养生温度对泡沫沥青冷再生混合料路用性能影响的研究

2018-11-20 15:39:46 中城华宇
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摘要:为了探究养生温度对泡沫沥青冷再生混合料路用性能的影响,研究了10、25、40、60、80℃共5种不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料的力学性能、低温性能和抗疲劳性能。试验结果表明:提高养生温度后泡沫沥青冷再生混合料力学强度、低温抗裂性能和抗疲劳性能显著提高;建议泡沫沥青冷再生混合料设计与施工细则在配合比设计阶段采用40℃养生,并揭示了室内混合料设计试件养生温度应当与现场施工气温一致的重要性及必要性。

 

关键词:道路工程;泡沫沥青冷再生混合料;养生温度;路用性能

 

前言

 

泡沫沥青冷再生混合料是由水泥水化产物、水、回收沥青路面材料、新集料、泡沫沥青结合料等组成的多相热力学不相容“悬浮多微空隙”结构,与热拌沥青混凝土不同,泡沫沥青冷再生混合料摊铺碾压成型后仍需养生3~7d,养生期间水泥水化产物生长,浸润在集料表面的水膜受热迁移后,泡沫沥青与集料界面黏附强度及泡沫沥青砂浆内部黏结强度逐渐形成,不同养生温度导致水泥水化速率与水化效率、水分迁移速率与迁移路径、泡沫沥青分布性状等势必会有一定差异,对此不少学者提出了不同的观点与建议。沥青路面再生技术规范配合比设计时采用室温养生24h、40℃半封闭养生48h。考虑到60℃养生可能导致沥青老化,南非《泡沫沥青或乳化沥青稳定类再生混合料设计与施工规范》基于剪切性能的三阶段配合比设计方法提出采用25℃+40℃封闭养生72h室内模拟泡沫沥青冷再生混合料的中长期性能。目前《公路沥青路面再生技术规范》确定泡沫沥青冷再生混合料室内加速养生温度主要依据为工程经验和参考维特根及公路运输管理局的沥青路面再生技术规范。工程实践证明:摊铺完成后泡沫沥青冷再生混合料在炎热夏季取出完整芯样的时间要比温度偏低的春、秋季节或下雨天气取芯时间短,而且早期强度高、成型效果好,但这种认识仅停留在经验层面,较少有文献揭示养生温度对泡沫沥青冷再生混合料强度的影响规律及对混合料其他路用性能的影响。

 

室内配合比设计应最大限度模拟施工现场的真实情况,选择合理的混合料试件养生温度对提高室内设计与现场施工的一致性具有重要意义。目前有关养生温度对泡沫沥青冷再生混合料的影响研究还不够深入,关于养生温度对泡沫沥青冷再生混合料低温性能和抗疲劳性能的影响研究缺乏系统性。仅研究了养生温度对泡沫沥青冷再生混合料力学性能的影响,尤其缺乏养生温度对泡沫沥青冷再生混合料低温性能、抗疲劳特性的影响。室内养生温度应最大限度与施工现场的实际情况相匹配,室内加速养生温度是修正新版沥青路面再生技术规范时需重点考虑的问题之一。据此,该文基于室内宏观路用性能、疲劳性能试验,系统研究了不同养生温度对泡沫沥青冷再生混合料强度特性、抗疲劳特性的影响,为确定泡沫沥青冷再生混合料合理的室内加速养生温度提供理论依据。

 

泡沫沥青冷再生混合料配合比设计及室内加速养生方案

 

原材料性能及配合比设计

 

试验研究采用陕西某高速公路下面层沥青混凝土路面铣刨料,RAP由冷铣刨法获取,RAP以“黑色集料”对待。采用A级AH-90#盘锦基质沥青,按照泡沫沥青发泡性能试验确定AH-90#基质沥青最佳发泡温度为160℃,最佳发泡用水量为2%,最佳发泡条件对应的泡沫沥青膨胀率为17倍、半衰期为22s,满足《公路沥青路面再生技术规范》要求。选用P.O.32.5级普通硅酸盐水泥,采用西安地区自来水。根据料厂供应情况和RAP筛分试验结果,确定掺加10~20mm石灰岩碎石和0~5mm机制砂使合成级配满足中粒式泡沫沥青冷再生混合料工程级配范围要求。根据《公路沥青路面再生技术规范》和国内外大量工程实践要求,用于泡沫沥青冷再生混合料的水泥剂量通常为1%~2%,研究选用水泥掺量为1.5%,水泥不参与合成级配。采用《公路土工试验规程》重型击实试验确定泡沫沥青冷再生最大干密度对应的拌和用水量为6.7%,根据文献研究成果和室内拌和试验,确定以重型击实含水率的80%作为最佳拌和用水量较为合适,最佳拌和用水量取5.4%,采用“修正马歇尔法”进行泡沫沥青冷再生混合料配合比设计,确定最佳泡沫沥青用量为3.2%。

 

室内加速养生方案

 

目前国内外常用的泡沫沥青冷再生混合料室内加速养生温度有25、40、60℃,《公路沥青路面再生技术规范》要求泡沫沥青混合料施工温度不宜小于10℃,考虑到施工现场在不同季节或一天当中早晚气温变化相差较大,研究选用10、25、40、60、80℃(此温度为乳化沥青混合料常用养生温度)。在最佳泡沫沥青用量和最佳拌和用水量下成型试件(试验研究中采用马歇尔、成型双层车辙板后切割梁式试件、静压法成型圆柱体试件),不脱膜室内放置12h后将试件置于不同养生温度环境箱内,为了避免养生时间对试验结果的影响,25℃养生温度下,试件在鼓风环境中放置6d;40℃养生温度下,试件在鼓风环境箱中放置3d,然后室温放置3d;60℃养生温度下,试件在环境箱中放置2d,接着室温放置4d;80℃养生温度下,试件在环境箱中放置1.5d,取出后室温放置4.5d;总养生时间均为6d,5种养生温度养生完成后泡沫沥青冷再生混合料含水率小于0.5%,所有试件均在7d内完成试验。

 

不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料力学特性

 

不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料力学性能试验方法及结果

 

采用无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验,并通过莫尔圆计算得出黏聚力与内摩擦角,综合评价养生温度对泡沫沥青冷再生混合料力学性能的影响。无侧限抗压强度试验采用直径×高=100mm×100mm的圆柱体试件,试验温度采用20℃,试验方法参照《公路土工合成材料试验规程》进行。劈裂强度试验采用标准马歇尔试件,试验温度采用15℃,试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0715-2011进行。

 

不同养生温度泡沫沥青冷再生混合料力学性能试验结果分析

 

(1)试验结果表明:①随着养生温度提高,泡沫沥青冷再生混合料无侧限抗压强度、黏聚力均呈增大趋势。内摩擦角随养生温度的升高略有提高,但总体影响不大,可见养生温度主要影响泡沫沥青混合料内部集料与泡沫沥青砂浆及泡沫沥青砂浆内部的黏结强度;②黏聚力、无侧限抗压强度随养生温度的升高呈现出缓慢增大和快速上升两阶段发展趋势,养生温度由10℃增大到40℃,无侧限抗压强度随养生温度提高处于缓慢增长阶段,相比10℃养生条件,25℃和40℃养生条件下无侧限抗压强度、黏聚力增大了15.5%、35.3%和22.1%、42.4%;养生温度由40℃升高到80℃,无侧限抗压强度随养生温度提高处于快速增长阶段,相比10℃养生条件,60℃和80℃养生条件下无侧限抗压强度、黏聚力增大了60.5%、70.5%和76.6%、109.4%;相比40℃养生条件,60℃和80℃养生条件下无侧限抗压强度分别增大了31.4%、44.6%,黏聚力分别增大了19.8%、47.1%,当养生温度达到60℃以后,泡沫沥青冷再生混合料无侧限抗压强度显著增大,对于现场施工,可将泡沫沥青冷再生混合料养生期安排在夏季温度较高时进行,尽量避免在低温条件下养生。

 

(2)试验结果表明:①与无侧限抗压强度试验结果相类似,不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料干、湿劈裂强度及干湿劈裂强度比相差较大,干、湿劈裂强度随养生温度升高呈现出先缓慢增大后快速上升两种变化趋势,40℃是两种变化趋势的分水岭,相比10℃养生条件,25、40、60、80℃养生温度下泡沫沥青冷再生混合料干、湿劈裂强度分别增大了34%、42.5%、82.9%、100%和44.7%、60.5%、110.5%、131.5%;②劈裂强度是确定最佳泡沫沥青用量及计算路面结构弯拉强度和层底拉应力检验的重要力学参数,养生温度越高,室内配合比设计强度在施工现场越难达到,是偏于危险的,为确保室内设计与施工现场的一致性,需合理控制泡沫沥青冷再生混合料室内加速养生温度;③对比分析不同养生温度情况下泡沫沥青冷再生混合料劈裂试件破坏界面可以发现,相同泡沫沥青用量情况下,养生温度越高,泡沫沥青冷再生混合料劈裂试件破坏界面“点焊状”泡沫沥青分布点越密集,同时每个独立沥青“焊点”的面积也越大,对于养生温度较高的马歇尔试件,泡沫沥青冷再生破坏界面主要发生在泡沫沥青砂浆与集料接触面和泡沫砂浆内部接触界面,在10、25℃养生条件下马歇尔试件破坏界面主要发生在泡沫沥青砂浆与集料之间,可见养生温度影响到泡沫沥青在冷再生混合料内部的分散性状,导致低温养生条件下泡沫沥青冷再生混合料更易于产生界面黏附失效破坏。

 

不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料抗裂性能

 

不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料抗裂性能试验方法及结果

 

沥青路面的抗裂性能主要包括抵抗低温抗裂性能和抗疲劳开裂性能,随着沥青路面冷再生技术在季节性冰冻区和多年冻土区的推广,伴随着泡沫沥青冷再生混合料在路面结构中使用层位的不断上移,其低温抗裂性能和抗疲劳耐久性仍有待深入研究。采用《公路沥青路面再生技术规范》要求的低温弯曲试验评价泡沫沥青冷再生混合料的低温抗裂性能,评价指标为抗弯拉强度、弯曲应变及单位体积破坏应变能。借鉴前人研究成果,采用四点弯曲疲劳试验评价泡沫沥青冷再生混合料的抗疲劳性能。低温弯曲试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》试验方法进行,四分点加载控制应变疲劳试验参考试验方法进行,采用200、250、300、350με共4个应变水平,试验温度采用15℃,定义劲度模量下降到初始劲度模量的50%时的加载次数为疲劳寿命。

 

不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料抗裂性能试验结果分析

  

 

(1)低温弯曲试验结果表明:①泡沫沥青冷再生混合料抗弯拉强度约为普通热拌沥青混合料的1/2,弯曲应变不足2 000με,这主要是泡沫沥青与集料的冷-冷接触界面强度远小于热拌沥青混合料热-热接触界面;另一方面,从小梁试件破坏界面来看,破坏界面处泡沫沥青砂浆内部有大量类似“蜂窝状”空隙存在,且部分小梁试件破坏界面未出现在加载处,分析原因主要是泡沫沥青冷再生混合料空隙率大,且微孔数量多,低温条件下加载沥青发脆,因空隙存在更易于产生应力集中所致,采用低温弯曲试验评价泡沫沥青冷再生混合料的合理性仍有待商榷;②随着养生温度升高,泡沫沥青冷再生混合料弯曲应变、抗弯拉强度均呈线性关系增大,线性拟合相关系数R2大于0.95,在统计意义上养生温度对泡沫沥青冷再生混合料低温抗裂性能影响显著。单位体积破坏应变能揭示了泡沫沥青冷再生混合料阻碍裂缝发展需要克服的能量,是破坏强度和抗变形能力的综合评价指标,随着养生温度提高,泡沫沥青冷再生混合料单位体积破坏应变能呈现出缓慢增大和快速上升的两阶段发展趋势,40℃养生条件是两种发展阶段的分水岭,相比10℃养生温度,60℃和80℃养生条件下泡沫沥青冷再生混合料破坏应变能分别增大了35.6%、58.7%,相比40℃养生温度,60℃和80℃养生条件下泡沫沥青冷再生混合料破坏应变能分别增大了8.4%、26.9%,80℃养生温度在施工现场几乎不可能达到,室内加速养生温度越高室内设计与现场的一致性越差。

 

(2)四分点加载弯曲疲劳试验结果表明:①随着应变水平增大,泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命呈幂指函数关系降低,双对数拟合曲线下疲劳寿命对数随应变水平对数增大呈线性关系降低,拟合相关系数R2大于0.95;②各应变水平下,泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命随着养生温度提高而增大。200με条件下,25、40、60、80℃养生条件下泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命分别是10℃养生条件下的1.266、1.389、1.534、1.666倍,350με条件下,25、40、60、80℃养生条件下泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命分别是10℃养生条件下的1.179、1.492、1.720、2.038倍,可见提高养生温度有利于提高泡沫沥青冷再生混合料在高、低应变水平下的疲劳寿命。此外,随着养生温度提高,泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命与应变水平双对数拟合曲线斜率减小而拟合曲线横向截距增大,表明提高养生温度有助于提高泡沫沥青冷再生混合料的疲劳寿命,同时降低疲劳寿命对应变水平的敏感性。

 

结论

 

通过对泡沫沥青冷再生混合料在10、25、40、60、80℃养生温度下的力学性能、低温性能和抗疲劳性能试验,得到以下结论:

 

(1)随着养生温度升高,泡沫沥青冷再生混合料无侧限抗压强度、黏聚力均呈增大趋势,黏聚力、无侧限抗压强度随养生温度增加呈现出缓慢增大和快速上升两阶段发展趋势。

 

(2)不同养生温度下泡沫沥青冷再生混合料干、湿劈裂强度及干湿劈裂强度比相差较大,干、湿劈裂强度随养生温度增加呈现出先缓慢增大后快速上升两种变化趋势,40℃是两种变化趋势的分水岭。

 

(3)随着养生温度提高,泡沫沥青冷再生混合料弯曲应变、抗弯拉强度均呈线性增大。

 

(4)各应变水平下,泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命随着养生温度提高而增大,综合试验结果,建议泡沫沥青冷再生混合料的养生温度定为40℃。