沥青稳定类冷再生混合料抗剪特性研究

史永青

(青海省交通投资有限公司， 西宁 810000)



沥青稳定类冷再生混合料抗剪特性研究

史永青

(青海省交通投资有限公司， 西宁 810000)

采用乳化沥青和泡沫沥青作为冷再生沥青混合料的稳定剂，研究冷再生混合料的三轴抗剪特性。研究表明：乳化沥青冷再生混合料比泡沫沥青冷再生混合料抗剪切强度略高；水泥的掺加能显著增加冷再生混合料的内摩擦角及粘聚力；而粘聚力随着沥青稳定剂用量的增大呈现先增大后减小的趋势，内摩擦角则随沥青用量增大而降低，且影响内摩擦角的主要因素为集料颗粒组成而非沥青稳定剂的类型。

冷混合；三轴试验；剪切；粘聚力；内摩擦角

近年来，随着我国国家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期，而因维修养护产生的路面废旧材料也越来越多。在此背景下，泡沫沥青冷再生技术以其经济、节能、环保等独特优势受到了国内外学者的高度重视，且得到了较为广泛的研究与应用[1]。

许多学者通过大量室内试验，从宏观力学性能上揭示水泥对泡沫沥青冷再生混合料的性能影响，并研究了水泥对泡沫沥青冷再生混合料强度的影响，结果表明，增加水泥用量可提高泡沫沥青混合料的劈裂强度，且其作为活性填料，可明显改善泡沫沥青冷再生混合料的水稳定性[2-3]。Pouliot.N及Sadd.M. H等研究了胶浆-集料界面的微观结构和模拟乳化沥青水泥混凝土的微观结构特性[4-5]。Jenkins等对运营多年的再生实体工程进行了抗剪性能追踪评价，发现冷再生路面的抗剪性能在运营2～5年内呈增长趋势，而5年后其抗剪性能基本趋于稳定[6]。李秀君[7]采用贯入剪切试验研究了泡沫沥青冷再生混合料的高温抗剪切性能，结果表明，在泡沫沥青冷再生混合料中添加水泥可提高混合料的早期强度及水稳定性，增加水泥掺量可明显提高混合料的抗剪强度。扫描电镜研究表明水泥水化产物和冷再生混合料胶浆在混合料内交织形成空间网状结构，在提高混合料抗剪强度的同时，对混合料内部不同体积的空隙数量也会产生影响[8]。

目前，国内外研究者对冷再生混合料性能进行了相关研究，但对泡沫沥青及乳化沥青的三轴抗剪特性研究较少，且对于沥青稳定剂类型、水泥掺量、RAP掺量及级配的相互影响的研究也较少。因此，本文针对不同稳定剂类型、水泥掺量、RAP掺量及级配的冷再生混合料进行三轴试验，以探究各因素对冷再生混合料抗剪强度的影响规律。

1 试验原材料及配合比设计

1.1 试验原材料

新集料采用石灰岩，其物理性能指标检测结果见表1。RAP为某高速公路路面铣刨料，RAP与新集料的合成级配见图1。泡沫沥青或者乳化沥青分别标记为P和R。RAP掺量分别为25%、75%，并分别标记级配为P(R)25和P(R)75。冷再生混合料采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥外掺分别为0%和1.5%，并标记为P(R)25-1.5、 P(R)25-0及P(R)75-1.5、P(R)75-0。拌和用水为普通自来水。例如，P25-1.5代表RAP掺量为25%，水泥掺量为1.5%的泡沫沥青冷再生混合料；而R75-0代表RAP掺量为75%，不掺加水泥的乳化沥青冷再生混合料。

表1 新集料检测结果

发泡沥青为SK70#基质沥青，其发泡特性指标膨胀率和半衰期的试验结果见表2。根据发泡试验，确定最佳发泡条件为：温度为165 ℃，发泡用水量为2%。

表2 沥青发泡特性试验结果

注：160 ℃、165 ℃、170 ℃为发泡温度。

图1 泡沫沥青冷再生混合料合成级配

乳化沥青选用克拉玛依90#基质沥青和维实伟克乳化剂，用胶体磨乳化而成，固含量为63.5%。其主要技术指标见表3。

1.2 配合比设计

根据RAP级配及石屑级配情况和重型击实试验，确定P(R)25及P(R)75的拌和用水量分别为6.0%及5.2%。以湿劈裂强度(ITS)峰值对应的泡沫/乳化沥青用量确定最佳沥青用量，同时需兼顾最佳沥青用量下的马歇尔试件干湿ITS比不小于75%，最终确定P(R)25及 P(R)75两种级配混合料的最佳泡沫沥青用量分别为3.3%和2.7%，乳化沥青用量分别为4.2%和3.7%。

表3 乳化沥青技术指标

2 试验方法及结果处理

2.1 试件成型及养生

根据前述2种级配成型不同水泥掺量的试件，对泡沫沥青冷再生混合料的三轴抗剪性能进行探究。试验中不掺加水泥的混合料采用1.5%的矿粉替代。三轴试验试件为静压成型直径D=100 mm，高度h=200 mm圆柱体试件。静压成型后试件置于40 ℃烘箱内养生72 h。

2.2 试验条件

试件养生完成后，取出试件置于室温静置冷却12 h，再放入25 ℃环境箱内保温12 h，即试验温度为25 ℃。静态三轴试验控制在2.4%应变率，且控制在25、50、100、200 kPa 四种不同围压下进行25 ℃三轴剪切试验，每个围压下进行3个平行试验。2种级配不同水泥掺量的泡沫沥青冷再生混合料试件的三轴抗剪试验结果见表4。

2.3 试验结果处理

利用图2所示莫尔圆及其几何关系，可以推导出三轴抗剪参数计算公式(1)，且结合三轴试验及公式(1)可以计算泡沫沥青冷再生混合料的三轴抗剪参数。

(1)

式中：σg1为竖向主应力；σg3为侧向围压应力；c为粘聚力；φ为内摩擦角。

图2 三轴剪切试验的莫尔圆示意

3 再生混合料抗剪强度分析

对试验获取的粘聚力和内摩擦角进行统计分析，其结果见表4。表4中计算方差结果表明：试验获取数据准确性较高。对于相同级配再生混合料，其内摩擦角差别不大，但是对于不同沥青稳定剂再生混合料，其内摩擦角差别较大。3种类型混合料在不同沥青稳定剂及不同水泥掺量条件下，其内摩擦角分别是39.7°、42.5°，28.7°、30.7°，33.4°、34.2°。这说明对于再生混合料内摩擦角而言，集料性能和水泥填料对内摩擦角的影响要比粘结料类型对内摩擦角的影响大得多。

表4 粘聚力和内摩擦角

泡沫/乳化沥青冷再生混合料不同掺量RAP对内摩擦角及粘聚力影响见图3。从图3可以看出，无论是乳化沥青还是泡沫沥青混合料，随着RAP掺量的增加，泡沫沥青冷再生混合料的粘聚力与内摩擦角均产生了不同程度的降低。RAP作为泡沫沥青冷再生混合料级配设计的主要材料，在混合料中占有极其重要的位置。由于掺加大量的废旧沥青路面铣刨料，其棱角性长期磨损，嵌挤后不能形成足够的摩阻力；加之RAP有废旧沥青包裹，冷再生技术无法恢复旧沥青性能，反而润滑了集料表面，从而影响到再生混合料的三轴特性。而乳化沥青冷再生混合料则随着RAP掺量增加其粘聚力有所提高，这主要是旧沥青包裹集料对其粘聚力产生不利影响。同时，因2种混合料的沥青分布状态不一致，导致试验结果存在差别。因此，在冷再生混合料的设计过程中，需慎重考虑RAP的掺量，以改善混合料的性能。

泡沫/乳化沥青冷再生混合料不同水泥掺量对内摩擦角及粘聚力影响见图4。从图4可以看出，水泥不仅可以提高冷再生混合料的粘聚力，而且对冷再生混合料的内摩擦角也起到至关重要的作用。对于水泥掺量为1.5%的再生混合料，粘聚力变化不受沥青稳定剂类型的影响，其变化范围为380～400 kPa，这说明水泥在冷再生混合料的粘聚力形成中起主导作用。对于P(R)25-0混合料，泡沫沥青粘聚力要高于乳化沥青冷再生混合料的粘聚力；而P(R)75-0混合料则相反，泡沫沥青混合料的粘聚力要低于乳化沥青混合料的粘聚力。分析其原因，发现P(R)75级配类型中细料含量过少，且由于2种沥青稳定剂的裹覆状态不一样，乳化沥青完全裹覆于集料表面，而泡沫沥青在集料中是“点焊状”分布，这种裹覆状态的差异导致其混合料强度有所差别，从而进一步证实了再生混合料的粘聚性会受混合料级配及稳定剂类型的影响。

乳化沥青和泡沫沥青的抗剪性能差异并不明显，且与RAP掺量关系密切。对于P(R)25-0再生混合料，采用乳化沥青稳定的混合料性能要高于泡沫沥青稳定类混合料；而对于P(R)75-0混合料，其结果刚好相反。对于添加水泥填料的再生混合料(P(R)25-1.5)，无论采用泡沫沥青还是乳化沥青进行稳定，其抗剪性能差别不大。这就证明了乳化沥青稳定剂对集料有一定的选择性，即新集料与乳化沥青的配伍性要高于RAP与乳化沥青的配伍性。

为了进一步明确沥青用量在冷再生混合料内的影响，本文分别对不同掺量的泡沫沥青及乳化沥青冷再生混合料的抗剪特性进行研究，其水泥掺量为1.5%，乳化沥青及泡沫沥青掺量分别为1%、3%和5%。试验结果见图5。

图3 不同RAP掺量下冷再生混合料三轴抗剪参数

图4 不同水泥掺量下冷再生混合料三轴抗剪参数

不同泡沫沥青用量情况下，泡沫沥青冷再生混合料的抗剪参数的试验结果见图5(a)。由图5(a)可以看出，泡沫沥青冷再生混合料的粘聚力与内摩擦角大小受泡沫沥青用量影响发生明显变化。随着泡沫沥青用量的增加，泡沫沥青冷再生混合料的粘聚力出现先增大后减小的趋势。即，随着泡沫沥青用量的增大，混合料的粘聚力值增大到一定程度后不再增加，反而出现下降。这说明在一定范围内，泡沫沥青用量增加可以提高混合料的粘聚力。分析其原因：1) 泡沫沥青冷再生混合料内部泡沫沥青是以“点焊状”分布于集料之间，形成类似于“玛蹄脂”的结构，起到集料间的粘结作用。2) 在一定范围内，随着泡沫沥青用量的增加，泡沫沥青在混合料内部的分散状况更为均匀，混合料形成的粘聚力就会增加，而当泡沫沥青用量增加到一定程度后，混合料内部的泡沫沥青过多，会使“点焊状”沥青聚集成为一片，对泡沫沥青在混合料中的分散起到副作用；同时，对原本粗糙的集料间形成一定的润滑作用，从而会导致混合料内的粘聚力的下降。3) 随着泡沫沥青用量在一定范围内增加，混合料内的内摩擦角变化相对稳定，而随着沥青用量的继续增加，内摩擦角呈现下降趋势，这说明内摩擦角主要受集料间的嵌挤摩擦影响，而泡沫沥青的增加，对原有集料的表面产生一定的裹覆、润滑效果，且泡沫沥青用量越大，这种裹覆与润滑效果就越强。因此，随着泡沫沥青用量的增加，混合料内部的内摩擦角会显著减小。综上所述，对于冷再生混合料，泡沫沥青用量的选用极为重要，其直接影响到混合料的抗剪性能。

不同乳化沥青用量情况下，乳化沥青冷再生混合料的抗剪参数的试验结果见图5(b)。由图5(b)可以看出，乳化沥青冷再生混合料的粘聚力与内摩擦角大小受乳化沥青用量影响发生明显变化。随着乳化沥青用量的增加，混合料内部的抗剪参数变化趋势与泡沫沥青冷再生混合料的变化趋势极为接近。但泡沫沥青与乳化沥青在混合料内部的裹覆状态截然不同。乳化沥青在冷再生混合料内部和集料呈现完全裹覆的状态，其与热拌沥青混合料中沥青和集料的裹覆方式接近，均在集料表面形成一层沥青膜。分析粘聚力发生此种变化的原因为：1) 在乳化沥青掺量不大时，随着乳化沥青用量的增加，混合料内集料表面裹覆的乳化沥青薄膜越来越厚；而一定程度下，较厚的沥青薄膜产生的粘结作用要高于较薄的沥青膜产生的胶结作用，故在一定乳化沥青用量情况下，混合料内部的粘聚力呈现下降趋势。2) 当乳化沥青用量增加到一定程度时，乳化沥青在集料表面的粘结作用开始下降，表现出“多余”的效果；而在粘结作用不再增大的同时，“多余”的乳化沥青起到润滑作用，在集料间形成润滑效果，减小了混合料内部的粘聚力。3) 随着乳化沥青用量的增加，混合料内部的水分也明显增加，而养生完成后，水分散失，形成的空隙也要大于低乳化沥青用量的混合料，导致其混合料强度也随之下降，但由于该沥青掺量下空隙作用远小于沥青增加所呈现出的粘结作用，故该阶段并未起到主导作用。

结合上述试验结果可知，再生混合料内摩擦角随着水泥掺量的增加提高较为明显；对比泡沫沥青与乳化沥青2种稳定剂，水泥对泡沫沥青冷再生混合料的内摩擦角影响要大于其在乳化沥青冷再生混合料中起到的作用；级配变化对于内摩擦角的影响相对较小，水泥对于再生混合料粘聚力的形成起到主导作用，其贡献比稳定剂类型、级配类型及RAP掺量贡献大得多；尽管乳化沥青和泡沫沥青2种稳定剂的裹覆状态不一致，但其对混合料的抗剪参数影响类似，均产生较大影响，同时，作为冷再生混合料的重要组成部分，RAP掺量对其混合料性能也有较大影响，因此，进行冷再生混合料设计时，应重点考虑水泥、RAP掺量及沥青用量对混合料性能的影响。

4 结论

本文对不同RAP掺量、不同水泥掺量的乳化及泡沫沥青冷再生混合料抗剪性能进行了研究，得到以下结论：

1) 静态三轴试验表明摩擦角大小更多地取决于集料组分(集料类型和水泥填料使用)而不是粘结料的类型。在混合料中RAP掺量越多其摩擦角就越小。而水泥填料能大大增加冷再生混合料的粘聚力，仅添加1.5%的水泥就能使冷再生混合料的粘聚力翻倍。但另一方面，由于水泥填料的添加，混合料摩擦角变小，水泥能使混合料干缩，故应适当控制水泥含量。

2) 尽管乳化沥青和泡沫沥青2种稳定剂的裹覆状态不一致，但沥青对混合料的抗剪参数影响类似：粘聚力随着沥青用量的增大呈现先增大后减小的趋势，内摩擦则随沥青用量增大而降低。

3) 乳化沥青和泡沫沥青的性能比较更多地取决于集料级配。当添加1.5%的水泥填料时，乳化沥青混合料和泡沫沥青混合料抗剪性能差别不大。

[1] 邢傲雪.乳化(泡沫)沥青冷再生混合料技术性能深入研究[D].西安：长安大学，2010.

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[6] 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.

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Study on Anti-shearing Behavior of Asphalt Stabilizing Type Cold Recycled Mixture

SHI Yongqing

Using emulsified asphalt and foamed asphalt as stabilizer of cold regenerated asphalt mixture, this paper studies 3-axis shear behavior of cold regenerated asphalt mixture. Results show that the emulsified asphalt cold regenerated asphalt mixture has better anti-shearing behavior than that of the foamed asphalt cold regenerated asphalt mixture. Adding cement may obviously increase internal friction angle and cohesive strength of cold regenerated asphalt mixture; However, the cohesive strength has the trend of increase and reduce with the increasing of asphalt stabilizer, the internal friction angle reduces with the increment of asphalt, the major factor affect internal friction angle is composition of aggregate grains but not the types of asphalt stabilizer.

cold mixing; 3-axis test; shearing; cohesive strength; internal friction angle

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.010

浙江省交通运输厅科技项目(2014H26)

2016-08-05

史永青(1974-)，男，青海省湟中县人，大专，工程师。

1009-6477(2016)05-0036-06

U416.217

A