级配和水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料路用性能的影响

李强，许傲，陈浩，商健林，张帅

级配和水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料路用性能的影响

李强1, 2，许傲1，陈浩3，商健林4，张帅4

(1. 南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037；2. 机电产品包装生物质材料国家地方联合工程研究中心，江苏 南京 210037；3. 常州星河协通房地产开发有限公司，江苏 常州 213100；4. 江苏北极星交通产业集团有限公司，江苏 南通 226010)

为评价级配和水泥掺量的影响，分别采用无侧限抗压强度试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和小梁弯曲试验对不同类型泡沫沥青冷再生混合料的力学性能、水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性进行测试。研究结果表明：在再生料中掺加新集料可以降低2.3%～3.3%的空隙率。通过同时掺加新粗、细集料和矿粉来进行再生料级配优化可以获得最优的力学性能和高温稳定性，但是其水稳定性和低温抗裂性不如仅掺加新细集料和矿粉的情况。虽然再生料路用性能随着水泥掺量的增加而不断提高，但是考虑到潜在的收缩开裂问题，建议在控制水泥掺量的前提下通过优化级配来改善泡沫沥青冷再生混合料的路用性能。级配和水泥掺量对于不同的路用性能的影响显著性有所差异。级配对高温稳定性的影响更加显著，而水泥剂量对水稳定性的影响更加显著。

沥青混合料；泡沫沥青冷再生；级配；水泥掺量；显著性分析

在极短的时间内将众多细微水体颗粒喷入高温沥青中，水体颗粒遇热形成气泡使沥青体积迅速膨胀，从而产生大量的沥青泡沫，沥青泡沫随后会出现破裂，这种包含水、气、沥青的三相混合体就是泡沫沥青。近年来废旧路面材料回收及再生技术受到了极大的关注，泡沫沥青主要适用于冷再生和温拌技术[1−2]。与温拌技术相比，泡沫沥青冷再生技术不仅同样能够实现节能减排，而且还能有效使用废旧路面材料，兼具节约资源和保护环境的优势。泡沫沥青冷再生混合料主要用于道路底面层或基层，其路用性能一直是研究的热点。在级配设计方面，李鹏飞等[3]提出掺加20%的19～26.5 mm粗集料能够提升AC-25泡沫沥青冷再生混合料的劈裂强度和稳定度；刘玉国[4]发现级配较细的泡沫沥青混合料具有更高的抗压强度；王玥珩[5]认为掺加20%的机制砂可以使再生料达到最优的高温性能。在水泥掺量方面，乔得伟[6]发现掺加1.5%的水泥的再生料具有良好的高温性能和水稳定性；LI等[7]提出为保证再生料低温抗裂性，建议水泥掺量不大于2%。上述研究表明在泡沫沥青冷再生混合料级配设计理念方面还存在一定的争议，另外在最佳水泥掺量方面也缺乏明确的结论。本文基于室内试验对泡沫沥青冷再生混合料的力学强度、水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性进行研究，并评价级配和水泥掺量对其路用性能的影响。

1 试验方案

1.1 原材料

通过对某实体道路工程AC-13普通沥青混凝土层进行铣刨获取旧沥青混合料。从表观上看旧料主要由大量完全被沥青裹覆的集料和少量未被沥青裹覆或被沥青部分裹覆的集料组成，说明已出现沥青与集料剥离的现象。铣刨料的最大颗粒粒径小于26.5 mm，4.75 mm以下铣刨料的砂当量为60.3%，满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)的技术要求(≥50%)。经抽提试验检测得到铣刨料油石比为5.0%。选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥和满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)性能要求的石灰岩新集料及矿粉[8]。经比选最终采用韩国双龙70号沥青进行配合比设计和性能试验，新旧沥青的技术性能指标如表1所示。最佳发泡条件为发泡温度170 ℃和发泡用水量2.0%，在此条件下测得的最大膨胀率为12倍，半衰期为11.5 s[9]。

1.2 配合比设计

级配是影响沥青混合料性能的关键因素[10]。根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)中规定的中粒式级配范围，综合考虑铣刨料级配和工程实践经验，设计了3种再生料组成设计方案，分别是同时掺加新粗、细集料(级配A)、只掺加新细集料(级配B)和未掺加任何新集料(级配C)，用以对比不同级配优化方法对泡沫沥青冷再生混合料性能的影响。各方案中旧料、新粗集料(9.5～19.0 mm)、新细集料(0～2.36 mm)、新矿粉的质量比分别为：级配A(70%:10%:15%:5%)、级配B(80%: 0%:15%:5%)、级配C(100%:0%:0%:0%)。在每种级配下分别采用3种水泥掺量，分别为集料质量的1.0%，1.5%和2.0%。铣刨料和3种再生料的级配曲线如图1所示。

图1 级配曲线

采用重型击实试验确定泡沫沥青冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，将再生料最佳含水量的80%作为最佳拌和用水量，击实试验结果如表2所示。成型马歇尔试件，将其放置在40±2 ℃的通风烘箱内养生72 h。采用25 ℃劈裂试验测试泡沫沥青冷再生混合料的干、湿劈裂强度(ITSD和ITSW)与劈裂强度比(ITS)，以此为指标确定其最佳沥青用量。根据表3所示结果，级配A，B和C再生混合料的最佳沥青用量分别为2.5%，2.5%和2.0%。

配合比设计结果表明在相同的沥青用量级配A和B再生料的空隙率基本相同，在7%～9%之间，比未掺加新集料的级配C下降了2.3%～3.3%。这说明掺加新细集料和矿粉可以有效地填充再生料的空隙，但是同时掺加新粗集料对空隙率的影响很小。其主要是因为掺加新粗集料一方面可以优化级配，使再生料更密实；另一方面也会使再生料级配变粗，两方面作用相互抵消。再生料空隙率随着水泥掺量的增加稍有降低或者几乎不变，这是由于水泥水化产物的空隙填充作用有限。

表2 击实试验结果

表3 劈裂强度试验结果

1.3 试验方法

分别采用25 ℃无侧限抗压强度试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、60 ℃车辙试验、−10 ℃小梁弯曲试验评价不同级配和水泥掺量下泡沫沥青冷再生混合料的力学性能、水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性。其中，将试件放置在40±2 ℃的通风烘箱内养生72 h后再进行性能测试，其余试验步骤同《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)一致。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度试验结果如图2所示。不同级配再生料3 d无侧限抗压强度均随水泥掺量的增加而显著增大。其原因是水泥水化后会发挥一定的胶结作用，同时还能改善矿料表面棱角性，有利于分散的泡沫沥青胶浆黏附在矿料表面。与级配C相比，在相同的水泥掺量下级配A再生料的抗压强度提高了36%～70%，级配B再生料的抗压强度提高幅度略低，为35%～43%。这说明级配的优化有利于提高再生料的力学性能，其中粗集料含量对其骨架结构的形成更具决定性的作用，这一点与抗拉性能规律有所区别。级配对再生料强度的影响随着水泥掺量的增加而愈发显著。

图2 无侧限抗压强度和水泥掺量的相关关系

2.2 水稳定性

浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如表4所示。在相同的水泥掺量下，级配B再生料表现出最优的水稳定性，其次为级配A，最差的是级配C。根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)，虽然大部分再生料的冻融劈裂残留强度比R都满足重及以上交通荷载等级的技术要求(FT≥75%)，但是仅在水泥掺量达到2.0%的条件下级配C混合料的马歇尔稳定度才超过6 kN。与级配C相比，级配A再生料的浸水前和浸水后马歇尔稳定度1和2分别提高了1.0～1.2倍和1.0～1.1倍，冻融前和冻融后劈裂强度σ1和σ2分别提高了0.7～1.4倍和0.8～1.5倍；级配B再生料1和2的增幅更是分别达到2.0～2.4倍和2.1～2.6倍，σ1和σ2的增幅也达到1.2～1.6倍和1.3～1.8倍。这说明级配对于再生料水稳定性的影响非常显著，掺加新细集料和矿粉(尤其是粉料)有助于形成足够的新沥青砂浆，可以有效弥补因水分侵蚀和冻融作用而引起的空隙增大和黏附性能劣化[11]。与级配B相比，级配A再生料中掺加10%新粗集料替代铣刨料，因此需要更多的沥青砂浆对其进行裹覆；但是由于其细集料和粉料含量偏小，无法形成足够的沥青砂浆。另外，新粗集料与沥青砂浆的裹覆性也不如铣刨料，因此造成掺加新粗集料后再生料水稳定性有所降低。这与文献[3]的研究结果不一致，其主要原因是两者铣刨料级配的粗细程度存在明显差异。由于水泥可以同时起到胶结和填充效果，水化产物和分散的泡沫沥青胶浆相互交织，可以进一步阻碍水分的侵蚀，提高再生料的水稳定性。因此，再生料水稳定性随着水泥掺量的增加而不断增强，但是其增幅逐渐下降。

表4 浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果

2.3 高温稳定性

车辙试验结果如图3所示。掺加水泥可以显著改善再生料的高温稳定性，其动稳定度增幅随着水泥剂量的增加而不断增大。这是因为在高温状态下以“点焊”形式包裹在集料表面的泡沫沥青容易发生流动变形，而水泥水化产物和沥青胶浆的交织作用会在再生料内形成空间网状结构，可以有效地限制其变形[12]。根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)，虽然3种级配再生料动稳定度在任何水泥掺量下均满足要求(≥2 000次/mm)，在相同的水泥掺量下，级配A再生料的动稳定度比级配C混合料高68%～86%，级配B再生料的动稳定度比级配C混合料高54%～64%。考虑到过高的水泥掺量会引起混合料收缩开裂问题，说明通过改善级配来提升再生料的高温稳定性更为可行。其中新粗集料的掺加(级配A)可以使再生料由悬浮密实结构向骨架密实结构转变，从而表现出最优的高温稳定性。

图3 动稳定度和水泥掺量的相关关系

2.4 低温抗裂性

小梁弯曲试验结果如表5所示。随着水泥掺量的增加，不同级配再生料的抗弯拉强度σ和应变能密度E逐渐增大，破坏应变ε逐渐减小。表明再生料逐渐脆化，但是总体上低温抗裂性能有所提升。在相同的水泥掺量下，级配B再生料表现出最优的低温抗裂性，其次为级配A再生料。与级配C相比，级配A再生料的σ，ε和E分别提高57%～63%，11%～12%和74%～84%，级配B再生料的σ，ε和E分别提高25%～30%，4%～5%和32%～35%。这说明改善级配有利于提高再生料的低温抗裂性能，尤其是在掺加新细集料和矿粉后，可以形成足够的沥青砂浆以保证其与集料之间存在良好的黏结力。

表5 小梁弯曲试验结果

表6 方差分析结果

2.5 显著性分析

采用SPSS软件在95%置信水平下对试验结果进行方差分析，对比不同因素对泡沫沥青冷再生混合料各项路用性能的影响显著性，结果如表6所示。统计分析表明级配和水泥掺量对再生料抗压强度、水稳定性和高温稳定性均有显著影响，对低温抗裂性的影响不显著。其中，水泥掺量对抗冻融性能的影响程度大于级配，而级配对高温稳定性的影响大于水泥掺量，对于其他性能两者影响显著性相当。

3 结论

1) 通过掺加新细集料和矿粉来优化级配可以使得泡沫沥青冷再生混合料空隙率减小2.3%～3.3%，并显著改善其抗压强度、水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性。

2) 在掺加新细集料和矿粉的基础上再掺加新粗集料有利于形成骨架结构，可以进一步提高其力学性能和高温稳定性，但是对其水稳定性和低温抗裂性略有不利影响。

3) 随着水泥掺量的增加，泡沫沥青冷再生混合料的抗压强度、水稳定性、高温稳定性和低温抗弯拉强度不断提高，低温破坏应变不断减小。考虑到收缩开裂问题，建议通过改善级配和控制水泥掺量来提升泡沫沥青冷再生混合料的路用性能。

4) 级配和水泥掺量对于不同的路用性能的影响显著性有所差异。水泥掺量对抗冻融性能的影响程度大于级配，级配对高温稳定性的影响大于水泥剂量，两者对于其他性能的影响显著性相当。

[1] WANG Jiayu, YUAN Jie, XIAO Feipeng, et al. Performance investigation and sustainability evaluation of multiple-polymer asphalt mixtures in airfield pavement [J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 189: 67−77.

[2] GAO Lei, NI Fujian, Charmot S, et al. Influence on compaction of cold recycled mixes with emulsions using the superpave gyratory compaction[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2014, 26(11): 04014081.

[3] 李鹏飞, 韩占闯. 泡沫沥青就地冷再生混合料力学性能影响因素研究[J]. 中外公路, 2019, 39(2): 260−264. LI Pengfei, HAN Zhanchuang. Factors affecting the mechanical properties of cold recycled mixture of foamed asphalt[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2019, 39(2): 260−264.

[4] 刘玉国. 泡沫沥青及其冷再生混合料路用性能研究[D]. 西安: 长安大学, 2015. LIU Yuguo. Research on foamed asphalt and foamed asphalt cold recycling mixtures pavement performance [D]. Xi’an: Chang’an University, 2015.

[5] 王玥珩. 基于级配优化对掺水泥泡沫沥青就地冷再生混合料高温性能的影响[J]. 路基工程, 2019(2): 65−70. WANG Yueheng. Effect on high temperature performance of cold in-place recycled cement foamed asphalt mixture based on grading optimization[J]. Subgrade Engineering, 2019(2): 65−70.

[6] 乔得伟. 掺水泥泡沫沥青冷再生混合料路用性能研究[J]. 路基工程, 2019(4): 78−83. QIAO Dewei. Study on pavement performance of cold regenerated mixture of foam asphalt mixed with cement[J]. Subgrade Engineering, 2019(4): 78−83.

[7] LI Zhigang, HAO Peiwen, LIU Hongying, et al. Effect of cement on the strength and microcosmic characteristics of cold recycled mixtures using foamed asphalt[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 230: 956−965.

[8] 马翔, 徐成, 徐旭光, 等. 新铺沥青混凝土温度衰变规律及强度特性[J]. 铁道科学与工程学报, 2018, 15(10): 2518−2523. MA Xiang, XU Cheng, XU Xuguang, et al. Change law of temperature and strength properties of new paving asphalt mixture[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(10): 2518−2523.

[9] 李强, 陈浩, 张帅. 沥青发泡特性及其影响因素研究[J]. 公路工程, 2019, 44(6): 62−65, 70. LI Qiang, CHEN Hao, ZHANG Shuai. Foaming characteristics and factors of asphalt binders[J]. Highway Engineering, 2019, 44(6): 62−65, 70.

[10] 高俊启, 魏路楠, 侯彦明. 基于FBG的沥青混合料横向流动变形评价[J]. 交通运输工程学报, 2019, 19(4): 1−11. GAO Junqi, WEI Lunan, HOU Yanming. Evaluation of lateral flow deformation of asphalt mixture based on FBG[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2019, 19(4): 1−11.

[11] YOU Lingyun, YOU Zhanping, DAI Qingli, et al. Characteristics of water-foamed asphalt mixture under multiple freeze-thaw cycles: Laboratory evaluation[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2018, 30(11): 04018270.

[12] 高超. 泡沫沥青冷再生混合料MMLS3试验轮辙曲线特征及影响机理[J]. 中国公路学报, 2019, 32(1): 46− 56. GAO Chao. Characteristics of fracture curve of MMLS3 test and fatigue damage mechanism of foam asphalt cold recycled mixture[J]. China Journal of Highway and Transport, 2019, 32(1): 46−56.

Effects of aggregate gradations and cement content on pavement performance of cold recycled mixture with foamed asphalt

LI Qiang1, 2, XU Ao1, CHEN Hao3, SHANG Jianlin4, ZHANG Shuai4

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. National-Provincial Joint Engineering Research Center of Electromechanical Product Packaging, Nanjing 210037, China;3.Changzhou Galaxy Xietong Real Estate Development Co., Ltd., Changzhou 213100, China;4. Jiangsu Polaris Transportation Industry Group Co., Ltd., Nantong 226010, China)

The unconfined compressive test, immersion Marshall test, freeze-thaw splitting test, wheel tracking test, and beam bending test were conducted on different types of cold recycled mixtures with foamed asphalt to measure the mechanical strength, moisture stability, high-temperature performance, and low-temperature performance, respectively. The effects of aggregate gradations and cement content were evaluated. It is found that adding new aggregates in recycled mixtures reduces the air void by 2.3%～3.3%. The best mechanical and high-temperature performance can be achieved by adding new coarse and fine aggregates as well as fillers to optimize the gradation. However, its moisture stability and low-temperature performance are poorer than those by only adding fine aggregates and fillers. Although the performance of recycled mixtures is enhanced constantly with the increase of the cement content, it is recommended that the performance of cold recycled mixtures with foamed asphalt should be improved by the gradation optimization based on the limitation of the cement content in consideration of the potential shrinkage cracking problem. The effect significance of aggregate gradations and cement content varies with the pavement performance. Aggregate gradations show a more significant effect on the high-temperature performance whereas the cement content has a more significant effect on the moisture stability.

asphalt mixture; cold recycled mixture with foamed asphalt; gradation; cement content; significance analysis

U416.26

A

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200329

1672 − 7029(2021)02 − 0402 − 06

2020−04−20

江苏省基础研究计划(自然科学基金)资助项目(BK20181404)；江苏高校“青蓝工程”资助项目(苏教师(2016)15号)；江苏省建设系统科技计划项目(2017ZD146)；南京林业大学“青年骨干教师培养对象”资助项目(2017年)

李强(1982−)，男，江苏新沂人，教授，博士，从事路面结构与材料方面研究；E−mail：liqiang2526@njfu.edu.cn

(编辑 涂鹏)