養生條件對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響*

劉 濤

(重慶重交再生資源開發股份有限公司，重慶 401147)

乳化瀝青冷再生技術是以乳化瀝青為再生混合料的粘結劑，將舊瀝青路面瀝青混合料回收料（reclaimed asphalt pavement，簡稱RAP）經過翻挖、回收、破碎、篩分之后[1]，根據維修路面的結構及功能需求選擇加入少量新集料和一定比例冷再生劑（乳化瀝青、水泥、礦粉、水等），在自然條件下拌和、攤鋪及碾壓成型，形成再生路面結構層的一種施工技術[2-4]。由于其方便快捷、節能環保，近年來在我國已經得到大范圍的推廣應用[5-7]。

乳化瀝青冷再生混合料組份復雜[8]、新舊礦料級配難以控制[9]、成型養生工藝不統一[10]，導致其仍存在早期強度低、路用性能差等問題，直接影響冷再生路面的應用效果和使用壽命[11-13]。謝寶山[14]研究了不同水泥用量與摻和方式對乳化瀝青冷再生混合料早期性能的影響，表明水泥以外摻形式，用量為1.5%時，冷再生混合料性能最佳；楊澤楠[15]經研究發現，水泥和石灰可以提高乳化瀝青冷再生混合料路用性能；張勇[16]研究了RAP（廢舊瀝青路面回收材料）摻量與特性對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響；陳兵等[17]基于正交試驗-貝雷法對乳化瀝青冷再生混合料進行配合比設計優化，優化后的混合料路用性能有較大提升。

目前，關于乳化瀝青冷再生混合料已有較多報道，但以養生條件為控制指標對冷再生混合料的路用性能的研究較少?；诖?，本文以劈裂試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾試驗為指標，研究養生時間、養生溫度及養生表面風速對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響，并探究乳化瀝青冷再生混合料強度形成機理。

1 試驗部分

1.1 原材料

（1）乳化瀝青

乳化瀝青：重慶重交再生資源開發股份有限公司，技術性能指標見表1。

表1 乳化瀝青技術指標Table 1 Technical index of emulsified asphalt

（2）RAP

RAP料：重慶市某道路翻修現場，依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）[18]對舊瀝青抽提，并進行性能檢測，結果見表2。

表2 舊瀝青性能指標Table 2 Performance index of old asphalt

（3）新集料

石灰巖，粒徑范圍9.5～19 mm。

（4）水泥

P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其技術指標見表3。

表3 水泥技術指標Table 3 Cement technical index

（5）水

試驗所用水為當地可飲用水。

1.2 配合比設計

1.2.1 級配

本研究中RAP料：新集料=7：3（質量比），摻入1.5%（集料總質量）的普通硅酸鹽水泥提高冷再生混合料早期強度，并根據《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG/T 5521-2019）[19]，采用乳化瀝青冷再生混合料中粒式級配，級配范圍及合成級配見表4。

表4 RAP抽提后級配設計結果Table 4 Gradation design results after RAP extraction

1.2.2 最佳含水率

通過有效壓實，可使混合料在最佳含水率時，密實度與強度達到最大值。在乳化瀝青用量為4.0%的條件下，調整含水率分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，參照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）[20]中T0131擊實試驗，以重型擊實方法確定乳化瀝青冷再生混合料的最佳含水率和最大干密度，其擊實曲線如圖1所示。

圖1 不同含水率的冷再生混合料干密度曲線Fig.1 Dry density curve of cold recycled mixture with different moisture content

從圖1看出，乳化瀝青冷再生混合料的干密度隨含水率的增加呈現先增大后減小的趨勢，當含水率為4.0%時，冷再生混合料干密度達到最大值，為2.26 g/cm3。

1.2.3 最佳乳化瀝青用量

保證總用水量不變，在最佳含水率為4.0%的條件下，調整乳化瀝青用量為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，依據JTG E20-2011中T0716 瀝青混合料劈裂試驗，分別測試乳化瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強度，并以干濕劈裂強度比確定最佳乳化瀝青用量，乳化瀝青用量與冷再生混合料干濕劈裂強度比關系曲線如圖2所示。

圖2 不同乳化瀝青用量的冷再生混合料劈裂強度曲線Fig.2 Splitting strength curve of cold recycled mixture with different amount of emulsified asphalt

由圖2可知，隨著乳化瀝青摻量的增加，冷再生混合料的干濕劈裂強度比先增大后減小，且乳化瀝青摻量為4.3%時干濕劈裂強度比達到最大值，為80%。乳化瀝青破乳后與水泥等形成膠結料，牢牢地裹覆在集料表面，限制了骨料間的滑移，因此乳化瀝青冷再生混合料的干濕劈裂強度比增大。當乳化瀝青用量較多，一方面會導致集料表面瀝青過多，在受到外界壓力時，骨料間發生滑移，因此強度減弱；另一方面，混合料內部會存在未破乳的乳化瀝青，致使膠結料的粘結性下降，劈裂強度降低。故研究中冷再生混合料中最佳乳化瀝青用量為4.3%。

1.3 混合料路用性能試驗

參考JTG E20-2011中T0709、T0716、T0719，以浸水馬歇爾試驗、劈裂試驗及車轍試驗，研究養生時間、養生溫度及養生表面風速對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響。

2 結果與討論

2.1 養生時間

在養護溫度60℃、未開啟鼓風裝置的條件下，研究養生時間為2、4、6、8、10 d對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響，結果如圖3所示。

圖3 養生時間對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響Fig.3 Effect of curing time on road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

由圖3可知，冷再生混合料的路用性能均隨養生時間的增加而逐漸提高，養生10d后，其殘留穩定度、動穩定度、劈裂強度分別為83.5%、8000次/mm、0.56 MPa，相較于養生2d增長了11.6%、212.1%、62.9%。主要是由于冷再生混合料成型后，其內部的水泥發生水化反應，水化產物相互搭接，水泥漿體由流變狀態轉變為塑性狀態，混合料路用性能得到提升；另一方面，水泥水化會消耗乳化瀝青中水分，促進乳化瀝青破乳，破乳后的乳化瀝青發生團聚，與水泥的水化產物相互作用并形成乳化瀝青-水化產物的立體空間結構物，并牢牢地裹覆在集料表面，增強了集料間的作用力，從而提升混合料高溫穩定性與抗水損害性能，由于水泥的水化反應是持續緩慢的過程，因此冷再生混合料路用性能會隨養生時間的延長而逐漸提高。從圖3還可看出，養生6 d后，乳化瀝青冷再生混合料路用性能增長幅度減小，表明水泥水化反應達到一定程度后，水化速率降低，且6 d后乳化瀝青基本完全破乳。

2.2 養生溫度

在養生時間6 d、未開啟鼓風裝置的條件下，研究養生溫度為20、30、40、50、60 ℃對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響，結果如圖4所示。從圖4看出，隨養生溫度的升高，乳化瀝青冷再生混合料的路用性能呈現先上升后下降的趨勢，其中養生溫度為50℃時，其殘留穩定度、動穩定度及劈裂強度較好，分別為81.9%、8000次/mm、0.52MPa。這主要是由于提高養生溫度可加快水泥的水化速率，形成的水化產物也會加速乳化瀝青破乳，使水分較易排出，膠結料開始形成強度，同時水泥水化產物也對冷再生混合料的強度有一定積極作用；而破乳后的乳化瀝青表現出高粘接力的特性，增大混合料內聚力，骨料間相互作用增強，因此混合料的路用性能隨溫度的升高逐漸提高。當養生溫度高于50℃，由于養護溫度過高，混合料內部水分揮發過快，導致水泥水化反應不完全，因此混合料的路用性能有所下降。

圖4 養生溫度對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響Fig.4 Effect of curing temperature on road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

2.3 表面風速

冷再生混合料養生初期表面風速也會對其路用性能有一定影響。本文在養生溫度50℃、養生時間2d的條件下，采用小型鼓風機吹掃試件表面，將其作為試驗組，并以相同條件將未進行表面吹掃的試件設置為對照組，以研究表面風速對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響，結果見表5。

表5 表面風速對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響Table 5 Effect of surface wind speed on road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

從表5看出，相同條件下，試驗組乳化瀝青冷再生混合料的路用性能要優于空白組，且試驗組混合料的劈裂強度、動穩定度、殘留穩定度相較于對照組分別增長了19.4%、28.7%、3.9%，說明冷再生混合料養生初期，對其進行表面吹掃有助于提高混合料的路用性能。這主要是由于乳化瀝青的破乳速度決定冷再生混合料的路用性能，而乳化瀝青破乳速率與混合料內部水分揮發速率相關。因此根據道爾頓蒸發定律[21]，液體蒸發速率如式（1）所示：

式（1）中：W為液體蒸發速率；C為風速系數，與風速大小呈正比關系； 是表面水溫對應的飽和水汽壓es與水面上空氣中實際的水汽壓e的差；P為液體表面的蒸氣壓。

由式（1）可知，液體蒸發速率與表面風速呈正相關關系，即表面風速會加快液體的蒸發。在冷再生混合料養生初期對其進行表面吹掃處理，可加快水分揮發，從而打破乳化瀝青的穩定狀態，使其破乳，表現出優異的粘結力，提高混合料早期強度，抵抗水損壞作用，從而提高混合料的路用性能。

2.4 乳化瀝青冷再生混合料強度形成機理

乳化瀝青作為一種穩定的乳狀液體，需破乳后方可發揮瀝青的粘結作用，因此內聚力是形成乳化瀝青冷再生混合料強度的主要因素，其形成機理如圖5所示。冷再生混合料成型初期，乳化瀝青均勻地分布在集料的縫隙中，該階段下乳化瀝青流動性較好，呈現不定向流動，混合料整體強度較低；隨著養生時間的增加，混合料內部水分不斷減少，乳化瀝青破乳，由棕色逐漸轉變為瀝青的黑色，瀝青微粒間開始粘聚成團，同時牢牢地裹覆在集料表面，混合料強度逐漸增加[22]；隨著混合料內部水分完全蒸發，乳化瀝青恢復了瀝青材料本身的粘結力，使得舊瀝青的部分性能得以恢復，新舊瀝青共同在集料表面形成有效的瀝青膜，使冷再生混合料的強度進一步增大；最后，在外界荷載和溫度作用下，瀝青膜逐漸變硬，與集料的粘結性得到提高，冷再生混合料的強度達到最大，表現出優異的路用性能。

圖5 乳化瀝青冷再生混合料強度形成過程Fig . 5 Strength formation process of emulsified asphalt cold recycled mixture

3 結論

（1）70% RAP摻量的乳化瀝青冷再生混合料，通過擊實試驗和瀝青混合料劈裂試驗，得出乳化瀝青冷再生混合料最佳含水率和最佳乳化瀝青用量分別為4.0%和4.3%。

（2）乳化瀝青冷再生混合料的路用性能隨養生時間增加呈現先增大后平緩的趨勢，隨養生溫度增加呈現先增大后減小的趨勢；溫度50℃養生6d，且對混合料表面進行吹掃，其路用性能較好。

（3）由乳化瀝青冷再生混合料強度形成過程可知，隨著養生時間延長，冷再生混合料中的水分逐漸析出，乳化瀝青開始破乳；待破乳結束后，由于瀝青對集料的粘結作用與水泥水化產物強度的形成，乳化瀝青冷再生混合料的強度也逐漸形成。