王 宏 刘 锋 余建荣 张葆永
(中交第一公路勘察设计研究院有限公司 西安 710068)
目前,国内外在沥青路面冷再生混合料养生方法方面尚无统一标准,乳化沥青冷再生混合料早期养生温度、养生方式等仍存在争议[1],冷再生混合料的养生方式仍是新版《公路沥青路面再生技术规范》修正时需要解决的首要问题.不同于热拌沥青混合料,沥青路面冷再生混合料完成摊铺、碾压后仍需7~14d的养生才能形成一定强度,养生期间水分迁移、蒸发的同时混合料粘聚力c和内摩擦角φ逐渐发展,空隙逐渐发育.国内外养生方法主要在于试件养生方式和养生温度不同,养生温度主要有30,40,60℃,养生方式主要有试件全封闭养生、试件不脱模烘箱加速养生两种,养生方法的确定主要是基于室内宏观力学试验.1999~2004年间,大量学者通过研究发现[2],对于冷再生混合料采用60℃的养生温度太高,该温度已超过沥青结合料的环球软化点,可导致沥青结合料的加速老化与破坏.主要出于两方面考虑:乳化沥青冷再生混合料主要作为公路沥青路面基层与底基层,而路面下10cm处沥青稳定基层的温度已低于气温,30℃与40℃是基层性能研究的主要温度;60℃养生温度,已超过大部分基质沥青的环球软化点温度[3-5],Stellenbosch大学通过总结多年研究经验,以及各种复杂的养生方案,提出最终统一的40℃养生方案,收录于南非沥青稳定类材料再生技术规范TG2内[6].目前缺乏关于养生温度对乳化沥青冷再生混合料强度的影响机理分析,笔者在40℃养生条件下研究了不同养生方式乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、抗压回弹模量以及含水率随养生时间的变化规律并基于工业CT的无损检测技术分析了不同养生方式乳化沥青冷再生混合料试件内部细微观结构性能的差异.
试验中RAP选用2012年陕西国省干线大中修工程A标段沥青路面铣刨料,不考虑RAP中老化沥青的作用[7],筛分后RAP的级配见表1.乳化沥青为阿克苏生产的慢裂慢凝阳离子乳化沥青,其主要技术指标见表2.水泥选用西安耀县水泥厂生产的PO32.5普通硅酸盐水泥,经检测水泥各项指标检测均满足规范要求.粗集料选用石灰岩,细集料采用机制砂,根据乳化沥青冷再生混合料设计级配的范围要求,确定RAP料掺量为80%,碎石和机制砂掺量各10%,水泥采用外掺的形式其掺量为1.5%,混合料合成级配见表3.按照JTG F41—2008修正马歇尔法确定最佳击实含水量为4.5%,乳化沥青用量为4%.
表1 RAP级配
表2 乳化沥青指标测试结果
表3 中粒式乳化沥青冷再生混合料试验级配
1)全封闭养生 静压成型尺寸为直径100 mm,高100mm的圆柱体试件,室温养生12h后托模,立即装进塑料带中,绑紧塑料袋置于40℃鼓风烘箱养生,养生期间,每隔24h更换一次塑料袋.
2)半封闭养生 试件成型方式与全封闭养生完全相同,室温养生12h后脱模,将试件侧面和底面用聚乙烯模具裹紧,置于40℃鼓风烘箱中养生,采用半封闭的养生方式主要是考虑到,该养生方式水分的迁移路径与施工现场未加铺上面层沥青混凝土前再生层的使用状况比较接近.
3)开放养生 成型直径100mm、高100mm的圆柱体试件静压试件,室温养生12h,脱模后置于40℃鼓风烘箱养生.
4)模拟养生 考虑到最不利季节施工,模拟养生选择在早春期间进行,将静压试件侧面和底面用模具裹紧,为方便实测心样的含水率,同时避免钻芯时对芯样造成的损伤,将试件裹紧后埋于捣实均匀的冷再生混合料中,放于室外自然条件下养生.
按照2.1所述试验方案成型试件,养生期间分析不同养生方式乳化沥青冷再生混合料在养生期间含水量、劈裂强度、抗压回弹模量的发展规律,试验方法按照《公路工程无机结合料稳定类材料试验规程》(JTG E51—2009)中的相关方法进行试验,结果见图1.
图1 不同养生时间冷再生混合料试验拟合结果
图1 试验结果表明,随着养生时间延长,3种养生方式下乳化沥青冷再生混合料试件的含水率呈指数形式减小,劈裂强度和抗压回弹模量均随养生时间的增加呈指数形式增大;相同含水率条件下全封闭养生静压试件的劈裂强度大于半封闭养生,大于开放养生,可见,确定乳化沥青冷再生混合料养生方式时需要同时兼顾养生时间和试验件含水率这两个指标.模拟养生期间昼夜平均气温12~15℃,7~14d后试件的平均含水率为1.96%,劈裂强度0.45MPa,抗压回弹模量817 MPa,含水率和力学强度均与半封闭养生最为接近.
考虑到养生时间对乳化沥青冷再生混合料长期性能以及混合料c,φ值的影响,将全封闭、半封闭、开放养生三种养生方式条件下的静压试件在40℃鼓风烘箱中放置了30d,养生结束后首先进行CT扫描试验,随后进行15℃劈裂试验和抗压回弹模量试验,结果见图2.
图2 不同养生方式乳化沥青冷再生混合料力学强度试验结果
图2 试验结果表明,开放养生条件下的混合料冷再生混合料劈裂强度最大,全封闭养生劈裂强度最小,半封闭养生和路面芯样劈裂强度相差不大,抗压回弹模量试验结果也有类似规律,可见养生方式对乳化沥青冷再生混合料力学强度有显著影响.
为揭示养生方式对乳化沥青冷再生混合料强度的影响机理,采用工业CT无损检测技术和VG软件的三维重构技术对不同养生方式下的静压试件开展研究.试验选用长安大学工业CT扫描体统,通常我们所得到的沥青混合料图像信息都是二维结构的,这与物质本来存在的空间三维结构相差很大,VGStudio MAX软件的三维重构功能是实现图像三维可视化最重要的手段,为了得到乳化沥青混合料马歇尔试件内部孔隙的空间分布规律以及孔隙的细微观特征,需采用VG软件自带的缺陷分析模块进行计算,以得到每个孔隙在马歇尔试件内部的三维坐标、孔隙的体积、表面积等物理参数.
孔隙的直径是孔隙的名义直径,是一个平均或等效的概念.由于乳化沥青冷再生混合料内部的空隙简化为同体积大小的球体,通过1式当量球的直径表征孔隙的直径大小:
式中:d为乳化沥青冷再生混合料空隙等效直径,mm;V为CT测算的空隙体积,mm3;N为马歇尔试件内部总空隙数量,个.
按照空隙等效直径的计算公式,得出不同养生方式下乳化沥青冷再生混合料的平均孔径延试件高度的变化规律,结果见图3、图4.
图3 不同养生方式平均孔径延试件高度方向分布规律
图4 不同养生方式冷再生混合料平均孔径变化规律
由图3~4试验结果可知:(1)相同成型方式和养生温度条件下,4种养生方式下的乳化沥青冷再生混合料平均孔径延试件高度方向呈先减小后增大的变化趋势,且均在试件中部4~6cm处达到最小值,分析其原因:试件两边平均孔径略大于中部,主要是受试件成型过程中人为因素的干扰,且这部分空隙中开口空隙和半封闭空隙比例较大,试件顶部平均空降明显大于底部主要受静压成型时荷载分布不均匀,试件两端压实度不同所致;(2)试件相同高度方向,乳化沥青冷再生混合料平均孔径由大到小依次是全封闭养生、路面芯样、半封闭养生、开放养生,对于整个静压试件而言,开放养生的平均孔径始终最小,其次平均孔径由小到大依次是半封闭养生、路面芯样、全封闭养生,全封闭养生平均孔径为开放养生的1.08倍.分析其原因,乳化沥青冷再生混合料内部的空隙来源主要包括水分挥发残留的空隙和混合料内部粗集料嵌挤细集料填充不饱和以及压实不足剩余的空隙,室内试验发现,水分挥发残留的空隙一般可达总空隙率的50%以上,由于全封闭养生混合料内部水分迁移速度较快,试件能在较短时间内完成养生,空隙发育完成后受水分迁移破坏作用较小,全封闭养生条件下,密闭的空间内水蒸气容易达到饱和,冷再生混合料内部的水分蒸发需较长时间才能完成,随着水泥水化反应的结束,水泥水化产物占据、填充了一部分空隙,水泥水化完成后水的迁移仍在进行,水分丧失过程可能破坏了已经形成密闭空间的水泥水化产物,随着空隙逐渐发育完成,随后残留在试件内部的这部分水,残留水量越大其蒸发后对试件内闭口孔隙的破坏越大,且混合料内部的这部分水分随着水泥水化的结束,其蒸发越困难,需要有积攒足够的力才能突破水泥水化产物的包围,因为水泥水化已经完成,这时因水分蒸发对混合料孔隙率造成的破坏往往是不可恢复的,故全封闭养生条件下乳化沥青冷再生混合料的平均孔径延试件高度普遍较大.和开放养生相比,半封闭养生改变了水分的迁移路径,水的挥发速度也远大于全封闭养生,与加铺上面层沥青混合料前的再生基层使用状况较为一致.
图5 不同养生方式静压试件空隙分布
最可几孔径是指空隙中出现次数最多的孔隙所对应的孔隙等效直径.从几何意义考虑,平均孔径是所有空隙体积的平均等效圆直径,而最可几孔径是指出现次数最多的孔隙体积等效当量球直径.由于在混合料试件在拌和、试件成型、养生过程中都可能对其内部的空隙造成一定的影响,对于乳化沥青冷再生混合料这种微孔数量多,大孔数量少的非均一特征,理论上采用最可几孔径指标能排除因人为因素产生的大空隙体积变异性.对不同养生方式乳化沥青冷再生混合料试件以及路面芯样进行分析,每个成型方式共635×4张图片,初步拟合结果表明,空隙密度函数基本符合洛伦兹函数(Lorentz)分布,本文以洛伦兹函数拟合峰值概率对应的空隙体积来表征最可几空隙,拟合结果见图5.
式中:f(x)为洛伦兹函数;Vm为峰值空隙体积;A,W 均为回归系数.
图5统计结果表明:不同养生方式乳化沥青冷再生混合料最可几空隙不同,且相差较大,开放养生、半封闭养生、路面芯样、全封闭养生四种养生方式最可几空隙体积依次为0.139 30,0.136 72,0.136 64,0.135 04mm3,表明养生方式在改变了混合料内部水分迁移路径的同时,也显著影响了混合料内部空隙的细微观分布特征.
空隙数量多,微孔数量所占比例大是冷再生混合料最为显著的特征之一,为了计算简单通常将混合料中的单个孔隙等效成同体积的球体或椭球,实际中孔隙的形态多种多样,孔隙形状杂乱无章,对材料中的微裂纹结构、空隙等不规则图形,存在如下关系[8]:
式中:C为回归系数;D为不规则图形边界线的分形维数.
虽然静压试件中的空隙形态杂乱无章,但同一批静压试件由于试验级配、试件成型方法、CT扫描参数等内外因完全相同,相同养生温度,不同养生方式下的混合料试件其内部孔隙分布形状应该具有一定的自相似性,笔者借鉴小岛法研究思路对VG计算的空隙率结果进行拟合分析,并假设乳化沥青冷再生混合料内部孔隙球体体积与球体表面积之间存在关系V=KSD/2,对该公式两边取对数后有lg V=lg K+D/2lg S(式中:V 为孔隙体积,S为孔隙表面积),若相关系数良好,表明不同养生方式条件下的乳化沥青冷再生混合料内部空隙具有一定的自相似性.根据VG软件输出的excel表单,3种养生温度条件下乳化沥青冷再生混合料孔隙表面积对数与体积对数之间的拟合关系式见图6.
图6 不同养生方式乳化沥青冷再生混合料空隙分形特征
由图6可知,静压试件乳化沥青马歇尔试件内部空隙体积-表面积在双lg坐标下线性相关系数R2均超过了0.98,表明乳化沥青冷再生混合料内部的空隙形状具有一定的分形特征,根据5式定义,开放养生、半封闭养生、路面芯样、全封闭养生乳化沥青冷再生混合料的空隙维数D分别为2.661 86,2.655 82,2.647 42,2.629 08,拟合方程的系数D均小于3,说明将混合料中的空隙等效为球体是只是一种理想的状态.此外,半封闭养生乳化沥青冷再生混合料空隙形状特征与路面芯样比较一致,开放养生与路面芯样相差较远,表明半封闭养生可较好模拟冷再生混合料现场真实的使用状况.结合弹性力学应力集中的概念可解释不同养生方式,乳化沥青冷再生混合料ITS、抗压回弹模量相差较大的原因,即养生方式影响了乳化沥青混合料的空隙形状特征,改变了混合料中空隙的整体形状,导致应力集中因子和空隙体积模量发生了变化,归根结底主要是不同养生方式乳化沥青冷再生混合料水分迁移规律不同进而影响了混合料内部空隙级配[9].
1)养生方式对乳化沥青冷再生混合料力学强度有显著影响,不同养生方式乳化沥青冷再生混合料含水量、劈裂强度、抗压回弹模量变化规律不同,相同含水率条件下全封闭养生冷再生混合料劈裂强度、抗压回弹模量均大于半封闭养生,半封闭养生能较好模拟加铺上面层沥青混凝土前冷再生混合料的使用性能.
2)养生方式不仅改变了乳化沥青冷再生混合料内部的水分迁移路径,不同养生方式乳化沥青冷再生混合料内部空隙具有明显的分形特征,养生方式显著影响了乳化沥青冷再生混合料的空隙形状特征,
3)综合考虑水分的迁移规律、混合料力学强度发展规律以及不同养生方式对乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征的影响,推荐再生混合料配合比设计时宜采用40℃半封闭养生进行室内加速养生.
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