乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料性能研究
徐 剑,黄颂昌,秦永春,李 峰,石小培
(交通运输部公路科学研究院,北京 100088)
摘要:为了检验沥青稳定类冷再生混合料性能,回答乳化沥青与泡沫沥青孰优孰劣的争论,采用劈裂试验、车辙试验对泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料性能进行了对比试验研究。研究结果表明,乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料的力学特性有明显的温度依赖性,均为粘弹性材料;冷再生混合料15℃劈裂强度满足规范中密级配粗粒式热拌沥青混凝土强度范围;泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度、浸水24 h后的劈裂强度略高于乳化沥青冷再生混合料;乳化沥青冷再生混合料的动稳定度显著高于泡沫沥青冷再生混合料,且都远超过规范对改性沥青混合料动稳定度的技术要求。乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料性能均能满足沥青路面中下面层的要求。
关键词:道路工程;冷再生;试验研究;乳化沥青;泡沫沥青
中图分类号: U416·2 文献标识码: A
0 引言
随着我国高等级公路大量进入大中修养护期,沥青路面再生技术的应用越来越广泛。其中,冷再生是沥青路面再生的主要方式,而泡沫沥青和乳化沥青是冷再生的两种主要结合料。尽管冷再生与热再生相比更具环保、节能优势,但是一直存在对冷再生混合料性能的担忧和对冷再生结合料孰优孰劣的争论: (1)冷再生混合料能否满足沥青路面中下面层的使用要求; (2)乳化沥青冷再生混合料和泡沫沥青冷再生混合料孰优孰劣; (3)沥青没有形成裹附、外观上接近水稳材料的泡沫沥青冷再生混合料,是否属于半刚性材料。
已有研究工作主要是针对某种冷再生技术本身的研究[1-5],较少进行乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料的对比研究,仅有的少量对比研究工作是在上世纪80年代[6-7],当时所用的乳化沥青和泡沫沥青材料与现有材料存在很大差异,研究结论的适用性不强。
本文采用干、湿劈裂试验和车辙动稳定度试验,对泡沫沥青冷再生混合料、乳化沥青冷再生混合料的抗拉、抗剪、水稳定性等性能进行了对比研究。
1 研究方案
1·1 材料和混合料
选用北方某地的RAP、机制砂、石灰石矿粉、32·5 P·S·A矿渣硅酸盐水泥。级配筛分(水筛法)和混合料掺配试验结果如表1和图1所示,合成级配范围满足文献[8]对泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配范围的要求。
按照文献[8]的方法,确定再生混合料的最佳含水量6·3%。
1·2 试验方法
按照表1的矿料配比,采用2·0%、2·5%、3·0%3个油石比,制备泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料试件。劈裂试验采用Ф101·6 cm×63·5 cm马歇尔试样,试验成型方法参照文献[8]规定的标准成型方法,其中,为了进行对比,乳化沥青混合料试样的击实也采用与泡沫沥青混合料一样的双面各击实75次的方法。车辙试验参照文献[9]的规定采用轮碾法成型,压实后的试样连同试模一起放置到60℃烘箱中烘干至恒重后进行车辙试验。
按照文献[9]的方法对试样进行15、40、60℃劈裂试验,浸水24 h劈裂试验,测得劈裂强度、浸水劈裂强度,计算干湿劈裂强度比,并根据劈裂试验的荷载-变形曲线中最大荷载和最大变形计算劈裂破坏劲度模量;按照文献[9]的方法对试样进行60℃的车辙试验,测得动稳定度和60 min车辙累计变形指标。
2 试验结果分析
2·1 15℃劈裂试验
劈裂试验是目前国内外评价冷再生混合料最常用的方法。劈裂试验中试样受拉破坏,比较接近路面材料实际受力状态,已有研究证明劈裂强度和无侧限抗压强度、弯拉强度之间有一定的换算关系[10],是评价路面材料力学性能的有效手段。
15℃劈裂试验结果如图3所示。
(1)在油石比、级配完全相同的情况下,泡沫沥青冷再生混合料15℃劈裂强度略高于乳化沥青冷再生混合料,且均满足文献[11]中热拌粗粒式沥青混凝土的强度范围。例如,油石比2·5%时,泡沫沥青冷再生混合料15℃劈裂强度为0·71 MPa,略高于乳化沥青冷再生混合料的0·69MPa,且均满足密级配粗粒式沥青混凝土0·6~1·0 MPa的15℃劈裂强度范围。
(2)在油石比、级配完全相同的情况下,泡沫沥青冷再生混合料劈裂破坏劲度模量明显高于乳化沥青冷再生混合料。分析认为,泡沫沥青冷再生混合料中,泡沫沥青与0·075 mm以下的矿粉结合后在混合料中呈“点焊”状分布,起粘结作用是沥青-矿粉胶浆,没有“点焊”的部位还有水泥的粘结作用,而乳化沥青混合料中起粘结作用的只是乳化沥青,粘度显然低于是沥青-矿粉胶浆,其中的水泥也不能形成独立的粘结,因此劈裂破坏劲度模量低于泡沫沥青混合料。
(3)在通常的沥青用量范围内,冷再生混合料15℃劈裂强度指标对油石比的变化不敏感,但是劈裂破坏劲度模量随油石比的增加而有所降低。这与热拌沥青混合料在常温下的劈裂强度通常会随油石比的增大、沥青膜的增厚而降低[12-13]是不同,这可能是由于冷再生混合料的沥青用量仅为2%~3%,远低于热拌沥青混合料的原因。
2·2 浸水24h的15℃劈裂试验
浸水24 h后的劈裂试验得到的浸水劈裂强度和干湿劈裂强度比,可以反映冷再生混合料的抗水损害性能。浸水24 h后的15℃劈裂试验结果如图4、图5所示。
(1)在油石比、级配完全相同的情况下,泡沫沥青冷再生混合料浸水24 h后的15℃劈裂强度略高于乳化沥青冷再生混合料,与未浸水的15℃劈裂试验结果是一致的。
(2)在油石比、级配完全相同的情况下,冷再生混合料的干湿劈裂强度比均超过90%,说明冷再生混合料有卓越的抗水损害能力。分析认为,这是由于冷再生混合料是在有水的状态下拌制的,其中的水泥在拌制、养生和浸水24 h期间不断发生水化反应的原因。
(3)在油石比、级配完全相同的情况下,泡沫沥青冷再生混合料浸水24 h后劈裂破坏劲度模量高于乳化沥青冷再生混合料,与未浸水的15℃劈裂试验结果是一致的。
(4)与乳化沥青冷再生混合料在浸水24 h后模量明显降低不同,泡沫沥青冷再生混合料浸水24 h后劈裂破坏模量衰减不明显。分析认为,泡沫沥青冷再生混合料中的沥青是“点焊”分布,使得水泥能够更加充分地进行了水化反应。
(5)在2%~3%这一通常油石比范围内,冷再生混合料浸水24 h后15℃劈裂强度指标对油石比的变化不敏感,但是劈裂破坏劲度模量随油石比的增加而有所降低,这与未浸水的15℃劈裂试验结果是一致的。
2·3 不同温度条件下的劈裂试验
采用2·0%的油石比制备试样,分别在15、40、60℃条件下进行劈裂试验,试验结果如图6所示。
从图6中可以看出, 40℃和60℃条件下,泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度分别为0·18、0·09 MPa,仅为15℃劈裂强度0·71 MPa的25·4%和12·7%;乳化沥青冷再生混合料40℃和60℃条件下分别为0·19、0·08 MPa,仅为15℃劈裂强度0·69 MPa的27·5%和11·6%。油石比为2·5%、3·0%时的劈裂强度试验结果以及材料的劈裂破坏模量结果存在同样的规律。
可见,尽管劈裂强度的绝对值不同,但是无论是泡沫沥青冷再生混合料、乳化沥青冷再生混合料,其力学特性均存在和热拌混合料一样的温度依赖性,这说明无论是乳化沥青冷再生混合料还是泡沫沥青冷再生混合料,其本质上仍然是沥青混合料,是具有粘弹性特征的柔性材料,而不是半刚性材料。分析认为,尽管冷再生混合料中只添加了很少的(2%~3%)沥青,但是RAP还有4%~5%的沥青含量(尽管存在不同程度的老化),混合料总沥青含量较高,使混合料整体表现出粘弹性材料特征。
2·4 车辙试验
为了检验冷再生混合料的高温稳定性,选用
2·5%的油石比,分别制备乳化沥青冷再生混合料和泡沫沥青冷再生混合料试件,进行车辙试验,试验结果如表4所示。
从表4中可以看出,泡沫沥青冷再生混合料和乳化沥青冷再生混合料的动稳定度DS均远远超过文献[14]对改性沥青混合料动稳定度的技术要求,说明冷再生混合料有非常好的高温稳定性。其次,乳化沥青冷再生混合料的动稳定度超过10 000次/mm,显著高于泡沫沥青冷再生混合料。分析认为,泡沫沥青冷再生混合料存在两种结合料,一是泡沫沥青,另外一个是水泥。由于水泥剂量低,不足以有效粘结住泡沫沥青“点焊”之外的集料,混合料更容易在荷载作用下出现剪切变形,使得动稳定度低于乳化沥青冷再生混合料。
3 结语
(1)冷再生混合料15℃劈裂强度指标满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中密级配粗粒式热拌沥青混凝土的强度范围。
(2)在油石比、级配完全相同的情况下,泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度、浸水24 h后的劈裂强度略高于乳化沥青冷再生混合料,泡沫沥青冷再生混合料的劈裂破坏劲度模量高于乳化沥青冷再生混合料,乳化沥青冷再生混合料的劈裂破坏应变要大于泡沫沥青混合料。冷再生层一般用作路面基层或者下面层,层底会出现受拉破坏。如果按照现行公路沥青路面设计规范以层底拉应力作为控制指标,泡沫沥青冷再生混合料要略好于乳化沥青冷再生。而如果以国外设计方法通常采用的层底拉应变作为控制指标,那么乳化沥青冷再生混合料要优于泡沫沥青冷再生混合料。
(3)泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料的力学特性均和热拌沥青混合料存在一样的温度依赖性,说明冷再生混合料本质上是沥青混合料,是具有粘弹性特征的柔性材料,而不是半刚性材料。
(4)在2%~3%这一通常的油石比范围内,泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料劈裂强度对油石比的变化不敏感,劈裂破坏模量随油石比的增加而降低。
(5)泡沫沥青冷再生混合料和乳化沥青冷再生混合料的动稳定度DS均远远超过《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对改性沥青混合料动稳定度的技术要求,有非常好的高温稳定性,且乳化沥青冷再生混合料的动稳定度显著高于泡沫沥青冷再生混合料。
因此,乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料可以满足用于沥青中下面层的要求。
下一步的研究方向:本研究结论仅是在一个矿料级配、一种基质沥青、一种RAP材料的基础上得到的,在材料改变后研究结论是否有很好的复现性,还有待检验;本研究仅仅是室内试验研究,研究结论还有待工程检验;开展低温弯曲试验和疲劳试验,对乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料做进一步的对比研究。
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