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恒裕工程乳化沥青冷再生混合料超早强技术研究

与传统沥青路面养护技术相比,乳化沥青冷再生技术可常温施工,具有节约能源、降低成本、施工简单等诸多优点,可用于车辙、各类裂缝病害的处治及路面大修工程,是一种既经济又环保、实用的路面维修方法。目前中国一般将乳化沥青冷再生混合料应用于公路基层或下面层。但由于乳化沥青冷再生混合料早期强度低,易松散破坏,制约了其在工程中的推广应用。因而,研究人员提出了通过掺加水泥来提升再生混合料的早期强度。袁文豪分析了水泥用量对水泥-乳化沥青混合料性能的影响;郭银涛、耿九光等提出了水泥-乳化沥青再生混合料配合比设计方法;严金海、倪富健等研究了改性乳化沥青-水泥就地冷再生混合料性能,并推荐了用作面层的乳化沥青就地冷再生混合料的性能评价标准。然而,普通水泥对再生混合料早期强度提升幅度有限;另一方面,对现有道路的养护不适合长时间封闭交通来进行,修复工作应在尽可能短的时间内完成。因此,为了有效地解决这一问题,该文进行超早强型水泥乳化沥青冷再生混合料研究,分析水泥类型、水泥用量及养生龄期等因素对再生混合料强度的影响,提出各材料合适用量范围,已达到在保证再生混合料路用性能不受影响的同时提高其早期强度的目的。

原材料

乳化沥青

用于再生的乳化沥青应结合老化沥青性能与再生沥青的性能要求选择,其质量应满足《公路沥青路面再生技术规范》的要求。

水泥

冷再生一般要求选用普通硅酸盐水泥,该试验采用冀东P.O.42.5水泥及EH-5早强剂,各指标均满足《通用硅酸盐水泥》要求。

RAP

旧沥青路面材料取自内蒙古通辽某一级公路沥青面层。RAP的含水率为0.97%,沥青含量为4.6%。

新矿料

为满足级配要求,在路面再生工程中有时需要加入新集料,以提高路面车辆荷载承受力、高低温性能、和易性及耐久性等技术性能。对试验所添加的新集料进行测试,结果显示针片状含量为3.5%,压碎值为18%,满足规范要求。

为最大限度地利用旧料,确定RAP掺量为80%,根据筛分结果及规范级配要求,加入20%的新集料。

超早强型再生混合料配合比设计

最佳含水率的确定

《公路沥青路面再生技术规范》中乳化沥青冷再生混合料成型方式为双面击实75次成型,首先击实50次,40h后再击实25次。60℃下养生40h,然后脱模,室内放置4d。由于此试验采用水泥添加早强剂,水泥强度形成较普通水泥早,考虑到二次击实可能破坏强度,且试验需获取早强型水泥1d强度,所以该试验采用双面击实75次一次成型,以避免二次击实对试件早期强度的破坏。

试验采用80%的RAP生产再生混合料,其中水泥的量分别采用0、1%普通水泥、2%普通水泥、2%早强型水泥。根据规范要求及工程经验,乳化沥青用量预估4.5%。同时为了便于表述,将不同水泥掺量的冷再生混合料分别称为C0、C1、C2、C2R。绘制干密度-含水率关系曲线图得出不同水泥用量的再生混合料对应的最佳含水率,将其用作后期控制外加水量的指标。

可以看出:加入水泥后,混合料与之对应的最佳含水率及最大干密度线性增大。与添加同等剂量的普通水泥的混合料相比,加入2%早强水泥后,再生混合料的最佳含水率稍有提高,可能是水泥快速水化导致的。

确定最佳乳化沥青用量

规范要求制作马歇尔试件,测试劈裂强度,绘制干劈裂、湿劈裂和劈裂强度比随乳化沥青用量变化的关系图。

根据劈裂和浸水劈裂试验结果,结合干湿劈裂强度比及工程经验,综合确定再生混合料最佳乳化沥青用量为5%。

水泥对力学强度的影响

为了提高乳化沥青冷再生混合料的早期强度,通过加入不同用量及类型的水泥成型试件,按规范方法在烘箱中养护后进行强度测试。再生沥青混合料乳化沥青用量均采用最佳值5.0%。测试不同水泥用量的再生混合料的劈裂强度。

可以看出:与未掺加水泥的再生混合料相比较,随水泥用量的增加,混合料劈裂强度逐渐增大。这种趋势并不受养生龄期的影响,在养生龄期为1、3、7、28d时其劈裂强度都存在这种变化规律。考虑到满足使用要求、施工经济性及水泥用量过大易造成收缩开裂等各方面因素,建议水泥用量不宜过大,研究认为2%的水泥用量较合适。

规范要求乳化沥青再生混合料15℃劈裂强度应用于基层、底基层不小于0.4MPa,下面层不小于0.5MPa。掺加1%或2%的普通水泥的再生混合料3d劈裂强度可满足基层要求,7d劈裂强度可满足下面层要求。而掺加2%的早强水泥后,1d劈裂强度可满足基层要求,3d劈裂强度可满足下面层要求。

还可以看出:早强水泥对再生混合料早期强度影响较大。加入2%早强水泥后劈裂强度大幅度提高,1d龄期强度已达到原来掺加2%普通水泥时3d的强度;3d龄期强度可以达到原7d龄期强度,而两者28d龄期的强度接近。该结果表明早强水泥可显著提升乳化沥青冷再生混合料的早期强度,而后期强度变化不大,证明该方法可大大缩短路面再生工程项目的施工工期。

超早强型再生混合料路用性能

为了验证超早强水泥-乳化沥青冷再生混合料的使用效果,使其达到施工技术规范对通辽地区沥青混合料的性能要求,通过多项试验系统研究了冷再生混合料路用性能。试验采用RAP掺量为80%的再生沥青混合料,分别添加0%、1%普通水泥、2%普通水泥、2%早强水泥用量,拌和用水和乳化沥青用量均采用前文确定的最佳值,按规定方法养护3d后进行性能测试。

水稳定性

浸水马歇尔试验可以看出:随着水泥用量的增加,标准稳定度、浸水稳定度及两者比值残留稳定度逐渐增大,未加水泥时,残留稳定度达不到规范要求的75%,加入1%~2%的普通水泥后可满足要求;加入2%早强水泥后浸水马歇尔残留稳定度较普通水泥有一定的提高。

可以看出:冻融前后劈裂强度及强度比均随水泥用量的增加而呈增大的趋势,各配比的再生混合料冻融劈裂强度比均能满足规范要求;加入2%早强水泥后冻融劈裂残留强度比较普通水泥提高了12%,较未添加水泥时提升了29%,表明早期水泥乳化沥青冷再生混合料具有较好的水稳定性。

综合浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果,可以看出掺加水泥,尤其是早强水泥后可以明显改善冷再生混合料的水稳定性。加入水泥以后,水化产物使集料间、胶浆薄膜间、集料与胶浆薄膜间形成加筋增大混合料强度;沥青胶浆和水化产物的互相作用提高了混合料胶浆粘度;水化反应的不断进行减少了内部微小孔隙提高了混合料密实度,水泥水化体积膨胀减少了水分蒸发造成的空隙,进一步促使混合料形成孔隙闭合、密实均匀的整体,提高了乳化沥青冷再生混合料的水稳定性。

高温稳定性

可以看出:随着水泥用量的增加,动稳定度逐渐增大,水泥可改善再生混合料的高温稳定性;当水泥用量不足2%时,再生混合料动稳定度小于《公路沥青路面施工技术规范》对改性沥青混合料车辙大于2 400次/mm的要求,当水泥用量超过2%时,动稳定度可满足要求,而加入2%早强水泥后动稳定度较普通水泥有较大幅度的提高,这可能是由于早期水泥快速水化而产生早期强度所导致的。

低温抗裂性

可以看出:随着水泥用量的增加弯拉应变逐渐减小,并且两者有近似线性相关性,说明水泥增加了乳化沥青冷再生混合料的脆性,降低了混合料的低温抗裂性。当水泥用量为2%时弯拉破坏应变仍满足改性沥青混合料在冬寒区不小于2 800με的要求,加入2%早强水泥后弯拉应变与普通水泥相当,并且接近《公路沥青路面施工技术规范》要求值,因此建议水泥乳化沥青冷再生混合料设计时水泥用量不要超过2%。

结论

(1)早强水泥可显著提升乳化沥青冷再生混合料的早期强度,加入2%早强水泥后1d龄期强度已达到原来掺加2%普通水泥时3d的强度;3d龄期强度可以达到原7d龄期强度,而两者28d龄期的强度接近。

(2)掺加2%的早强水泥后,1d劈裂强度可满足基层要求,3d劈裂强度可满足下面层要求,该技术可有效缩短施工工期。

(3)早强水泥可显著提升乳化沥青冷再生混合料的水稳定性和高温性能,低温性能稍有下降,但仍满足使用要求,说明超早强水泥乳化沥青冷再生混合料的路用性能是有保证的。

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