级配对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响

蒋 应 军， 韩 占 闯

( 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064 )

0 引 言

采用乳化沥青冷再生混合料铺筑道路的面层、基层能够降低道路建设成本，易于施工，同时减少环境污染[1]．但由于乳化沥青冷再生混合料强度低、路用性能差，提高乳化沥青冷再生混合料的路用性能对提高路面使用耐久性具有积极影响．国内外道路科技人员在提高乳化沥青冷再生混合料的路用性能方面展开了一系列相关研究．He研究了回收料老化程度、回收料掺量对冷再生混合料抗永久变形的影响[2]；孙岩松研究了水泥对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响[3]；Bissada研究了泡沫沥青和温拌沥青混合料的疲劳性能[4]；Ebels研究了回收料掺量对乳化沥青冷再生混合料设计参数的影响[5]．吴超凡等研究了回收料掺量对冷再生混合料路用性能的影响[6]；杜少文研究了水泥等外加材料对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响[7]；郭寅川等研究了结合料种类和掺量以及龄期对冷再生混合料路用性能的影响[8]；汪德才等分析了应力水平、水泥用量、RAP掺量、乳化沥青类型及乳化沥青用量等因素对冷再生混合料疲劳性能的影响[9]．上述研究成果无疑对提高冷再生混合料性能具有重要意义，然而上述研究聚焦RAP掺量与性能、黏附和剥落机理、沥青类型、外加材料种类与掺量等因素对冷再生混合料路用性能的影响，而未见有矿料级配对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响的相关研究．且上述研究均采用重型击实方法与马歇尔方法制备试件，而马歇尔试件与路面芯样的工程相关性不足70%[10]．本课题组采用与路面芯样力学性能相关性可达90%以上的垂直振动试验方法在水泥冷再生、二灰稳定碎石、SRX碎石、水泥稳定碎石等方面开展研究，并取得了一定的成果[11-13]．鉴于此，本文采用垂直振动试验方法，研究矿粉、机制砂和9.5～19 mm粗集料掺量对冷再生混合料路用性能的影响，并将其应用到试验段，研究成果可供工程实践参考．

1 研究方案

1.1 原材料

(1)乳化沥青

SBR改性乳化沥青采用西安公路研究院产品，技术性质见表1．

表1 SBR改性乳化沥青性质

(2)面层回收集料

面层回收集料(reclaimed asphalt pavement material，RAP)采用金华曹岭线X115县道AC-20回收沥青路面材料，级配筛分结果见表2．

表2 RAP材料级配筛分结果

(3)新集料

矿粉、机制砂和9.5～19 mm粗集料采用洛南县正泰矿业有限公司产品，其技术性质符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定的技术要求．

1.2 试验方案

研究矿粉掺量(wmp)对混合料路用性能的影响时所采用混合料级配见表3．试验时，采用内掺法对RAP掺入不同掺量的矿粉．

研究机制砂掺量(wms)对混合料路用性能的影响时所采用混合料级配见表4．试验时，9.5～19 mm粗集料掺量统一为10%，矿粉掺量统一为3%，机制砂掺量逐渐变化．

研究9.5～19 mm粗集料掺量变化对混合料路用性能的影响时所采用混合料级配见表5．试验时，机制砂掺量统一为20%，矿粉掺量统一为3%，9.5～19 mm粗集料掺量逐渐变化．

表3 不同矿粉掺量的混合料级配

表4 不同机制砂掺量的混合料级配

表5 不同9.5～19 mm粗集料掺量的混合料级配

1.3 试验方法

(1)垂直振动试验方法

所采用的振动压实仪基本参数：工作频率35 Hz，上车系统质量108 kg，下车系统质量167 kg；采用垂直振动击实确定最大干密度和最佳含水率，振动成型时间60 s；采用垂直振动成型高63.5 mm、直径100 mm试件，振动成型时间60 s．

(2)车辙试验方法

采用车辙试验评价冷再生混合料的高温稳定性．依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)成型尺寸为300 mm×300 mm×80 mm的车辙板，并采用《沥青混合料车辙试验》(T0719—2011)进行车辙试验．试验温度控制在(60±0.5) ℃，试轮接地压强(0.7±0.05) MPa[14]．

(3)低温弯曲试验

采用低温弯曲试验评价冷再生混合料的低温抗裂性．依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)成型尺寸为300 mm×300 mm×80 mm的车辙板，将车辙板切成尺寸为250 mm×40 mm×40 mm的棱柱体小梁试件，并采用《沥青混合料弯曲试验》(T0715—2011)进行弯曲试验．试验温度控制在(-10±0.5) ℃，加载速率为50 mm/min．

(4)水稳定性试验方法

乳化沥青冷再生混合料的水稳定性可采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验来进行评价．

2 试验结果分析

2.1 矿粉掺量的影响

(1)配合比

垂直振动试验方法确定的不同矿粉掺量下乳化沥青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化沥青用量见表6．试验时乳化沥青用量为4%，混合料级配见表3．

表6 不同矿粉掺量的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化沥青用量

Tab.6 Maximum dry density, optimum moisture content and optimum emulsified asphalt content with different mineral powder contents

矿粉掺量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%最佳乳化沥青用量/%0123452.1772.1832.1912.2012.2072.2123.73.83.94.14.24.23.83.94.04.14.24.3

(2)水稳定性

矿粉掺量对冷再生混合料冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验影响见图1．

由图1可知，随矿粉掺量增加，冻融劈裂强度比R、残留稳定度S呈抛物线变化趋势；当矿粉掺量为3%时，冻融劈裂强度比、残留稳定度达到峰值，与不掺矿粉相比，水稳定性略有提高，不超过2%．因此，掺矿粉对提高乳化沥青冷再生混合料的水稳定性效果不明显．

(3)高温稳定性

矿粉掺量对冷再生混合料车辙试验影响见图2，其中Sd表示动稳定度．

由图2可知，冷再生混合料的动稳定度随矿粉掺量的增加而逐渐升高；与不掺矿粉相比，掺3%矿粉冷再生混合料的动稳定度提高了41%，当矿粉掺量超过3%时，冷再生混合料动稳定度增长速率逐渐减缓．因此基于冷再生混合料高温性能，兼顾经济性，建议矿粉掺量为3%．

(a) 冻融劈裂强度比

(b) 残留稳定度

图1 水稳定性随矿粉掺量变化

Fig.1 Variation of water stability with mineral powder content

图2 动稳定度随矿粉掺量变化

(4)低温抗裂性

矿粉掺量对冷再生混合料低温弯曲试验影响见图3．

由图3可知，随矿粉掺量增加，冷再生混合料弯拉强度和弯拉应变不断增大；当矿粉掺量超过3%后，弯拉强度和弯拉应变增长相对缓慢；矿粉掺量3%时，与不掺矿粉相比，弯拉强度和弯拉应变可分别提高4%和1%．可见，掺矿粉有利于改善冷再生混合料低温性能，但效果不明显．

综上所述，建议乳化沥青冷再生混合料中矿粉掺量为3%．

(a) 弯拉强度

(b) 弯拉应变

图3 弯拉强度和弯拉应变随矿粉掺量变化

Fig.3 Variation of bending strength and bending strain >with mineral powder content

2.2 机制砂掺量的影响

(1)配合比

垂直振动试验方法确定的不同机制砂掺量下乳化沥青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化沥青用量见表7．试验时乳化沥青用量为4%，混合料级配见表4．

表7 不同机制砂掺量的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化沥青用量

Tab.7 Maximum dry density, optimum moisture content and optimum emulsified asphalt content with different mechanism sand contents

级配编号最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%最佳乳化沥青用量/%iiiiiiivv2.1772.1992.2412.2182.2013.73.83.94.04.23.83.93.94.14.2

(2)水稳定性

机制砂掺量对冷再生混合料冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验影响见图4．

(a) 冰融劈裂强度比

(b) 残留稳定度

图4 水稳定性随机制砂掺量变化

Fig.4 Variation of water stability with mechanism sand content

由图4可知,随机制砂掺量增加，冻融劈裂强度比、残留稳定度呈抛物线变化趋势；当机制砂掺量为20%时，冻融劈裂强度比、残留稳定度达到峰值，与不掺新集料相比，冻融劈裂强度比、残留稳定度分别提高10%和5%．因此，基于冷再生混合料水稳定性，建议机制砂掺量为20%．

(3)高温稳定性

机制砂掺量对冷再生混合料车辙试验影响见表8．

表8 机制砂掺量对冷再生混合料高温稳定性影响

Tab.8 Influence of mechanism sand content on high temperature stability of cold regenerated mixture

级配类型动稳定度/(次·mm-1)动稳定度相对值iiiiiiivv1 6001 7682 4622 4072 1481.001.111.541.511.34

由表8可知，9.5～19 mm粗集料掺量10%、矿粉掺量3%时，乳化沥青冷再生混合料的动稳定度随机制砂掺量的增加先增大后减小．这是因为RAP材料中2.36 mm以下集料较少，不足以使混合料填充密实，随机制砂掺入，试件逐渐趋于密实，高温抗车辙性能得以提高；当机制砂掺量过多时，则形成干涉作用破坏骨架结构，表现为抗车辙性能下降．机制砂掺量为20%时，乳化沥青冷再生混合料的动稳定度达到最大值，动稳定度与不掺新集料相比提高了54%．因此，基于冷再生混合料高温稳定性，建议机制砂掺量为20%．

(4)低温抗裂性

机制砂掺量对冷再生混合料低温弯曲试验影响见表9．

表9 机制砂掺量对冷再生混合料低温弯曲性能影响

Tab.9 Influence of mechanism sand content on low temperature bending performance of cold regenerated mixture

级配类型弯拉强度弯拉应变绝对值/MPa相对值绝对值/10-6相对值i3.431.001 8211.00ii3.551.031 8471.01iii3.891.131 8831.03iv3.701.081 8141.00v3.120.911 7800.98

由表9可知，9.5～19 mm粗集料掺量10%、矿粉掺量3%时，随机制砂掺量增加，冷再生混合料弯拉强度和弯拉应变先增大后减小；当机制砂掺量为20%时，弯拉强度和弯拉应变达到峰值，与不掺新集料相比，弯拉强度和弯拉应变分别可提高13%和3%．因此，基于冷再生混合料低温性能，建议机制砂掺量为20%．

综上所述，建议乳化沥青冷再生混合料中机制砂掺量为20%．

2.3 9.5～19 mm粗集料掺量的影响

(1)配合比

垂直振动试验方法确定的不同9.5～19 mm粗集料掺量下乳化沥青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化沥青用量见表10．试验时乳化沥青用量为4%，混合料级配见表5．

(2)水稳定性

9.5～19 mm粗集料掺量对冷再生混合料冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验影响见表11．

由表11可知，随9.5～19 mm粗集料掺量的增加，残留稳定度、冻融劈裂强度比呈抛物线变化趋势；当9.5～19 mm粗集料掺量为10%～30%时，与不掺新集料相比，残留稳定度、冻融劈裂强度比分别提高5%～6%和7%～11%；当9.5～19 mm粗集料掺量为30%时，水稳定性达到峰值；当9.5～19 mm粗集料掺量大于30%时，随着粗集料掺量增加，混合料空隙率尤其是开口孔隙逐渐增大，水分易进入试件内部导致混合料水稳定性下降．因此，基于冷再生混合料水稳定性，建议9.5～19 mm粗集料掺量为10%～30%．

表10 不同9.5～19 mm粗集料掺量的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化沥青用量

Tab.10 Maximum dry density, optimum moisture content and optimum emulsified asphalt content with different 9.5-19 mm coarse aggregate contents

级配类型最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%最佳乳化沥青用量/%ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ2.1772.1982.2412.2672.2862.2832.2713.73.93.93.83.73.63.43.84.03.93.83.73.63.5

表11 不同9.5～19 mm粗集料掺量混合料残留稳定度及冻融劈裂强度比

Tab.11 The residual stability and freeze-thaw cleavage strength ratio of mixtures with different 9.5-19 mm coarse aggregate contents

级配类型残留稳定度冻融劈裂强度比绝对值/%相对值绝对值/%相对值Ⅰ89.41.0068.01.00Ⅱ92.01.0371.71.05Ⅲ93.81.0572.91.07Ⅳ94.51.0675.41.11Ⅴ94.61.0675.81.11Ⅵ93.41.0471.91.06Ⅶ92.51.0357.10.84

(3)高温稳定性

9.5～19 mm粗集料掺量对冷再生混合料车辙试验影响见表12．

由表12可知，当机制砂掺量20%、矿粉掺量3%时，随9.5～19 mm粗集料掺量增加，乳化沥青冷再生混合料动稳定度先增大后减小，这是因为RAP材料中13.2 mm以上集料不足20%，

表12 9.5～19 mm粗集料掺量对冷再生混合料高温稳定性影响

Tab.12 Influence of 9.5-19 mm coarse aggregate content on high temperature stability of cold regenerated mixture

级配类型动稳定度/(次·mm-1)动稳定度相对值ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ9811 5382 4622 8453 0252 8712 7161.001.572.512.903.082.932.77

难以形成骨架结构，随9.5～19 mm粗集料掺入，试件骨架结构逐渐形成，高温抗车辙性能得以提高；当9.5～19 mm粗集料掺量过多时，则形成骨架空隙结构，表现为抗车辙性能下降；当9.5～19 mm 粗集料掺量为10%～40%时，冷再生混合料的动稳定度与不掺粗集料时相比可提高60%～97%，与不掺新集料相比，冷再生混合料动稳定度提高了151%～208%，其中，当9.5～19 mm粗集料掺量为30%时，动稳定度达到峰值．因此，基于冷再生混合料高温性能，兼顾经济性，建议9.5～19 mm粗集料掺量为10%～30%．

(4)低温抗裂性

9.5～19 mm粗集料掺量对冷再生混合料低温弯曲试验影响见表13．

表13 9.5～19 mm粗集料掺量对冷再生混合料低温弯曲性能影响

Tab.13 Influence of 9.5-19 mm coarse aggregate content on low temperature bending performance of cold regenerated mixture

级配类型弯拉强度弯拉应变绝对值/MPa相对值绝对值/10-6相对值Ⅰ3.17-1 786-Ⅱ3.761.001 8561.00Ⅲ3.891.031 8831.01Ⅳ3.851.021 8410.99Ⅴ3.530.941 8150.98Ⅵ3.120.831 7720.95Ⅶ2.910.771 7040.92

由表13可知，机制砂掺量20%、矿粉掺量3%时，随9.5～19 mm粗集料掺量增加，乳化沥青冷再生混合料弯拉强度和弯拉应变先增大后减小．但9.5～19 mm粗集料对冷再生混合料弯拉强度和弯拉应变影响总体上并不明显；当9.5～19 mm粗集料掺量超过30%后，冷再生混合料弯拉强度下降较多．因此，基于冷再生混合料低温性能，建议9.5～19 mm粗集料掺量不宜超过30%．

综上，考虑冷再生混合料路用性能，建议9.5～19 mm粗集料掺量为10%～30%．

3 级配优选

基于冷再生混合料路用性能，兼顾经济性，提出乳化沥青冷再生混合料级配，见表14．

表14 不同材料组成冷再生混合料级配

4 结 论

(1)矿粉对乳化沥青冷再生混合料的水稳定性、低温抗裂性没有明显影响；矿粉掺量为3%时，与不掺矿粉相比，乳化沥青冷再生混合料的动稳定度可提高41%．

(2)机制砂掺量为20%时，与不掺机制砂相比，冻融劈裂强度比、动稳定度、弯拉强度可分别提高10%、54%、19%．

(3)9.5～19 mm粗集料对乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性能没有明显影响，与不掺新集料相比，9.5～19 mm粗集料掺量为10%～30%时，冻融劈裂强度比、动稳定度可分别提高7%～11%、151%～208%．

(4)以路用性能最优为原则，兼顾经济性，综合分析冷再生混合料水稳定性，高、低温性能，优先推荐冷再生混合料中9.5～19 mm粗集料掺量为10%～30%、机制砂掺量为20%、矿粉掺量为3%．