乳化沥青厂拌冷再生基层配合比设计方法研究

文章依托京台高速蚌埠至合肥段改善工程,充分利用原有路面沥青铣刨料,对乳化沥青冷再生基层配合比设计方法进行研究。采用旋转压实仪代替常规马歇尔击实仪进行设计,从合成级配设计、乳化沥青配伍性试拌、最佳液体含量试验、最佳乳化沥青掺量试验得出的初步配合比,再进行空隙率、40℃马歇尔稳定度、15℃劈裂强度、40℃浸水马歇尔稳定度比、25℃冻融劈裂强度比和60℃动稳定度试验验证,结果表明,在该配合比下的乳化沥青冷再生混合料能够完全满足基层的使用性能要求。     

结合工程实例就乳化沥青厂拌冷再生配合比设计探讨

冷再生配合比设计一直处于模糊的摸索阶段,对工程现场铣刨RAP材料进行了冷再生配合比设计,既利用土工基层配合比设计中最大干密度和最佳含水量的理念,也充分结合热沥青混合料的配合比设计中马歇尔空隙率、稳定度、劈裂强度等理念,确定了厂拌乳化沥青冷再生配合比。即RAP料占87%,石屑(0～5mm)占13%,水泥掺量为1.5%,最佳含水率7%,最佳沥青用量为2.5%。     

冻融循环作用下泡沫和乳化沥青冷再生混合料损伤特性与细观机理

为了揭示冻融循环作用下泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料的疲劳损伤规律,设计了冻融循环试验方案,基于劈裂强试验、无侧限抗压强度试验、贯入剪切试验研究冻融循环作用对泡沫/乳化沥青冷再生混合料力学性能的劣化影响,以工业CT无损检测技术为研究平台,研究冻融循环作用对泡沫/乳化沥青冷再生混合料微细观空隙级配、空隙直径的影响规律。结果表明,冻融循环作用显著降低了泡沫/乳化沥青冷再生混合料的力学性能,总体上,泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料表现出了基本相同的力学性能,乳化沥青比泡沫沥青冷再生混合料有更好的抗损害性能。随着冻融循环次数增加,泡沫/乳化沥青冷再生混合料的平均空隙直径和最大空隙直径增大,大空隙数目增加,小空隙比例和空隙数目减小,随着平均空隙直径增大,泡沫/乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、贯入剪切强度均呈指数函数关系减小。冻融循环作用下,泡沫/乳化沥青冷再生混合料内部微空隙数目减少、平均空隙直径增大是其力学性能衰减的主要原因之一。     

不同成型方式乳化沥青冷再生混合料力学特性研究

为深入探讨不同成型方式对乳化沥青冷再生混合料力学特性的影响,通过制备马歇尔试件、圆柱体试件,研究了垂直振动法和传统方法对冷再生混合料力学特性的影响,并应用Weibull分布建立疲劳方程。结果表明:与传统方法设计的冷再生混合料相比,垂直振动法最佳含水率降低10%,乳化沥青最佳用量降低10%,最大干密度提高1.021倍;与马歇尔试件相比,垂直振动圆柱体试件马歇尔稳定度M_S、25℃劈裂强度、冻融劈裂强度分别提高40%,32%及57%;通过疲劳方程的截距a和斜率b可看出,垂直振动法试件在高应力下抗疲劳性能和对应力变化的敏感性优于马歇尔法试件,即垂直振动法a值大于马歇尔法,b值小于马歇尔法。     

乳化沥青冷再生沥青混合料的研究

采用CAVF法进行冷再生混合料级配设计,采用普通乳化沥青、SBR改性乳化沥青和自行研制的乳化SBS改性沥青对广深高速公路旧路面回收料(RAP)进行了冷再生室内对比试验研究,试验结果表明乳化SBS改性沥青冷再生混合料性能优于其它两种类型乳化沥青冷再生混合料.同时,在旧料评价过程中,提出了细度模数比这一新的量化评价指标以评价旧料的结团状况.研究表明,细度模数比与旧料和再生混合料性能指标密切相关,对于旧料质量控制和再生混合料配合比设计具有较大的工程意义.     

纤维对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响

采用与施工现场压实效果相关性更好的垂直振动试验方法,研究了纤维掺量以及纤维类型对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响.结果表明:随着纤维掺量的增加,冷再生混合料动稳定度、弯拉应变、冻融劈裂强度等各项路用性能指标均先增大后减小.此外,与不掺加纤维冷再生混合料相比,试验选用的4种纤维对混合料水稳定性影响效果总体上均不明显;掺加木质素纤维的冷再生混合料高温稳定性能最好,动稳定度可提高79%,其最佳掺量为0.4%;掺加聚酯纤维的冷再生混合料低温抗裂性能最好,弯拉应变可提高19%,其最佳掺量为0.6%.     

在役乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能

通过应力控制下的劈裂疲劳试验,分析了现场服役多年的乳化沥青冷再生混合料及室内新成型的乳化沥青冷再生混合料劲度模量衰减特征以及2类混合料疲劳破坏阶段的黏弹性特征;结合损伤分析,提出了在役冷再生沥青混合料和新成型冷再生混合料疲劳破坏准则;对比了不同车道的在役冷再生混合料和新成型冷再生混合料的疲劳寿命,结果表明,现场实际轴载作用次数的增加会导致冷再生混合料剩余疲劳寿命的降低,冷再生混合料在使用中存在疲劳性能增长过程.     

水泥掺量对乳化沥青冷再生水泥稳定材料性能的影响

为实现废旧水泥稳定基层材料的高效再生利用,在确定乳化沥青冷再生水泥稳定材料最佳配合比的基础上,研究了不同水泥掺量对乳化沥青冷再生水泥稳定材料力学及路用性能的影响规律,从而比选确定最佳水泥掺量,最后利用扫描电子显微镜观察了乳化沥青冷再生水泥稳定材料的微观形貌,对其强度形成机理进行了分析。结果表明：本文中最佳水泥掺量为1.5%,对应的最佳乳化沥青掺量为4.5%,最佳含水率为5.69%,此时劈裂强度为0.6 MPa,抗压强度为3.58 MPa,抗压回弹模量约为1032 MPa,劈裂强度为0.51 MPa。在添加水泥以后,水泥的水化产物与乳化沥青结合形成网状结构加强了集料之间的粘结强度,进一步提升了冷再生混合料的抗压强度、劈裂强度和高、低温性能。     

基于抗裂性和早期强度的冷再生混合料配合比设计

为提高冷再生混合料路用性能,利用贝雷法对冷再生混合料进行了级配优化,并根据平衡设计思想,基于基层抗裂性及早期强度进行最佳沥青用量和最佳含水量的确定。结果表明,乳化沥青冷再生混合料的抗裂性标准为荷载损失率的85%,二次热压实的冷再生混合料早期强度试验标准为60℃条件下养生4h的混合料试件的无侧限抗压强度;得到同时考虑基层抗裂性和早期强度两种性能的最佳沥青用量和最佳含水量分别为3.8%及2.8%,优化后的最佳沥青用量和最佳含水量均小于传统配合比设计方法确定的用量,且路用性能优于传统配合比设计方法,力学强度提升了79%,水稳定性提升了8%,高温稳定性提升了61%。可见考虑基层抗裂性和早期强度的冷再生混合料配合比设计方法对冷再生混合料路用性能具有一定的提升作用。     

基于正交试验-贝雷法的冷再生混合料配合比设计优化及性能评价

针对铣刨料抽提前后级配差异性,基于修正马歇尔法配合比设计,提出正交试验-贝雷法的冷再生料配合比优化方法;通过ABAQUS建立路面温度场分析冷再生层的工作温度;采用半圆弯曲、低温弯曲试验对不同水泥掺量、不同级配的冷再生混合料低温性能进行研究;从能量角度分析断裂能与应变能密度指标与现行规范指标的相关性及对不同水泥掺量、级配的敏感性,提出再生混合料低温性能评价指标;通过冻融劈裂及40℃和60℃轮辙试验分析了混合料的水稳定性及高温稳定性.结果表明:采用正交试验-贝雷法对配合比优化后干、湿劈裂强度分别提高了34.5％、30.3％;通过温度场分析,确定再生层工作温度范围为-20～40℃;配合比优化后混合料低温性能、水稳定性及高温稳定性分别提高8.6％、7％、20％～30％;分别确定了冷再生混合料低温性能、水稳定性及高温性能评价指标为低温应变能密度、冻融劈裂强度比及40℃动稳定度,并确定了对应指标值.因此,通过配合比优化可以较大程度地提升冷再生混合料的性能,以应变能密度及40℃动稳定度能够更准确评价冷再生混合料的路用性能.     

用水泥路面碎石化后回收粒料再生的冷拌沥青混合料的性能

采用乳化沥青作为结合料,将回收水泥路面碎石化后破碎的粒料再生成冷拌沥青混合料。首先,通过马歇尔稳定度试验和劈裂强度试验确定再生混合料的最佳乳化沥青用量;然后,分别通过车辙试验和冻融劈裂试验评价了再生混合料的高温稳定性和水稳定性。结果表明,用回收水泥路面碎石化后破碎的粒料再生成的冷拌沥青混合料具有较高的力学强度,优良的高温性能和水稳定性,满足JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》要求。     

不同马歇尔击实方法乳化沥青冷再生混合料细微观结构性能研究

采用工业CT无损检测技术(X-ray CT)和数字图像处理技术研究“30+45”、“40+35”、“50+25”、“60+15”、“75+0”五种马歇尔击实方法下乳化沥青冷再生混合料试件的内部的粗颗粒的颗粒主轴取向角和空隙特征分布特征,并通过统计分析提出数学模型对其进行表征。结果表明：马歇尔击实方式下乳化沥青冷再生混合料粗集料取向角基本符合洛伦兹分布,第二遍击实次数越多,粗集料取向角减小幅度越大,增大二次击实功虽然可改善乳化沥青冷再生混合料的颗粒分布结构,但远没有增大第一次击实功效果明显;“50+25”、“60+15法”空级配中大孔百分比明显减小,而小孔百分比显著增大,随着第二遍击实次数的减小,乳化沥青冷再生混合料平均孔径呈先减小后增大的变化趋势,马歇尔试件平均孔径与劈裂强度之间具有良好的线性拟合关系。二次击实可减小乳化沥青冷再生混合料内部的大孔,改善粗集料的骨架承载结构,综合考虑击实方法对乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、粗颗粒存在形态以及细微观空隙分布特征的影响,推荐采用“50+25法”成型马歇尔试件。     

全深式乳化沥青冷再生混合料的性能研究

采用水泥和乳化沥青固化回收旧沥青路面材料（RAP）和稳定土,制备全深式冷再生基层材料。研究了乳化沥青掺量的变化对不同配比混合料的无侧限抗压强度和水稳定性的影响,并结合微观测试阐述了水泥和乳化沥青在冷再生混合料中的作用机理。结果表明,适量的乳化沥青掺量对混合料的性能提高有益,最佳乳化沥青掺量为3%。微观分析表明,水泥水化产物形成的空间网络结构与沥青乳液破乳后形成的沥青网络结构相互贯穿,不可分割,把冷再生混合料紧密地结合为一个半刚性的整体,使冷再生混合料强度得以形成和发展。     

玄武岩纤维与高模量外掺剂复合增强沥青混合料性能

为优化玄武岩纤维高模量沥青混合料的配比,改善其路用性能,采用响应曲面法对玄武岩纤维高模量沥青混合料的配合比进行优化设计,利用马歇尔试验、浸水汉堡车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验对优化后的玄武岩纤维高模量沥青混合料性能进行分析,并通过扫描电镜（SEM）对沥青混合料破坏断面的微观形貌进行试验观测,尝试揭示玄武岩纤维与高模量外掺剂的复合增强机理。研究表明：利用响应曲面法得到玄武岩纤维高模量沥青混合料的最佳配比为0.44%高模量剂、0.45%玄武岩纤维和最佳油石比为4.98%;在最佳配比状态下进行路用性能试验得知混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性均有较大提升;利用扫描电镜观察到玄武岩纤维在高模量剂作用下能起到较好的加筋及分散应力的作用,且最佳配合比状态下的玄武岩纤维在高模量沥青混合料中分布较为均匀。     

泡沫沥青二次冷再生混合料不同稳定剂的应用

分别采用泡沫沥青与水泥作为稳定剂对泡沫沥青冷再生路面进行二次冷再生试验研究.研究表明,以泡沫沥青作稳定剂进行二次冷再生混合料设计形成的泡沫沥青二次冷再生混合料,其抗拉性能、水稳性能与二次冷再生混合料中细料含量有关;高温稳定性能与铣刨料用量、铣刨料中沥青老化程度以及二次冷再生混合料中细料含量有关.以水泥作稳定剂进行二次冷再生混合料设计,采用7d无侧限抗压强度能够很好地确定新添加骨料比例,适量的新添加骨料能明显增大二次冷再生混合料的7d无侧限抗压强度.根据室内研究成果,对试验路段进行辅筑,证明两种二次冷再生技术可行,辅筑路段路用性能良好.     

布敦岩沥青混合料路用性能的试验研究

为评价布敦岩沥青对基质沥青混合料的改性效果,采用A-70沥青作为基质沥青,对不同掺量布敦岩沥青混合料的路用性能进行了试验研究.结果表明:布敦岩沥青混合料的马歇尔稳定度、劈裂抗拉强度和水稳定性明显优于基质沥青混合料和SBS改性沥青混合料;其动稳定度远远高于基质沥青混合料,接近于SBS改性沥青混合料;布敦岩沥青能有效改善混合料的低温性能,但当布敦岩沥青掺量从20％增加到25％时,混合料的低温性能有所降低,因此工程应用中的布敦岩沥青掺量不宜超过25％.     

乳化沥青配方对冷再生混合料路用性能的影响

为提高乳化沥青冷再生混合料的和易性及早期强度,结合实际工程,对乳化沥青配方进行专项设计。并用现有的规范方法验证了设计配方的乳化沥青冷再生混合料的路用性能。结果表明,所设计的乳化沥青配方能够有效提高混合料和易性与早期强度。实体工程的成功应用充分说明了设计乳化沥青配方对提高冷再生混合料路用性能的重要性。     

基于离散元的蓄盐沥青混合料低温劈裂试验分析

为了对比探究蓄盐沥青混合料低温劈裂下的细观特性，在室内劈裂试验的基础上，基于离散元随机生成算法，按照室内试验相应的级配比例和试验参数，分别构建了蓄盐沥青混合料和普通沥青混合料数学模型，并进行了数值模拟试验。通过改变粗集料形态、摩擦系数以及试件空隙率时，在细观层面对其劈裂强度、裂纹类型及数量等方面又进行了对比分析。实验表明:普通沥青混合料的劈裂强度明显高于蓄盐沥青混合料，且裂纹数目相对较少；当粗集料形态在中值时，可以获得较大的劈裂强度值，此时，其摩擦系数对混合料的劈裂强度影响不大，而且，随着空隙率的减小，劈裂强度还会有所提高。宏观和细观试验研究认为:添加蓄盐材料后对混合料的低温抗裂性能会有一定劣化影响；沥青混合料的空隙率与劈裂强度为负相关，而集料的摩擦系数对劈裂强度没有显著影响。当沥青混合料中集料的形态和空隙率适当时，可以获得较好的低温性能。研究成果对于融雪路面的推广和应用具有实际意义。