乳化沥青冷再生混合料早期黏聚力及影响因素

汪德才，郝培文

(1.郑州大学水利与环境学院，郑州 450001；2.河南省道路材料与结构工程技术研究中心，郑州 450006；3.河南省交通科学技术研究院有限公司，郑州 450006；4.长安大学特殊地区公路工程教育部重点试验室，西安 710064)

沥青路面冷再生技术具有显著的经济、社会与环境效益，是一项符合国家可持续发展要求的道路维修措施.近年来以乳化沥青作为再生剂的沥青路面冷再生技术在国外沥青路面养护维修和升级改造中得到了广泛应用[1-2].但由于国内现行规范[3]中关于乳化沥青冷再生混合料设计并未涉及早期性能指标，而黏聚力是其冷再生混合料早期性能的关键表征指标，在工程实施过程中易出现由于冷再生混合料早期黏聚力指标缺失而造成取芯困难或难以开放交通，或是开放交通后出现表面裂纹等问题，这在一定程度上限制了该项技术的推广与应用.2017年，Yan等[4]对冷再生混合料的早期强度基于维姆(HVEEN)内聚试验和磨耗试验分别测定内聚力和损失率表征，研究加入水泥对其早期强度和长期性能的影响，表明早期强度和长期性能间存在很强的线性相关性.2013年，周源[5]通过室内试验表明添加适量生石灰可以增加乳化沥青冷再生混合料强度，并能缩短养生工期.2016年，耿九光等[6]提出加入早强水泥可改善乳化沥青冷再生混合料早期强度，能显著缩短工期.2016年，李锋等[7]基于黏结力试验和磨耗试验对乳化沥青冷再生混合料早期强度与水稳定性能展开研究，得出随水泥用量增大，早期强度与水稳定性能增加，但会降低低温性能.2016年，陈海民等[8]通过分析现有冷再生设计方法，认为基于黏聚力、抗磨耗及取芯试验可选择最佳乳化沥青配方.可以看出，国内外研究主要集中在水泥、石灰等常规材料对冷再生混合料早期强度改善以及中长期性能等方面，关于乳化沥青冷再生混合料早期性能控制指标及影响因素研究很少，对再生剂(regenerating agent，RA)、布敦岩沥青(Buton rock asphalt, BRA)、玄武岩纤维(basalt fiber，BF)等不同技术方式对改善冷再生混合料早期性能方面也鲜少涉及，因此开展乳化沥青冷再生混合料早期黏聚力指标及要求等方面的研究对于优化其冷再生混合料设计及施工工序具有重要意义.

1 试验实施

1.1 试验材料

1)RAP

采用某高速面层铣刨料，通过阿布森法从沥青旧料(reclaimed asphalt pavement,RAP)中回收沥青，沥青质量分数为4.87%，其技术指标为：25 ℃针入度2.41 mm, 软化点60.8 ℃，15 ℃延度11.6 cm，60 ℃黏度2 831 Pa·s.

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4种冷再生用乳化剂，室内采用胶体磨制备乳化沥青，记为E1、E2、E3、E4.采用激光粒度仪进行乳化沥青粒径测试，试验结果见表1.

表1 乳化沥青技术指标

3)改性材料

RA为热再生常用再生剂，60 ℃黏度2.3 Pa·s，饱和分质量分数25%，芳香分质量分数75%，薄膜加热试验前后质量变化1.6%.BF外观为金褐色，密度2.463 g/cm3，直径15 μm，长度6 mm，断裂伸长率3.1%，吸油率70%.BRA为黑褐色颗粒，密度1.71 g/cm3，沥青质量分数25%，灰分质量分数75%，含水量小于1%.SBR胶乳常温下呈乳白色液状，带阳离子电荷，固含量50%，pH 5～7，机械稳定性(5 min)小于1%.根据各材料厂商推荐用量，其中RA添加比例为RAP中旧沥青质量分数的8%，BF与BRA掺量分别为冷再生混合料的0.30%、0.35%，SBR胶乳为乳化沥青用量的3%.

4)材料组成设计

参考JTG F41中乳化沥青冷再生混合料中粒式级配要求设计，RAP掺量分别为70%、80%、90%，添加相应石屑分别为30%、20%、10%，合成级配分别记为G1、G2、G3，见表2.采用普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5，外掺用量1.5%，水为饮用自来水，所有材料检测指标均符合规范要求.最佳乳化沥青用量、拌和用水量均基于旋转压实50次成型试件时最大劈裂强度而确定，分别为4.0%、3.6%.

表2 乳化沥青冷再生材料组成级配

1.2 试验方法

目前，关于乳化沥青冷再生混合料早期黏聚力评价方法主要有以下4种方式.

1)HVEEN黏聚力试验

HVEEN黏聚力试验模拟路面材料层底弯拉应力状态是基于ASTM D1560修正而来，试验仪器如图1所示，其试验原理是通过一定规格的小钢珠匀速在悬臂梁末端上加载，直至试件掰断或者弯曲至某一变形(13 mm)时，弹簧开关自动关闭，小球停止流出，称量并记录小球质量(g)，按计算黏聚力大小.式中：C为黏聚力，g/cm2；L为球重，g；W为试件直径，cm；H为试件高度，cm.

(1)

试件准备：旋转压实20次成型直径150 mm、高(80±3)mm的圆柱体试件，在温度25 ℃、相对湿度70%的恒温恒湿箱中养生4 h.

2)磨耗试验

根据ASTM D7196磨耗试验进行评价，试件准备与上文黏聚力试验一致，养生后称重为Wb，室温下磨耗15 min后称重为Wa(当试件松散即刻停止)，磨耗损失率L计算公式为

(2)

式中：L为磨耗损失率，%；Wb为磨耗前试件质量，g；Wa为磨耗后试件质量，g.

3)钻取芯样

为更直观检验冷再生混合料早期强度形成情况，在室内模拟现场实际，通过成型车辙板钻取芯样，以试件的完整度进行直观评价.

4)稀浆混合料黏聚力测试方法

本方法适用于确定稀浆混合料(或微表处)初凝时间和开放交通时间，通过扭力扳手测定不同养生时间下的黏聚力控制混合料的性能，不仅可以评价混合料成型速度，也可反映其强度性能.

综上所述，各种不同黏聚力测试方法各有其优缺点，考虑材料试验方法时主要有两方面：一是与现场实际的吻合程度；二是试验方法的简便性、精确性与可操作性.稀浆混合料黏聚力试验测试摊铺碾压后黏聚力大小，能较好评价混合料的黏聚力，但评价乳化沥青冷再生混合料黏聚力是否科学合理，未予论证；磨耗试验间接模拟开放交通后的情况，但未反映混合料内部真实黏聚力的情况；钻取芯样试验可直观定性判断内部黏聚力形成情况，但受试验操作影响，数据变异性大，难以定量.而HVEEN试验仪可较为真实地模拟现场实际，且评价其黏聚力也具有较好的一致性，因此本研究借助于HVEEN试验仪定量评价乳化沥青冷再生混合料早期形成黏聚力的情况.

2 结果与讨论

2.1 黏聚力影响因素

2.1.1 成型时间影响

根据HVEEN黏聚力试验方法，在乳化沥青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%以及90%RAP掺量条件下成型试件，测试放置不同时间后试件黏聚力大小，结果见图2.

由图2可知，乳化沥青冷再生混合料黏聚力随放置时间增加呈先增大后减小趋势，放置约2 h试件黏聚力最大.由于乳化沥青前期并未破乳，具有良好和易性，后期随着水分挥发，乳化沥青开始破乳凝结，冷再生混合料逐步失去和易性，对成型后试件黏聚力有影响，这也说明黏聚力最大值存在于乳化沥青冷再生混合料和易性良好时[9].

2.1.2 乳化沥青特性及用量影响

根据HVEEN黏聚力测试方法，在乳化沥青用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP掺量条件下成型试件，考察4种乳化沥青E1、E2、E3、E4对混合料黏聚力的影响，结果见图3；在乳化沥青用量(E1)4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP掺量条件下成型试件，考察4种乳化沥青用量3.0%、3.5%、4.0%、4.5%对混合料黏聚力的影响，结果见图4.

由图3可知，乳化剂种类对乳化沥青冷再生混合料黏聚力指标有影响，黏聚力由大到小依次为E2、E1、E4、E3，乳化沥青平均粒径由大到小依次为E3、E4、E2、E1，从乳化沥青E2、E3、E4的黏聚力来看，说明粒径越小黏聚力越大，但从乳化沥青E1与E2的黏聚力来看，并非完全说明粒径越小黏聚力就越大，可能还与乳化剂本身分子结构性质有关系.

由图4可知，乳化沥青用量在3.0%～4.0%变化时，黏聚力随着乳化沥青用量增加而增大；乳化沥青用量在4.0%～4.5%变化时，黏聚力反而有所下降，因此冷再生混合料黏聚力最大值存在于乳化沥青用量为4.0%～4.5%时.由于乳化沥青用量较少，一方面会导致乳化沥青破乳后沥青裹复旧料面积较小，另一方面需要拌和用水量会增多，水分蒸发时间延长，残留空隙较大；乳化沥青用量较多时，残留沥青相应增多，虽然空隙率有所降低，但未形成材料的合理级配，同样黏聚力也会降低.

2.1.3 拌和用水量影响

在乳化沥青(E1)用量4.0%、90%RAP掺量条件下成型试件，考察4种拌和用水量3.1%、3.6%、4.1%、4.6%对冷再生混合料黏聚力的影响，结果见图5.由图5可知，拌和用水量在3.1%～3.6%变化时，黏聚力随用水量增加而变大；在3.6%～4.6%变化时，用水量增大黏聚力反而下降.若拌和用水量过少，冷再生混合料润湿不够，和易性会变差，同样乳化沥青用量下，裹覆旧料程度不一，导致黏聚力较差；若拌和用水过多，虽能充分润湿旧料，和易性也在合理范围，但乳化沥青冷再生混合料强度形成的过程也是水分不断蒸发的过程，水分越多，强度形成越慢，残留空隙越大，早期强度就越差.另外也可以看出黏聚力试验对应的最佳含水量与基于劈裂强度确定的含水量具有良好的一致性，这在一定程度上也说明了黏聚力测试方法的合理性.

2.1.4 RAP掺量影响

在乳化沥青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%时，改变RAP掺量分别为70%、80%、90%，考察RAP掺量对冷再生混合料黏聚力的影响，结果见图6.由图6可知，随RAP掺量增加乳化沥青冷再生混合料黏聚力增大.RAP掺量70%时黏聚力为112 g/cm2，80%RAP的黏聚力相比70%RAP增加18%，90%RAP的黏聚力相比80%RAP增加3%.表明乳化沥青冷再生混合料黏聚力并非新料越多越好，黏聚力形成主要依靠于乳化沥青冷再生混合料胶浆的强度，新料越多，表面需要裹覆的沥青越多，同样乳化沥青用量下，胶浆强度偏低；另外新料与旧料的相容性也并非一致.

2.2 相关性分析

为分析RAP掺量、拌和用水量、乳化沥青特性与用量对冷再生混合料黏聚力的影响程度，进行单因素SPSS方差分析[10]，结果见表3.

表3 影响因素的方差分析结果

由表3可知：RAP掺量、拌和用水量、乳化沥青特性及用量的显著性水平均小于0.05，说明4个因素在5%显著性水平下对乳化沥青冷再生混合料黏聚力均有显著影响；从4个因素统计量(F)来看，乳化沥青用量与拌和用水量对其冷再生混合料黏聚力影响最大，乳化沥青特性次之，RAP掺量最小.

2.3 黏聚力指标要求

根据HVEEN试验方法，在乳化沥青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP掺量条件下成型试件，养生不同时间后立即进行取芯试验并测试其黏聚力大小，其结果见图7、8.

如图8所示，对养生8 h后的试件取芯，取芯机未到试件底部时，发现试件外侧已完全松散，在取芯机内侧，试件仅有小块残留，大部分处于松散的状态，说明乳化沥青冷再生混合料尚未形成强度.对养生24 h后的试件取芯，取芯机到试件底部时，试件外侧完全裂开，但未见松散；取芯机内侧，试件有大块残留，未出现完全松散状态，说明乳化沥青冷再生混合料正处于强度形成初始阶段.对养生30 h后的试件取芯，取芯机到试件底部时，试件外侧裂开，观察取芯机内侧，发现试件基本完整，完整率约80%，说明乳化沥青冷再生混合料已具有一定强度，处于强度逐步形成阶段.对养生54 h后的试件取芯，取芯机到试件底部时，试件外侧未裂开，仅有局部轻微掉落，进一步观察取芯机内侧，发现试件成型完好，完整率在95%以上，说明乳化沥青冷再生混合料已形成较好的强度.

由图7可知，随着养生时间增加，试件黏聚力呈对数函数变化趋势，相关系数0.998 8，说明养生前期(养生1 d)冷再生混合料黏聚力增加速度较快，后期增加速度相对较慢，相比于4 h的标准养生时间，养生24、36、60、72 h冷再生混合料黏聚力分别增加20%、6%、5%、3%，表明合理养生时间对冷再生混合料早期强度的影响至关重要.根据上述室内试验结果，并结合实际工程经验确定当乳化沥青冷再生混合料试件能取出完整芯样时其黏聚力应至少大于163 g/cm2.

2.4 黏聚力增强技术

黏聚力大小是表征乳化沥青冷再生混合料强度形成的重要指标，如何有效提升乳化沥青冷再生混合料早期强度是其工程应用的重要方面.根据HVEEN试验方法，在乳化沥青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP掺量条件下成型试件，考察RA、BRA、BF及采用SBR胶乳改性4种不同技术方式对其冷再生混合料黏聚力提升的影响.结果见图9.

分析图9可知：掺加BRA、RA及采用SBR胶乳对冷再生混合料黏聚力改善较明显，其中改善最显著的是掺加BRA，而掺加BF稍降低了冷再生混合料早期黏聚力.相对普通乳化沥青冷再生混合料黏聚力而言，掺加BRA、RA及SBR胶乳的冷再生混合料黏聚力分别提升了68%、38%、33%；而掺加BF的混合料黏聚力降低了2%.

掺加BRA对其冷再生混合料黏聚力改善明显，一方面由于BRA是天然沥青，与旧沥青相容性有天然优势；另一方面BRA中有石灰岩矿物质，不仅粒度细，而且吸油能力非常好，可以提高沥青与集料间的黏附性，包含的一部分矿物成分能很好地填充混合料空隙，从而提升材料强度[11-12].RA主要作用是降低老化沥青黏度，软化过硬的旧沥青，压实过程中能进一步均匀分散，提高沥青材料黏附性；另外部分RA渗入RAP中，充分与旧沥青组分融合，改善沥青流变特性，使得混合料更易压实[13-14].SBR通常以“胶粒”的形式分散在沥青中，沥青是连续相，SBR是分散相，SBR和沥青的共混让沥青表现出较好的黏弹性质，改善了混合料的黏结力[15].首先，BF比表面积大又表面粗糙，会降低和易性，增加压实难度；其次，BF具有良好的亲水性，当BF投入冷再生混合料后，随即分散成极细的絮状纤维丝，包裹这些絮状纤维丝需要大量浆体，难以确保旧料的裹覆效果；再者，BF难以分散，拌和时容易成团，可能会削弱乳化沥青与旧沥青或集料间界面[16].

3 结论

1)推荐采用HVEEN黏聚力试验仪对乳化沥青冷再生混合料黏聚力定量评价；冷再生混合料黏聚力大小随放置时间、乳化沥青用量及拌和用水量增加呈先增大后减小趋势，随RAP掺量增加而增大，且最大黏聚力值存在于冷再生混合料和易性良好时；乳化沥青平均粒径越小并非黏聚力越大；黏聚力试验与劈裂强度试验确定最佳拌和用水量具有良好的一致性.

2)RAP掺量、拌和用水量、乳化沥青特性及用量对乳化沥青冷再生混合料黏聚力影响显著，其中乳化沥青用量和拌和用水量影响最大，乳化沥青特性次之，旧料掺量影响最小.随着养生时间增加，乳化沥青冷再生混合料黏聚力呈对数函数变化特征，养生前期黏聚力增加速度较快，后期增加较慢，建议乳化沥青冷再生混合料早期黏聚力应不小于163 g/cm2.

3)掺加BRA、RA及采用SBR改性乳化沥青对冷再生混合料黏聚力有明显改善作用，改善最明显的是在冷再生混合料中掺加BRA的技术方式，其次是掺加RA的方式以及采用SBR改性乳化沥青的方式，而掺加BF的方式稍降低了冷再生混合料早期黏聚力.