外摻劑對乳化瀝青冷再生混合料性能影響的宏微觀分析

楊彥海,熊藝衡,陳冠良,岳 靚,楊 野,2

(1.沈陽建筑大學交通與測繪工程學院,遼寧 沈陽 110168;2.大連海事大學交通運輸工程學院,遼寧 大連 116026)

我國公路建設已經進入建養并舉的階段,每年因為瀝青路面養護、維修、重建等產生的廢舊瀝青回收料達到兩億噸以上。乳化瀝青冷再生混合料具有舊料利用率高、能源消耗低、環境污染小、性價比高等特點,近年來在我國高等級路面基層,低等級路面基層和面層應用廣泛[1-5]。國內外專家學者從宏觀性能和微細觀作用機理等方面展開了大量研究:杜少文等[6-8]研究了不同水泥摻量對冷再生混合料性能影響,發現水泥水化產物對混合料具有“加筋”作用,能夠提高混合料早期強度,提高混合料路用性能,但水泥水化產物也會降低混合料溫度敏感性,影響混合料低溫性能,推薦水泥摻量宜控制在1%～2%。Li Quan等[9]發現粉煤灰能有效提高混合料的干濕劈裂強度比和凍融劈裂強度比。周源[10]發現添加一定劑量的生石灰可以加快冷再生混合料強度形成,提高混合料早期強度,而摻量過多則會影響混合料水穩定性、高溫穩定性以及疲勞性能。W.U.Filho等[11]研究了不同乳化瀝青再生劑改善效果,發現乳化瀝青再生劑可以與舊料發生相互作用,改善冷再生混合料力學性能。M.S.Hashim等[12]研究了硅灰對乳化瀝青冷再生混合料的空隙率、馬歇爾穩定度和抗壓強度的影響,結果表明,摻入硅灰改善效果較為顯著,抗壓強度和馬歇爾穩定度分別提高了68%和78.4%,流值和空隙率分別降低了13.5%和6.6%。雖然國內外專家學者對乳化瀝青冷再生混合料進行了大量研究,但外摻劑對乳化瀝青冷再生混合料性能影響方面研究較少。鑒于此,筆者基于室內試驗研究硅灰、微珠以及減水劑對路用性能的影響,結合掃描電鏡從宏微觀分析硅灰、微珠以及減水劑作用機理。研究表明:摻入硅灰、微珠以及減水劑可以改變混合料的空間結構,較好地改善了乳化瀝青冷再生混合料的路用性能。

1 原材料及級配

1.1 原材料

1.1.1 乳化瀝青

試驗使用的乳化瀝青為慢裂型陽離子乳化瀝青,其技術指標滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG T5521—2019),乳化瀝青檢測試驗結果見表1。根據室內試驗,筆者選用的最佳乳化瀝青摻量為3.5%。

表1 乳化瀝青試驗結果Table 1 The emulsion test results of asphalt

1.1.2 瀝青混合料回收料

試驗使用的瀝青混合料回收材料(Recycling of Asphalt Pavement,RAP)來源于遼寧省某一級公路的銑刨料,為避免RAP級配變異對試驗結果的影響,將RAP篩分成單粒徑集料,剔除假粗集料,最終將RAP篩分成孔徑為0～0.075 mm、0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm和16～19 mm共計11檔,其結果見表2。

表2 舊料篩分結果Table 2 The screening results of RAP

1.1.3 新集料

為保證乳化瀝青冷再生混合料的強度和性能,添加30%的石灰巖新集料,試驗采用的新集料來源于遼寧省遼陽市的石灰巖堿性集料,為避免新集料變異對試驗結果產生影響,因此也將其篩分成單粒徑。試驗配合比設計的級配類型為中粒式乳化瀝青冷再生混合料,RAP篩分中缺少19～26.5 mm的粗集料,因此新料中加入該粒徑集料。根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)要求對新料進行檢測,其結果滿足要求。

1.1.4 水 泥

為提高乳化瀝青冷再生混合料的早期強度和使用性能,水泥被作為添加劑加入混合料中。不同專家學者通過宏觀性能、微觀形貌作用機理分析摻加適量的水泥能夠提高乳化瀝青冷再生早期強度和改善混合料性能。試驗使用的水泥為遼寧省某廠生產的32.5#普通硅酸鹽水泥,其技術指標見表3,均滿足《公路水泥混凝土路面施工技術規范》(JTG F30—2015)要求。根據正交試驗設計結果,筆者選用的最佳水泥摻量為1.5%。

表3 水泥技術指標檢測結果Table 3 The test results of cement technical index

1.1.5 水

水在乳化瀝青廠拌冷再生混合料中作用有兩方面:一是水作為液體可以充當潤滑劑的作用,增加混合料的流動性,使碾壓成型更容易;二是在混合料拌和過程中,水與水泥發生水化反應放熱加速乳化瀝青破乳,使其更好地裹覆在集料表面。因此試驗用水應當潔凈,不含油污、泥土等雜質,本試驗使用的水為去離子水,符合規范要求。根據正交試驗設計結果,筆者選用的最佳外摻水摻量為2.4%。

1.1.6 外摻料

(1)硅灰。硅灰是一種粒徑小、比表面積大的活性填料,其細度和比表面積約為水泥的80～100倍,具有良好的填充性和黏結性[13]。技術指標見表4。根據正交試驗設計結果,筆者選用的硅灰摻量為1.5%。

表4 硅灰技術指標Table 4 The technical index of silica ash

(2)微珠。微珠是一種全球狀、連續粒徑分布、實心、超細的粉煤灰,可以改善混合料施工和易性,便于碾壓成型,同時微珠中含有活性物質可以促進乳化瀝青破乳,其化學成分見表5。根據正交試驗設計結果,當微珠摻量為0.5%時,混合料劈裂強度較小,空隙率也較小;當微珠摻量為1.5%時,混合料劈裂強度較大,空隙率增大,因此筆者考慮兩種摻量分別進行路用性能試驗。

表5 微珠化學成分組成Table 5 The chemical composition of micro-beads

(3)減水劑。由于硅灰黏結性較好,摻入混合料則會降低施工和易性,不易碾壓密實,在乳化瀝青CA砂漿中經常使用減水劑作為潤滑材料[14-16]。試驗采用的減水劑為聚羧酸類高效減水劑,減水效果可達到30%,由于工業原料成分較雜,為了便于分析化學成分作用機理,筆者選用分析純類減水劑,其技術指標見表6。根據正交試驗設計結果,筆者選用的減水劑摻量為0.5%。

表6 減水劑技術指標Table 6 The technical indicators of water-reducing agent

1.2 級配設計

乳化瀝青冷再生混合料的級配類型采用中粒式,配合比設計過程首先按照級配要求進行RAP和水泥、新集料和水泥的配合比設計。按照合成新舊集料3∶7的比例得到最終級配,其級配曲線見圖1。根據《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG T5521—2019)規定,通過空隙率、15 ℃劈裂強度、干濕劈裂強度比等確定最佳乳化瀝青用量為3.5%。

2 路用性能試驗研究

2.1 試驗設計

根據以往試驗成果,筆者選取以下五組摻配方案進行路用性能對比試驗,研究外摻料對冷再生混合料路用性能的影響,具體摻配方案見表7。采用旋轉壓實儀成型試件,試件高為63.5 mm,直徑為100 mm,試件脫模后放入烘箱中鼓風養生,養生溫度為60 ℃,養生時間為48 h。

表7 路用性能試驗對比方案Table 7 The comparison of road performance test

表7中,第一組為無外摻料的對比組;第二組為單摻硅灰的對比組,探究單摻硅灰與多種外摻料對混合料路用性能的影響;第三組為空隙率作為指標得到的最優復配方案;第四組為15 ℃劈裂強度以及浸水劈裂強度得到的最優復配方案;第五組為僅摻硅灰的對比組,探究硅灰與水泥對混合料路用性能的影響。

2.2 空隙率

本研究采用CoreLok真空密度測定儀測得冷再生混合料空隙率,試驗結果如圖2所示。

圖2 冷再生混合料空隙率Fig.2 The air voids of cold recycled mixture

由圖2可知,摻加外摻料的乳化瀝青冷再生混合料空隙率均有不同程度的減小,最小可達到7.9%,其原因是硅灰粒徑較小,具有良好的填充性,在拌和碾壓過程中能夠填充混合料內部的微小空隙;微珠為球狀物體,在拌和碾壓過程中能夠改善混合料的施工和易性,便于混合料碾壓密實;減水劑的主要作用是減少外摻水量的同時能夠改善混合料的施工和易性,便于混合料碾壓密實,三種外摻料均可有效降低混合料的空隙率。

2.3 高溫穩定性

瀝青混合料的高溫穩定性是指瀝青路面在夏季高溫條件下,能夠抵抗車輛荷載反復作用并且不會產生推移、車轍、擁包等路面病害的特性。為了研究硅灰、微珠以及減水劑對乳化瀝青冷再生混合料高溫穩定性的影響效果,將成型試件和壓頭放置在60 ℃烘箱中養生5～6 h,再采用萬能試驗機進行高溫貫入試驗,以貫入強度作為評價指標對混合料高溫穩定性展開研究,試驗結果如圖3所示。

圖3 高溫貫入試驗結果Fig.3 The test result of high temperature penetration

由圖3可知,外摻料的加入均不同程度改善了混合料的高溫穩定性,單摻硅灰、空隙率指標確定的最優方案以及劈裂強度確定的最優方案的混合料高溫貫入強度分別提升了193%、234%、253%。硅灰具有良好的黏附性,能夠與水泥瀝青膠漿相互交織增加集料間的黏聚力,有效地降低了混合料的溫度敏感性,提升了混合料的高溫穩定性。微珠和減水劑能夠改善混合料的施工和易性,混合料更容易碾壓密實,另外微珠中具有一定的活性物質,在拌和碾壓過程中部分微珠破碎成粒徑更小的顆粒易于促進水泥水化反應。雖然硅灰具有良好的黏聚性,但硅灰無法像水泥一樣發生水化反應,因此僅摻加硅灰效果不佳。

2.4 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性是指瀝青路面在冬季低溫的條件下,混合料抵抗低溫產生收縮裂縫的性能。為了研究外摻料對乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性的影響效果,將成型試件放置在-10 ℃的環境箱中養生6 h,再采用萬能試驗機進行劈裂試驗,以劈裂強度作為評價指標對混合料低溫抗裂性展開研究,試驗結果如圖4所示。

圖4 低溫劈裂試驗結果Fig.4 The test result of low temperature split

由圖4可知,外摻料的加入均不同程度改善了混合料的低溫抗裂性,單摻硅灰、空隙率指標確定的最優方案以及劈裂強度確定的最優方案的混合料低溫劈裂強度分別提升了19%、54%、62%。硅灰、微珠與水泥瀝青膠漿相互交織形成瀝青復合膠漿,混合料瀝青膠漿增多干縮加劇,因此單摻硅灰以及摻加大量的微珠對混合料低溫抗裂性能改善效果不太顯著。摻入少量微珠以及減水劑改善了混合料的施工和易性,混合料內部干縮影響降低,對混合料低溫劈裂強度改善效果較好。硅灰和水泥均可與瀝青形成瀝青復合膠漿,兩者效果類似且摻量一樣,形成的瀝青膠漿數量相差不大,因此兩組數據低溫劈裂強度相差不大。

2.5 水穩定性

瀝青路面的水穩定性是指瀝青路面受到水壓和滲水的作用時,瀝青路面抵抗水的影響不產生松散、剝落、坑槽等病害的能力。乳化瀝青冷再生混合料空隙率偏大,抗水損害能力嚴重不足,因此必須對乳化瀝青冷再生混合料抗水損害能力進行研究。筆者選用凍融劈裂試驗進行混合料抗水損害能力研究,以凍融劈裂強度比作為評價指標,試驗結果如圖5所示。

圖5 凍融劈裂強度比Fig.5 The freeze-thaw splitting strength ratio

由于僅摻入硅灰的第五組成型試件在60 ℃解凍過程中破碎,因此不對其進行分析。由圖5可知,混合料的凍融劈裂強度比均大于75%,滿足規范要求。外摻料的加入均不同程度改善了混合料的抗水損害能力。隨著空隙率的減小,混合料的凍融劈裂強度比逐漸增大。硅灰粒徑極小,其細度約為水泥的80～100倍,具有良好的填充性,能夠黏附于水泥水化產物填充水化產物內部微小空隙。微珠和減水劑能夠改善混合料的施工和易性,提高混合料密實度,降低混合料的空隙率,但微珠粒徑較大,隨著摻量增多,對混合料施工和易性影響不大,反而造成混合料空隙率增大,凍融劈裂強度比降低。

3 瀝青膠漿微觀形貌

外摻料的加入能與乳化瀝青膠漿相互交織形成新的乳化瀝青膠漿,從而大大提高瀝青膠漿的黏附性,增大了集料間的黏聚力,改善了混合料的性能。為探究外摻料對混合料強度形成的機理,筆者采用掃描電鏡對瀝青膠漿進行觀察,探究外摻料的作用機理,瀝青膠漿微觀形貌圖見圖6所示。

圖6 瀝青膠漿微觀形貌Fig.6 The micro morphology of asphalt mortar

由圖6(a)可知,水泥水化反應產物與乳化瀝青相互交織形成空間網狀結構,對乳化瀝青冷再生混合料起到了加筋作用,但由于養生過程中水分的蒸發,瀝青膠漿中形成了大量的微小空隙,導致混合料性能不佳。由圖6(b)～(e)可知,硅灰與乳化瀝青相互作用形成空間骨架結構的瀝青膠漿,改善了混合料的力學性能,降低了混合料的空隙率,摻入硅灰不僅可以改善瀝青膠漿的空間結構,形成良好的空間骨架結構,還能填充水泥水化產物形成的微小空隙,降低混合料空隙率。但隨著硅灰的加入,混合料內部瀝青膠漿增多,干縮加劇,混合料低溫抗裂性能不佳,而僅摻硅灰時,瀝青膠漿形成的空間骨架結構較為單薄,難以承受溫度荷載變化引起的溫度應力導致瀝青膠漿斷裂,因此在凍融循環過程中混合料破碎。由圖6(c)和圖6(d)可知,微珠和減水劑的加入改善了混合料的施工和易性,混合料內部干縮影響減弱,路用性能得到較大的改善,隨著微珠摻量增多,瀝青復合膠漿骨架空間結構之間聯系更加緊密,混合料力學性能增強,但空隙率也增大。

4 結 論

(1)外摻料的加入改善了混合料的路用性能,降低了混合料的空隙率。其中高溫貫入強度最高可達1.132 MPa,提升了253%;低溫劈裂強度最高可達1.2 MPa,提升了62%;空隙率最低為7.9%,降低了21.7%;凍融劈裂強度比可達86.3%,提升了10.1%。

(2)硅灰和微珠的加入能參與水泥水化反應生成C-S-H凝膠,提升水泥水化反應程度,改善混合料的性能,通過掃描電鏡觀測不同摻配方案下的瀝青膠漿微觀形貌,乳化瀝青形的瀝青膠漿由強度不足的空間網狀結構變成了強度更高的空間骨架結構。

(3)綜合考慮混合料性能及經濟因素,推薦最優復配方案為m(水泥)∶m(外摻水)∶m(硅灰)∶m(微珠)∶m(減水劑)=1.5%∶2.4%∶1.5%∶0.5%∶0.5%。