養生條件對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響

楊普新

（四川交通職業技術學院，四川 成都 613000）

0 引言

隨著道路交通量和車輛軸載量日益提高，公路瀝青路面出現不同程度的病害，導致路面維修養護里程逐年增大［1-3］，產生大量廢舊瀝青路面材料（Reclaimed Asphalt Pavement，簡 稱RAP）。 若 對RAP 進行合理再生利用，既減少優質砂石材料的消耗，又降低能源消耗和碳排放［3-5］，保護了生態環境。當前，乳化瀝青冷再生技術因工藝簡便、再生混合料性能良好、能耗低、污染小，逐步應用于瀝青路面再生工程［6］。針對乳化瀝青冷再生混合料設計、性能及應用研究，國內外學者取得了一定成果。Birgisson等［7］、Roncella 等［8］等采用室內簡單拉伸試驗和三點彎曲梁試驗評價了冷再生混合料抗裂性能；陳海民等［9］對比現有乳化瀝青冷再生混合料配合比設計方法，提出基于冷再生混合料早期黏聚力、抗磨耗性能及芯樣強度的最佳乳化瀝青用量設計方法；李鋒等［10］研究了水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料早期強度影響，過高水泥摻量導致冷再生混合料低溫性能降低；武澤鋒等［11］對比研究了擊實特性和養生時間對廠拌冷再生混合料體積參數的影響規律，“二次擊實”時間間隔為4 h 時，室內試件與現場混合料體積參數相近；江濤［12］研究了冷再生混合料攤鋪碾壓和上層碾壓熱拌瀝青混合料碾壓過程對冷再生混合料體積參數的影響，室內采用“二次擊實”吻合實體工程壓實效果；丁武洋等［13］依托S325 省道路面大修工程研究了水泥摻量對冷再生混合料強度影響規律，并分析了其強度形成機理，提出了廠拌冷再生混合料設計方法；李瑞紅［14］研究表明：乳化瀝青冷再生混合料高溫性能和抗永久變形性能優于熱拌瀝青混合料；裴曉梅等［15］依托舊路養護工程，驗證了乳化瀝青冷再生混合料具有良好的路用性能。

上述研究成果是基于試件標準養生方法得到，而現場自然環境與室內標準養生條件存在較大差異，室內標準養生乳化瀝青冷再生混合料性能不能如實反映再生實體工程路用性能。乳化瀝青冷再生混合料早期強度低，若混合料養生效果不佳，嚴重影響瀝青路面使用性能。鑒于此，本文根據乳化瀝青冷再生混合料試驗路壓實效果，并成型馬歇爾試件，通過室內模擬不同自然條件，研究養生時間、養生溫度及水對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響規律。

1 試驗材料與配合比設計

1.1 試驗材料

乳化瀝青冷再生混合料路用性能試驗材料選用RAP、乳化瀝青、新集料、礦粉、水泥和水。

RAP 選用湖南省某二級公路瀝青路面銑刨料，舊瀝青含量為4.58%，RAP 篩分試驗結果見表1；乳化瀝青選用慢裂型陽離子乳化瀝青，技術性質見表2；新集料選用石灰巖，公稱最大粒徑為26.5 mm，技術性質見表3，級配組成見表4；填料選用磨細的石灰巖礦粉和32.5 級普通硅酸鹽水泥，礦粉技術性質見表5，水泥技術性質見表6；水選用飲用水。

表1 RAP 篩分試驗結果

表2 乳化瀝青技術性質

表3 新集料技術性質

表4 新集料級配

表5 礦粉技術性質

表6 水泥技術性質

1.2 配合比設計

按《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）設計粗粒式級配的乳化瀝青冷再生混合料，RAP 摻量為88%，新集料摻量為10%，礦粉摻量為2%；按《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）重型擊實試驗方法和《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）乳化瀝青冷再生混合料設計要求，依次確定乳化瀝青冷再生混合料最佳流體含量、最佳乳化瀝青用量和最佳水泥摻量。

乳化瀝青冷再生混合料礦料級配見表7，最佳流體含量為5.4%，最佳乳化瀝青用量為3.5%，最佳水泥摻量為1.5%。

表7 礦料級配

2 研究方案

2.1 試驗方案

為保證不同自然條件下乳化瀝青冷再生混合料良好的路用性能，研究養生條件對乳化瀝青冷再生混合料高溫穩定性、低溫穩定性和水穩定性的影響規律。具體方案如下：

（1）研究養生時間對現場及室內乳化瀝青冷再生混合料穩定度、劈裂強度影響規律，結合水泥穩定材料強度發展規律，養生時間擬采用1 d、3 d、5 d、7 d、14 d。

（2）研究養生溫度對乳化瀝青冷再生混合料穩定度和劈裂強度影響規律，結合季節性溫度及《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41-2008）乳化瀝青冷再生混合料養生溫度，養生溫度擬采用10 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃。

（3）研究水對乳化瀝青冷再生混合料穩定度和劈裂強度影響規律，評價乳化瀝青冷再生混合料抗水損害能力，試件按表8 進行養生處理。

表8 試件養生處理方法

2.2 試件制備

結合乳化瀝青冷再生混合料試驗路壓實效果，以冷再生混合料空隙率為控制指標，采用“二次擊實”試驗法成型?152.4 mm×95.3 mm 馬歇爾試件，馬歇爾試件第一次擊實次數為100 次；60 ℃條件下，試件養生48 h 后，第二次擊實次數為50 次。每組試驗采用5 個平行試件?，F場乳化瀝青冷再生混合料試件采用芯樣。

2.3 性能測試方法

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中馬歇爾穩定度試驗、劈裂（凍融）強度試驗測定乳化瀝青冷再生混合料路用性能。

3 試驗結果與分析

3.1 養生時間影響

室內及現場養生條件下，養生時間對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響見圖1?，F場冷再生混合料試件養生1 d 和7 d 時，試件內部分別呈褐色和黑色，見圖2。室內養生溫度為（25±2）℃，現場養生溫度為24～32 ℃。

圖1 養生時間對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響

圖2 不同養生時間的乳化瀝青冷再生混合料試件

由圖1 可知：隨著養生時間增加，室內及現場養生環境下乳化瀝青冷再生混合料穩定度和劈裂強度增長規律一致，且現場養生條件下冷再生混合料性能優于室內養生條件的混合料，較同養生時間的室內混合料穩定度和劈裂強度分別平均提高5.5%、10.7%，這是因為室內混合料成型過程中受試模邊界影響，較現場壓實效果存在差異，從而導致現場芯樣強度略高。另外，現場溫度略高于室內養生溫度，一定程度上加快了乳化瀝青破乳和水泥水化速率，促進了混合料強度增長。因此，室內乳化瀝青冷再生混合料可較好表征實體工程路用性能，本文以室內養生環境下冷再生混合料為例，分析養生時間對混合料路用性能影響規律。

（1）乳化瀝青冷再生混合料穩定度與養生時間正相關，隨養生時間增加，冷再生混合料穩定度提高速率逐漸減小至穩定。這是因為隨養生時間增加，冷再生混合料內部水分不斷被消耗，乳化瀝青、水泥水化產物等材料組成膠結性材料，包覆連接集料，提高混合料毛體積密度，減小空隙率，致使結構趨于穩定，從而冷再生混合料穩定度提高。同時，在養生初期，水泥水化反應生成較多的水泥硅酸鈣等凝膠物質填充混合料空隙，而隨養生時間增加，水泥不斷被消耗，水化產物逐漸減小，因此冷再生混合料穩定度提高速率減緩。當養生時間≤3 d，養生時間增加1 d，冷再生混合料穩定度平均提高12.9%；養生時間由3 d 增加至5 d，冷再生混合料穩定度平均提高4.3%；養生時間≥5 d 時，養生時間增加1 d，冷再生混合料穩定度平均提高2.5%。說明養生齡期≥5 d 時，冷再生混合料穩定度增長速率減緩。

（2）隨養生時間增加，乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度逐漸增大，前7 d 劈裂強度增長速率明顯大于后7 d 劈裂強度增長速率，試件養生至7 d 時，其劈裂強度為0.53 MPa，滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）技術要求，即冷再生混合料劈裂強度≥0.5 MPa。這是因為破乳的乳化瀝青增強了集料間的黏聚力，提高了冷再生混合料結構的整體性和穩定性。當養生時間≤7 d，養生時間增加1 d，冷再生混合料劈裂強度平均提高4.1%以上；養生時間由7 d 增加至14 d 時，養生時間增加1 d，冷再生混合料劈裂強度平均提高0.8%。

（3）隨養生時間增加，冷再生混合料凍融劈裂強度比先減小后增加。在養生時間5 d 時，其凍融劈裂強度比最小，為72.3%，較養生1 d 的混合料凍融劈裂強度比降低了15.1%；當養生時間≥7 d，養生時間增加1 d，冷再生混合料凍融劈裂強度比平均提高0.6%。這是因為養生初期，大部分乳化瀝青未發生破乳，冷再生混合料強度以內摩擦力為主；而隨養生時間增加，破乳的乳化瀝青、水泥水化產物、礦粉等材料組成具有膠結能力的填充集料，冷再生混合料初步形成整體結構，致使混合料劈裂強度逐步增大，但在低溫應力和浸水條件下，具有膠結能力的填充集料對骨料固結作用減弱，從而混合料凍融劈裂強度比偏??；當養生時間達到7 d 時，冷再生混合料形成穩定的整體結構，具有良好的劈裂強度，因此混合料凍融劈裂強度比提高。另外，養生時間≥1 d，乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強度比滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）技術要求，即冷再生混合料凍融劈裂強度比≥70%，說明乳化瀝青冷再生混合料水穩定性良好。對此，建議乳化瀝青冷再生混合料養生時間為7 d。

3.2 養生溫度影響

養生溫度對室內乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響見圖3。

圖3 養生溫度對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響（養生時間：7 d）

由圖3 可知：

（1）隨養生溫度升高，乳化瀝青冷再生混合料穩定度逐漸提高，說明高溫養生環境有利于提高冷再生混合料的穩定度。養生溫度由10 ℃升高至25 ℃，冷再生混合料穩定度提高了27.3%；溫度由25 ℃升高至40 ℃，混合料穩定度提高了10.4%；溫度從40 ℃升高至60 ℃，混合料穩定度提高了6.5%。這是因為高溫環境下乳化瀝青破乳和水泥水化速率加快，破乳的乳化瀝青、水泥水化產物、礦粉等材料組成更多的具有膠結能力的填充集料，增強了混合料內部黏聚力，從而混合料結構整體性和穩定性進一步提高，穩定度逐漸提高。

（2）隨養生溫度升高，乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度先提高后減小，在養生溫度40 ℃時，混合料劈裂強度達到最大值，為0.61 MPa；在養生溫度10 ℃、60 ℃時，混合料劈裂強度分別為0.34 MPa、0.48 MPa，不滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）的技術要求，較養生溫度40 ℃條件下冷再生混合料劈裂強度分別降低了44.3%、21.3%。這是因為低溫環境下乳化瀝青破乳和水泥水化速率較慢，產生的膠結料較少，不能較好地黏結骨料，致使混合料結構穩定性偏低；隨著養生溫度升高，水泥瀝青膠漿體含量增多，可有效地固結骨料和填充骨料間的空隙，增強混合料結構密實性和穩定性；當溫度升高至60 ℃，乳化瀝青破乳和水泥水化速率加快，混合料內部黏聚力增大，致使試件第二次擊實成型中壓實度降低、空隙率增大，從而溫度從40 ℃升高至60 ℃，馬歇爾試件劈裂強度降低。對此，建議乳化瀝青冷再生混合料養生溫度為25～40 ℃。

3.3 水影響

水對室內乳化瀝青冷再生混合料影響見圖4。

圖4 水對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響

由圖4 可知：

（1）不同養生條件下，乳化瀝青冷再生混合料含

水率相差較大，D 組馬歇爾試件含水率最高，為4.2%，較A、B、C 組試件含水率分別提高了147%、82.6%、13.5%；隨冷再生混合料含水率增加，試件空隙率先增加后減小，在含水率2.3%時，混合料空隙率最大；含水率為1.7%時，混合料空隙率幾乎降至最低。這是因為B 養生條件下，試件表面水分增加，混合料內部水分蒸發量減少，致使試件在第二次擊實中，試件密實度降低，空隙率相對增大；養生條件從B 到C、D，混合料內部含水率提高明顯，多余水分填充骨料間空隙，試件毛體積相對密度提高，從而空隙率降低。

（2）隨含水率增加，馬歇爾試件穩定度、劈裂強度、凍融劈裂強度比逐漸減小，抗水損害能力減弱。這是因為冷再生混合料試件含水率增加，抑制乳化瀝青破乳和水泥水化反應，影響瀝青水泥膠漿體的產生，其與骨料的黏聚力減弱，降低冷再生混合料結構整體穩定性，且多余水分填充骨料間空隙，致使試件在第二次擊實中，試件密實度相對降低，抵抗外部荷載作用能力降低，從而冷再生混合料穩定度和劈裂強度降低。

（3）當養生條件由A 到B，即冷再生混合料含水率由1.7%增加至2.3%，其穩定度、劈裂強度和凍融劈裂強度比分別降低了1.3%、3.8%、6.2%；養生條件從B 到C，即冷再生混合料含水率由2.3%增加至3.7%，其穩定度、劈裂強度和凍融劈裂強度比分別降低了11.2%、23.5%、12.3%；養生條件從C 到D，即冷再生混合料含水率由3.7%增加至4.2%，其穩定度、劈裂強度和凍融劈裂強度比分別降低了4.4%、7.7%、7.0%；養生條件C、D 下，冷再生混合料劈裂強度不滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）的技術要求。

4 結論

（1）同一試驗條件下，現場養生條件下乳化瀝青冷再生混合料較同養生時間的室內混合料穩定度和劈裂強度分別平均提高5.5%、10.7%。

（2）隨養生時間增加，乳化瀝青冷再生混合料路用性能整體呈提高趨勢，提高速率減緩。當養生時間≥7 d，冷再生混合料路用性能滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）技術要求。建議乳化瀝青冷再生混合料養生時間為7 d。

（3）隨養生溫度升高，乳化瀝青冷再生混合料穩定度逐漸提高，劈裂強度先提高后減小。在養生溫度40 ℃時，冷再生混合料路用性能最優，其穩定度較10 ℃、25 ℃分別提高了40.5%、10.4%，劈裂強度較10 ℃、25 ℃分別提高了79.4%、15.1%。建議乳化瀝青冷再生混合料養生溫度為25～40 ℃。

（4）隨含水率增加，乳化瀝青冷再生混合料路用性能逐漸降低。在冷再生混合料含水率為2.3%時，試件空隙率最大；含水率為3.7%、4.2%時，試件冷再生混合料劈裂強度不滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）技術要求。