2023-04-21
 
乳化沥青冷再生混合料配合比及养生条件优化
2023年04月21日   阅读量:171209

摘 要

为优化乳化沥青冷再生混合料配合比及养生条件,依托川九路改建工程,对初定的配合比和养生方法,通过车辙、低温弯曲、飞散与冻融劈裂试验,分析高温稳定性、低温抗裂性及抗水损性能随乳化沥青用量变化的规律,从而验证最佳乳化沥青用量为3.5%。针对RAP掺量、水泥掺量、养生时间及养生温度,通过正交试验极差分析法,得到乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响因素主次顺序和最佳组合;通过正交试验方差分析法,得到各因素的影响显著性;综合各项路用性能的最佳组合,比选出最佳水泥掺量为3.0%,最佳养生温度为60℃,最佳RAP掺量为88%,最佳养生时间为48h。


关键词 乳化沥青冷再生混合料 | 配合比及养生条件优化 | 路用性能试验 | 正交试验方法


乳化沥青厂拌冷再生技术已逐渐被广泛应用于沥青路面的改建以及维修工程中沥青网sinoasphalt.com。关于乳化沥青冷再生混合料配合比的研究,境外以AI设计法为代表的设计方法是以设计经验为指导[1],而以AASHTO修正的马歇尔法为代表的设计方法是通过试验确定配合比[2]。国内有关研究采取了正交试验设计方法,综合考虑旧料掺量、水泥用量、乳化沥青用量以及用水量等影响因素,以劈裂强度、马歇尔强度、流值、抗压强度和孔隙率作为评价指标,得出较优的配合比方案[3]。关于乳化沥青冷再生混合料路用性能方面的研究,有关研究结果表明水泥的添加能提升混合料的高温稳定性、水稳定性和抗压强度,但使得低温抗开裂性能降低[4]。有关研究采用正交设计方法,通过冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验,表明水泥含量和用水量是水稳定性能的主要影响因素[5]。相关研究虽已取得长足进展,但鲜有研究以路用性能指标来检验和优化乳化沥青冷再生混合料的配合比设计和养生条件。我国《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521-2019)[6]仅要求检验冷再生混合料的高温稳定性和抗水损害性能。此外,乳化沥青冷再生混合料的路用性能敏感性和影响因素显著性也鲜有系统研究。乳化沥青冷再生混合料最终将摊铺于路面上,其配合比设计及研究应以路用性能指标为导向。因此,本文依托川九路改建工程,拟采用路用性能试验优化乳化沥青用量,并采用正交试验优化级配、水泥掺量及养生条件,从而优化配合比设计方法。


1依托工程概况

本文依托川九路改建工程进行研究。该工程位于四川省阿坝州的九寨沟县境内,属于高原寒温带-亚寒带季风气候区,主要气候特点为:冬季长夏季短,昼暖夜凉,昼夜温差大;夏无酷暑,冬无严寒,春秋温凉;气候垂直差异明显,干、雨季分明。其境内可分为暖温带、温带、寒温带及少量的高山寒带区,气温随海拔高度升高而降低;在一定高度以下,降水量随海拔高度升高而有所增加。


设计的路面结构从上往下依次为:4cm改性沥青AC-13C上面层;8cm厂拌冷再生AC-25C下面层;SBS改性沥青同步碎石封层;20cm水泥稳定碎石上基层;20cm水泥稳定碎石下基层;15cm级配碎石。


2初定配合比及养生条件

根据依托工程原材料筛分结果确定RAP(旧沥青路面回收料)掺量为88%,其中RAP10~20mm规格用量为36%,RAP5~10mm规格用量为11%,RAP0~5mm规格用量为41%,新料石灰岩10~20mm规格用量为10%,矿粉用量为2%。级配曲线见图1。

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采用重型击实试验,确定混合料最佳含水率为4.5%;依据工程经验初拟水泥用量为1.5%;根据公路沥青路面再生技术规范要求,室内成型马歇尔试件的击实次数组合为50次+25次,在60℃温度下养生48h[6]。


根据规范采用干湿劈裂试验确定最佳乳化沥青用量,试验结果见图2。初定最佳乳化沥青用量为3.5%。

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3优化乳化沥青用量

保持级配、最佳含水率不变,变化乳化沥青用量为2.9%、3.1%、3.3%、3.5%、3.7%,进行车辙、低温弯曲以及冻融劈裂试验,从高温稳定性、低温抗裂性和抗水损性能方面检验乳化沥青用量。


3.1高温稳定性检验


采用轮碾法成型尺寸300mm×300mm×50mm的车辙试件,每组乳化沥青用量成型3块平行试验车辙试件。成型后的车辙试件立即放入60℃鼓风烘箱养生48h。在车辙试验前试件保温8~10h。车辙试验结果见表1。

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结果表明:(1)随着乳化沥青用量的增加,乳化沥青冷再生混合料的动稳定度逐渐降低,说明乳化沥青含量的增加降低了乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性。由于乳化沥青用量的增加,使得混合料内部不同集料颗粒间的润滑作用增强,导致混合料内摩阻力减小,混合料的整体变形增大。因此,减少乳化沥青用量可以一定程度上提升冷再生混合料的高温稳定性。(2)每组乳化沥青用量试件的动稳定度较常规SMA混合料的动稳定度更大[7],表明初定配合比能满足高温稳定性要求。


3.2低温抗裂性检验


将车辙试件沿碾压成型方向切割出长(250±2)mm、宽(30±2)mm、高(35±2)mm的小梁,每组乳化沥青用量的小梁数目不少于6根。试验前将小梁放入(-10±0.5)℃低温箱中保温4h。以最大弯拉应变和弯曲应变能密度作为指标,表征其低温抗裂性能。其中弯曲应变能密度按式(1)计算:

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试验结果见表2。

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分析可知:(1)随着乳化沥青用量的增加,小梁破坏时的最大弯拉应变以及弯曲应变能密度均增加,说明乳化沥青用量的增加,增强了冷再生混合料的柔性,从而降低了混合料低温状态脆断程度,低温抗裂性能得以增强。(2)乳化沥青用量<3.5%时,最大弯拉应变小于规范2000με的要求[7],说明水泥的掺入,增加了混合料的脆性;乳化沥青用量≥3.5%时,低温性能较好,满足技术要求。(3)弯曲应变能密度的变异系数低于最大弯拉应变的变异系数,表明以弯曲应变能密度作为评价低温抗裂性能的指标则更加稳定。


3.3抗水损性能检验


3.3.1浸水飞散试验


成型标准马歇尔试件进行肯塔堡飞散试验,每组乳化沥青用量进行4次平行试验。试验过程中发现,乳化沥青冷再生混合料黏结性能较差,洛杉矶磨耗试验进行到300转时,试件大多粉碎,故只采用100转来计算飞散损失ΔS,试验结果见图3。

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图3表明:随着乳化沥青用量的增加,标准飞散与浸水飞散损失均先减小后增大,并在乳化沥青用量为3.5%时达到最小,说明3.5%的乳化沥青用量的黏结性能与水稳定性最佳。


3.3.2冻融劈裂试验


成型标准马歇尔试件进行冻融劈裂试验,每组乳化沥青用量进行4次平行试验,试验结果见图4。图4表明:随着乳化沥青用量的增加,未冻融劈裂强度、冻融劈裂强度以及冻融劈裂强度比TSR均先增大后减小并在乳化沥青用量为3.5%时达到峰值,同时冻融劈裂强度比TSR均符合规范中大于70%的要求[6],说明3.5%的乳化沥青用量满足抗冻融性能要求且最佳。


综合飞散试验和冻融劈裂试验可知,随着乳化沥青用量的增加,沥青胶浆与水泥的水化产物相互交织形成网状结构,乳化沥青与集料的裹附效果增强,使冷再生混合料抗水损性能增强;但乳化沥青用量过多会削弱集料间相互嵌挤的内摩阻力,从而降低抗水损性能。


由综合分析可知,乳化沥青用量为3.5%时,各项路用性能总体最佳。


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4优化级配、水泥掺量及养生条件


4.1正交试验方案设计


选取RAP掺量、水泥掺量、养生温度和养生时间4个因素,每个因素选取3个影响水平,具体见表3。编制4因素3水平正交试验方案,见表4。

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考虑到3种RAP掺量的级配不同,3种级配的各档集料配比用量及合成级配见表5与表6。

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4.2正交试验分析方法


4.2.1极差分析法


对于每个因素水平编号为i(本文i=1,2,3)的试验结果xi,通过式(2)计算试验指标和Ti:

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通过比较Ti的大小来判断每个因素的优水平,若试验指标越大越好,则最大值Ti对应的水平i为优水平;反之,若试验指标越小越好,则最小值Ti对应的水平i为优水平。


通过式(3)计算每个因素各水平的试验指标最大值与最小值之差,即极差R。

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比较各因素的极差,极差越大说明该因素对指标的影响程度越大,从而可确定影响因素的主次。


4.2.2方差分析法


针对本文确定的L9(34)正交表,采用方差分析法时,总偏差平方和与总自由度按式(4)计算:

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各列偏差平方和与自由度按式(5)计算:

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误差平方和与自由度按式(6)计算,

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另外,误差是由空列计算出来的,如果没有空列,通常将最小的偏差平方和作为误差平方和。一般地,若均方差MSj<2MSE,则将因素j的偏差平方和加入到误差的偏差平方和中,因素j的自由度也加到误差的自由度中,且因素j在方差分析表中用“*”标出[10]。


4.3正交试验结果分析


4.3.1高温稳定性检验


9组车辙正交试验动稳定度结果见表7。并进行极差分析和方差分析,结果见表8和表9。

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可知:(1)要使乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性最佳,则组合为RAP掺量80%、水泥掺量3%、养生时间72h、养生温度40℃;(2)水泥掺量为影响高温稳定性的主要因素,显著影响乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性能;(3)养生温度的影响最小,可视为误差。


4.3.2低温抗裂性检验


9组低温弯曲正交试验的最大弯拉应变εB与弯曲应变能密度dW/dV结果见表10。并进行极差分析和方差分析,结果见表11和表12。

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可知:(1)使最大弯拉应变最大的因素水平组合为RAP掺量88%、水泥掺量0%、养生时间48h、养生温度60℃,最大弯拉应变的主要影响因素为养生温度,RAP掺量和水泥掺量的影响很小、可视为误差;(2)使弯曲应变能密度最大的因素水平组合为RAP掺量88%、水泥掺量3.0%、养生时间48h、养生温度60℃,弯曲应变能密度的主要影响因素为水泥掺量,RAP掺量的影响很小、可视为误差;(3)RAP掺量、水泥掺量、养生时间、养生温度对最大弯拉应变和弯曲应变能的影响均不显著;(4)弯曲应变能密度的变异系数较最大弯拉应变更小,表明弯曲应变能密度指标稳定性更佳。


4.3.3抗水损性能检验


9组浸水飞散与冻融劈裂正交试验结果见表13。并进行极差分析和方差分析,结果见表14和表15。

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可知:(1)使浸水飞散损失最小的因素水平组合为RAP掺量88%、水泥掺量3.0%、养生时间72h、养生温度60℃,浸水飞散损失的主要影响因素是水泥掺量且影响高度显著,RAP掺量和养生时间影响很小、可视为误差;(2)使冻融劈裂强度比最大的因素水平组合为RAP掺量88%、水泥掺量3.0%、养生时间48h、养生温度40℃,冻融劈裂强度比的主要影响因素为水泥掺量且影响显著,养生温度的影响很小、可视为误差。

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4.4综合优化比选


将4.3节各项路用性能指标的最佳组合列于表16。每项指标影响性较小、可视为误差的因素水平用“*”标记,影响最大的因素水平用“★”标记。


通过综合比选可知:最佳水泥掺量为3.0%;最佳养生温度为60℃;最佳RAP掺量为88%;最佳养生时间为48h。


5结语


(1)随着乳化沥青用量的增加,乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性降低、低温抗裂性增强,减少乳化沥青用量可提升混合料的高温稳定性,增加乳化沥青用量可提升混合料的低温抗裂性;乳化沥青用量在3.5%时,高低温性能均合格。抗水损性能随乳化沥青含量增加先增加后减小,乳化沥青用量在3.5%时,抗水损性能最佳。


(2)针对RAP掺量、水泥掺量、养生时间和养生温度4个影响因素,乳化沥青冷再生混合料高温稳定性最佳组合为RAP掺量80%、水泥掺量3%、养生时间72h、养生温度40℃。水泥掺量显著影响高温稳定性能,养生温度的影响较小。


(3)对于低温抗裂性能,当选取最大弯拉应变作为评价指标时,最佳组合为RAP掺量88%、水泥掺量0%、养生时间48h、养生温度60℃,养生温度对该指标影响最大,水泥掺量和RAP掺量的影响较小;选取弯曲应变能密度作为评价指标时,最佳组合为RAP掺量88%、水泥掺量3.0%、养生时间48h、养生温度60℃,水泥掺量对该指标影响最大,RAP掺量的影响最小。并且,弯曲应变能密度相较最大弯拉应变,指标波动性更小。


(4)对于抗水损坏性能,采用浸水飞散损失为指标的最佳组合为RAP掺量88%、水泥掺量3.0%、养生时间72h、养生温度60℃,水泥掺量的影响高度显著,RAP掺量和养生时间影响很小;采用冻融劈裂强度比为指标的最佳组合为RAP掺量88%、水泥掺量3.0%、养生时间48h,养生温度40℃,水泥掺量影响显著,养生温度的影响最小。


(5)综合各项路用性能的最佳组合,比选出最佳的水泥掺量为3.0%、最佳养生温度为60℃、最佳RAP掺量为88%、最佳养生时间为48h。

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首发于《公路》2021年8月

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