路面基层厂拌冷再生混合料配合比设计与性能研究

崔鹏举

(河南交投交通建设集团有限公司豫南分公司 漯河市 462000)

0 引言

随着服役年限增加,早期建成的各等级公路普遍会出现路面老化等病害,需要进行大中修养护。对于养护过程产生大量的路面铣刨废料,如何充分利用废旧铣刨料,减少环境污染,成为亟待解决的问题。乳化沥青厂拌冷再生技术是常用的废旧铣刨料再利用方法[1-2],该方法受环境影响较小,便于控制质量,废旧料利用率高达90%以上,综合成本相对较低。

诸多学者对乳化沥青冷再生技术开展了相关研究。郝林等[3]研究了不同试件成型方法对于面层用乳化沥青冷再生混合料的空隙率、强度等性能的影响,认为旋转压实成型方法效果最佳。户桂灵等[4]通过Witzack模型和Hircsh模型预估乳化沥青冷再生混合料的动态模量。郭天星等[5]针对影响乳化沥青冷再生混合料早期强度的因素,分别进行试验研究。此外也有冷再生混合料反射裂缝、性能衰变规律等相关研究[6-7]。综上,当前冷再生混合料相关研究主要集中在路面面层,对于厂拌冷再生混合料的基层应用研究较少。

基于此,文章以某高速公路改扩建工程为依托,将乳化沥青厂拌冷再生混合料应用于路面基层,研究其配合比设计和路用性能,以期为乳化沥青厂拌冷再生技术的工程应用提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

铣刨料分为10～20mm旧料、5～10mm旧料和0～5mm旧料。添加的10～30mm新集料采用石灰岩集料。乳化沥青为阳离子慢裂型,蒸发残留物含量在60%～65%。新集料和乳化沥青指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。

1.2 试验方法

冷再生混合料用于基层时,主要评价其抗反射裂缝性能。通过四点弯曲疲劳试验和半圆弯曲试验评价基层混合料在减缓裂缝的发生与发展方面的性能。四点弯曲疲劳试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011),试验仪器采用IPC UTM-30,试验参数见表1。

表1 疲劳试验参数

半圆弯曲试验参照AASHTO TP124标准,试验仪器采用UTM-30,测试温度为-10℃和10℃,加载速率为5mm/min。从150mm圆柱形试件中切出厚度50mm的圆柱片,再将圆柱片平均切割为两个半圆片,在半圆片对称轴位置垂直切割预裂缝,深度15mm,宽度1.5mm,测试过程中试件底部支撑跨径120mm,具体见图1。

图1 半圆弯曲试验示意图

高温稳定性试验、水稳定性试验和劈裂强度试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行。击实试验参照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)进行。无侧限抗压强度试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG 3441-2024)进行。

2 冷再生混合料配合比设计

2.1 级配设计

文章根据ATB-25级配范围确定各档集料掺配比例。尽可能使级配曲线呈现平滑的“S”形,减少混合料离析,提高施工和易性,利于摊铺碾压,保障施工质量。参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)级配范围,确定冷再生混合料各档集料掺配比例和合成级配,具体见表2和表3。

表2 冷再生混合料各档集料掺配比例

表3 冷再生混合料合成级配

2.2 确定最佳含水量及最大干密度

乳化沥青冷再生混合料中的水分源于乳化沥青中的水及外加水。为确定冷再生混合料外加水量,结合以往工程实例,固定乳化沥青用量为4%,变化外加水量,采用击实试验确定最佳含水量和最大干密度。外加水量以3.0%为基准,上下浮动0.5%和1.0%。另外,乳化沥青中含有1.6%水分,总计含水量为3.6%、4.1%、4.6%、5.1%和5.6%。不同含水量下的干密度试验结果见图2。

图2 不同含水量下冷再生混合料干密度

根据图2可知,含水量与干密度之间呈现二次函数曲线关系,当外加水量为3.0%,总计含水量为4.6%时,干密度最大。因此,乳化沥青冷再生混合料最佳含水量为4.6%,对应的最佳外加水量为3.0%。

2.3 乳化沥青最佳含量确定

结合以往工程经验,乳化沥青冷再生混合料选择3.50%为起始掺量,以0.25%增量递增,共计5个掺量。不同乳化沥青掺量下,混合料性能评价指标为马歇尔试验空隙率以及劈裂试验的干、湿劈裂强度。试验结果见图3。

图3 不同乳化沥青用量下冷再生混合料的劈裂强度和空隙率

由图3可知,当乳化沥青冷再生混合料中乳化沥青的含量逐渐增加时,混合料空隙率以不同速率减小。当乳化沥青掺量小于4.0%时,随着乳化沥青用量增加,空隙率变化缓慢;当乳化沥青掺量大于4.0%时,随着乳化沥青用量增加,空隙率变化速率显著加快。同时,冷再生混合料的劈裂强度在乳化沥青掺量为4.0%时达到峰值。为使冷再生混合料同时具有较好的高温稳定性和抗水损害能力,其应具有较高的劈裂强度和适宜的空隙率。因此优先选择乳化沥青用量为4%。

2.4 水泥掺量确定

2.4.1不同水泥掺量下的干缩性能

在混合料中添加不同剂量的水泥时,冷再生混合料干缩系数随时间的变化趋势如图4所示。由图4可知,龄期7d时,不同水泥掺量冷再生混合料的干缩系数均显著增长。龄期7d后,干缩系数增速减缓并趋于稳定。龄期28d时,水泥掺量越高,混合料干缩系数越大。

图4 不同水泥掺量下的干缩系数

2.4.2不同水泥掺量下的高温稳定性

不同水泥掺量下混合料的高温稳定性评价指标采用车辙试验得到的动稳定度,试验结果如表4所示。由表4可知,随着冷再生混合料中水泥掺量增加,变形整体呈减小趋势,动稳定度逐渐增大,再生混合料柔性减小,刚性增加,抗变形能力提高。

表4 乳化沥青冷再生混合料车辙试验结果

目前,通常要求面层冷再生混合料动稳定度大于3000次/mm,应用于基层的冷再生混合料无动稳定度要求。参照面层动稳定度指标要求,不同水泥掺量下,冷再生混合料动稳定度均大于规范要求值。同时,基层动稳定度不宜过大,否则混合料刚性过大,在荷载作用下容易产生裂缝。

2.4.3水泥掺量对水稳定性的影响

不同水泥掺量的冷再生混合料冻融劈裂试验结果见表5。由表5可知,随着乳化沥青冷再生混合料中水泥用量增大,混合料的冻融劈裂强度比先增大后减小。当水泥掺量为1.5%时,冻融劈裂强度比最大。不同水泥掺量的混合料冻融劈裂强度比均满足规范要求。

表5 冻融劈裂试验结果

2.4.4水泥掺量对无侧限抗压强度的影响

不同水泥掺量的冷再生混合料无侧限抗压强度试验结果见表6。由表6可知,冷再生混合料强度与水泥用量之间呈正相关变化趋势。当水泥掺量小于1.5%时,冷再生混合料的强度增长较快;水泥掺量大于1.5%时,冷再生混合料的强度增长减缓。水泥掺量由1.0%增加至1.5%和2.0%时,冷再生混合料强度分别增加了1.22MPa和0.28MPa。水泥掺量大于1.5%时,乳化沥青冷再生混合料的无侧限抗压强度满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)规范要求。

表6 不同水泥掺量下无侧限抗压强度试验结果

3 冷再生混合料性能

为分析冷再生混合料性能,增设热拌沥青混合料试验组进行对比。两者级配相同,热拌混合料油石比根据工程经验和试拌效果选定3.3%。

3.1 疲劳性能

冷再生混合料和热拌混合料疲劳寿命测试在每个条件下进行3次平行试验,试验结果见表7。

表7 两种混合料疲劳寿命测试结果

由于混合料疲劳寿命属性特征,试验结果通常离散性较大。为准确评价两种混合料的疲劳性能,采用Weibull分布分析试验结果,分布函数如式1,经对数转换如式2[8],分析前先行验证试验结果是否服从Weibull分布。

(1)

(2)

两式中:Np表示保证率为p时的疲劳寿命;N0为最小疲劳寿命参数,试验取最小测试结果的50%;Na表示36.8%存活率的特征疲劳寿命;p为存活率,p=1-i/(1+n),n=3,i=1,2,3;b为形状参数。

两种混合料疲劳寿命测试结果Weibull分布检验结果见表8。由表8可知,回归方程相关系数均在90%以上,证明疲劳寿命服从Weibull分布。

表8 疲劳寿命Weibull分布检验

分别令表8中p=95%和p=50%,得到两种混合料在两种保证率下的疲劳寿命,如图5所示。

图5 热拌混合料和冷再生混合料疲劳寿命

由图5可知,两种混合料的疲劳性能差异并不显著。95%保证率下,与热拌沥青混合料相比,冷再生沥青混合料疲劳寿命在200με时提高11.5%,在400με时降低9.2%,600με时两者疲劳寿命相当。50%保证率下变化趋势相似。

3.2 抗裂性能

根据半圆弯曲试验得到的断裂过程应力-位移曲线,评价混合料抗裂性能的主要指标为最大断裂荷载和对应的断裂位移与断裂能。断裂能计算如式3,其中积分即为应力-位移曲线与坐标轴围成的面积。两种混合料半圆弯曲试验结果如图6所示。

(3)

图6 两种混合料断裂性能

式3中:G为断裂能,单位为kJ/m2;h为试件厚度;r为试件半径;d为切口深度;u为破坏位移;P为破坏荷载。

分析图6可知,与热拌混合料相比,-10℃条件下,冷再生混合料断裂荷载提升11%,断裂位移减小15%,断裂能基本相当。这主要是由于再生混合料中存在老化沥青,低温下脆性较强;10℃条件下,两种混合料的断裂荷载、断裂位移及断裂能差异不明显。

4 结论

通过上述冷再生混合料配合比及性能试验,得出以下结论:

(1)为提高施工性能,冷再生混合料中0～5mm旧料、5～10mm旧料、10～20mm旧料、10～30mm新料以及矿粉用量分别为28.0%、11.0%、28.0%、29.0%和4.0%。

(2)根据不同含水量下的干密度,确定最优乳化沥青用量为4.0%,对应的外加水量为3.0%。

(3)乳化沥青冷再生混合料干缩系数、动稳定度、无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加逐渐增大。水稳定性能在水泥掺量为1.5%时最优。为避免水泥掺量增加引起再生混合料刚性过大,综合确定水泥掺量为1.5%。

(4)厂拌乳化沥青冷再生混合料与热拌混合料的疲劳性能和抗裂性能基本相当,可用于路面基层。