Curing Procedure to Foamed Asphalt Cold Recycled Mixture Properties

LI Zhigang1，HAO Peiwen2
（1.College of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China）

In order to simulate field curing condition，uncovered curing，semi-covered curing and semicovered+covered curing（“combination”curing）of three methods were designed.Mechanics tests were used to study development law of moisture content，indirect tensile strength（ITS），unconfined compressive strength（UCS）and the shear parameters.At the same time，the internal void structure of mixture was analyzed by CT scanning test.Results show that the difference of the strength development law results in the difference of moisture migration path and loss rate at three curing conditions.Moisture content is closely correlative with mixture strength，and the change law of internal friction angle of mixture seemes similar and the cohesive force is significantly influenced by the moisture content.The void structure which was formed by hydration products is destroyed by water vapor pressure due to the slow evaporation rate of semi-covered curing and“combination”curing procedure.Therefore，the strength presents lower than that of uncovered curing.According to the research of mechanical properties and voids distribution，semi-covered curing 36 h+covered curing 36 h is recommended as a long term curing procedure in foamed asphalt cold recycled mixture design.

cold recycled mixture with foamed asphalt；curing procedure；mechanics strength；shear parameters；voids distribution

U 416.26

A

0254-0037（2016）10-1519-07

10.11936/bjutxb2016020028

2016-02-25

国家自然科学基金资助项目（51278060，51408050）

李志刚（1988—），男，博士研究生，主要从事沥青与沥青混合料方面的研究，E-mail:lizhigang@chd.edu.cn