不同乳化沥青对冷再生混合料性能影响因素研究

1、不同乳化沥青对冷再生混合料性能影响因素研究 钦兰成 江阴市荣成路桥材料技术开发有限公司（江阴214400）摘要 根据实际应用和拌合试验确定冷再生乳化沥青BC-1破乳固化时间,并对实际工程应用中混合料性能影响因素进行试验分析,验证了配合比设计及试验研究的方法,提出了慢裂快凝型乳化沥青不适合作冷再生工程应用的理由.关键词 乳化沥青 冷再生乳化沥青 冷再生混合料 性能应用1. 乳化沥青的应用乳化沥青的应用由来已久，人们把液态沥青（130150）、水、乳化剂，通过剪切、研磨的方法加工为常温沥青，使用既方便又经济。上世纪二十年代欧美一些国家就用来铺筑道路，我国最早在二十世纪70年代初期使用齐鲁石化胜利1

2、00号普通沥青，用混合剪切方式制备乳化沥青，用于洒布粘层油，面层抗槽修补等，并制定相关标准。“八五”期间我国引进了稀浆封层、微表处（microsurfacing）技术并在1990年沈阳召开推广稀浆封层经验会议，使乳化沥青得到普遍应用。 经过三十多的应用、研究，我们对乳化沥青的认识越来越深入，越来越全面，相关标准规范也越来越具体。从应用领域区分:洒布（粘层用）、透层油、碎石封层、稀浆封层、微表处、雾封层、同步碎石封层、超薄微表、冷拌冷补、冷再生、CA沙浆等。从这些实际工程中，我们知道有两类乳化沥青应用广泛：一种是阳离子，一种是阴离子的，一种为洒布型的，一种为拌合型的，洒布型用量较少，拌合型用量较

3、大。应用结果表明，除冷再生、CA砂浆外，所有乳化沥青均应用在道路预防性养护领域，而均属于道路的小修范畴。所解决的道路病害一般为：光滑、泛油、轻微裂缝、填补2.5cm以下车辙等，各种封层能够用于新建道路，但用量少，总费用不到新建道路的1%。2. 乳化沥青应用于冷再生乳化沥青的应用到今天，我们比较欣慰的发现它还有一个更重要的用途，就是乳化沥青冷再生技术。它是把原来的旧沥青路面（沥青层）进行铣刨、破碎、筛分根据要求补充少量的新集料。然后按设计配比要求加入水和乳化沥青，再加入微量的水泥、矿粉石屑等，通过拌合机械，重新拌合成冷再生混合料，最后摊铺碾压成型，进一步形成新的结构路面层。乳化沥青冷再生技术分为

4、就地冷再生和厂拌冷再生两种形式，两种技术相对各有强弱，就地冷再生无铣刨旧料的经返运输，施工效率高，费用低，但对级配不能实现严格控制，对铣刨层以下的结构层病害无法处理；厂拌乳化沥青冷再生则可实现，施工费相对有所增加。但两种工艺均有较好的发展前景，在资源匮乏、环保日趋重视的今天，乳化沥青现实与深远意义在于：把传统废弃的铣刨料重复利用，节约资源，降低了筑路成本，解决了路面结构性病害，车辙、拥包、推移、松散、裂缝等，这是过去以往乳化沥青应用做不到的。我国大多为半刚性基层，路面收缩变形后反射性裂缝多，成为路面水损害的重要病害，而旧的铣刨料（RAP）中，抽提结果表明一般由3%4.5%的旧沥青，加入乳化沥青

5、和1%2%的水泥后形成趋向柔性拌合料2.能够有效防止反射性裂缝的发生，旧的沥青资源也能得到循环利用。乳化沥青冷再生在拌合、摊铺、碾压全过程中，在常温下进行。无任何挥发有害气体，对保护环境、可持续经济发展意义深远。乳化沥青冷拌工程施工实际统计核算表明：乳化沥青占工程总费用为65%70%，这个价值和作用决定了乳化沥青在冷再生过程中重要、突出的位置，所以引起国内外专家的广泛关注与研究，由于试验仪器和技术分析水平的限制。我们还不能够全面把握及认识乳化沥青，也不能完全对冷再生混合料影响因素做更深入的了解，例如乳化沥青的破乳与凝固问题，再生机理认识问题，配合比设计方法统一问题等。但是我们还是可以在实际应用

6、的基础上按照规范的要求，通过室内有效的实验并经过验证得出正确的结论。几种乳化沥青的破乳与混合料的固化。3.1现行规范标准与技术要求：根据公路沥青路面施工及技术规范，JTG F40-2004 表4.3.1和表4.3.2要求，和公路沥青路面再生技术规范JTG F41-2008 表4.3.1对冷再生乳化沥青质量提出明确要求，为BC-I型乳化沥青,见表-1乳化沥青品种及适用范围表-1分 类品种及代号适用范围阳离子乳化沥青PC-1表处、贯入式路面及下封层用PC-2透层油及基层养生用PC-3粘层油用BC-1稀浆封层或冷拌沥青混合料用阴离子乳化沥青PA-1表处、贯入式路面及下封层用PA-2透层油及基层养生用

7、PA-3粘层油用BA-1稀浆封层或冷拌沥青混合料用非离子乳化沥青PN-2透层油用BN-1与水泥稳定集料同时使用（基层路拌或再生）标准和要求的制定参考了美国试验与材料学会（ASTM）技术标准和国内冷再生工程实际经验制定的，对我国路面冷再生工程起到重要的指导作用。从表-1、表-2可知BC-I乳化沥青a、属于阳离子，b、属于拌合型号的，c、属于慢裂或中裂。但是实际工程中，作为阳离子拌合型乳化沥青，不能是中裂型的，只能是慢裂型的，中裂型乳化沥青，如论乳化剂脂肪铵类、季胺盐类、环状咪唑啉、吡啶、还是多铵、聚合等，有学者研究能够乳化沥青七大系列，三百多种沥青乳化剂3，中裂乳化沥青乳液虽然细腻、加工成本低、

8、但不可作为拌合使用，更不能作冷再生用，因为拌合时，随即破乳，这在公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTJ052-2000乳化破乳速度试验4 得到验证：“中裂型乳化沥青与混合料混合，混合料是松散状态，沥青分布不均，有凝聚的团块”。在实际冷再生工程应用中，良好的冷再生混合料就该是蓬松，沥青分布均匀的，如果有凝聚结团的现象，无法摊铺使用。以上规范及质量要求均未涉及凝固问题。范围中未涉及，并不等于实际应用中不存在，应用研究表明，乳化沥青的“快裂”、“中裂”、“慢裂”的定义只与破乳速度有关、而凝固通常说“固化”与时间有关。 在施工现场，众所周知，快裂型乳化沥青只能作喷洒用，破乳速度快，不足30S；慢裂型乳

9、化沥青作为拌合用，也能作透层油使用，根据ISSA3，要求可拌合时间>120S，中裂型乳化沥青介于二者之间，一般作喷洒、粘层用，很少用于拌合，通常乳化沥青的快裂、中裂、慢裂、是指与第二种物质，即集料、混合时乳液的裂乳速度， 我们认为只是现象，而破乳后的结果才是本质，乳液本身在没有接触第二种物质难道不破乳吗？经验表明也会的，如：自然蒸发、强力搅拌、剪切等，这不在本文讨论范围，对于快裂、中裂型乳化沥青多数于喷洒、用量小，也不在讨论范围，我们重点讨论的是拌合型（慢裂）乳化沥青与集料接合，破乳后，结果会如何，会快速成型，很快固化吗？回答是不一定，这就会影响施工质量，开发交通及行车安全成本费用。3.

10、2、BC-I乳化沥青与混合料的固化进一步研究慢裂拌合型乳化沥青与混合拌合，试验有三种结果：即 快凝型通常叫慢裂快凝乳化沥青，以下简称（MK）；慢凝型通常叫慢裂慢凝乳化沥青，以下简称（MM）；中凝型介于二者固化之间，以下简称（MZ）。选用同种矿料、相同的级配（密级配），相同数量，三种乳化沥青，乳液蒸发后含量为60%，添加2%硅酸盐水泥规格325，加6%水，10%的乳化沥青，同等条件下，每种试样做5个试件，取平均值，自然摊铺厚度为20mm不压实。结果见表-2三种乳化沥青的试验结果： 表-2名称项目MKMZMM试验参照标准含水量（%）备注可拌合时间（min）24.616.6/即将破乳止破乳时间（mi

11、n）73066TO658大量水析出初凝时间（min）3592192T0753含水量<8%固化时间（min）96155368T0754含水量<4%完全固化时间（d）468/含水量<1%大约值试验表明：破乳速度快，固化时间就短，反之相反，这也完全和工程实际相吻合。表-2中破乳时间，初凝时间和固化时间，在JTJ052-2000规格均有具体的试验方法和明确的定义，但实际操作中较为麻烦，也很难把握，但是如果用试件的含水量来分析，较为简单，也比较准确。掌握此方法的现实意义在于，实际冷再生施工中，混合料摊后破乳凝固快，碾压时松散，接缝明显，不融合，取芯见图，有明显缝隙；另外现象是一周后，混

12、合料不固化，像“弹簧”一样，破乳固化慢。3 不同乳化沥青冷再生对混合料性能的影响3. 1乳化沥青再生机理乳化沥青再生混合料是一种多种的混合材料。压实不久的乳化沥青再生混合料是由初步破乳恢复沥青性能的乳化沥青、较多数量的水、粗集料、细集料和矿粉构成，包括微量的水泥；压实成型的混合料，在行车荷载和环境温度作用下，水分不断蒸发、乳化沥青不断破乳并恢复沥青粘结性质，7d后乳化沥青再生混合料含有很少量水分，强度发育完成，最终达到与热沥青路面几乎相同的效果。乳化沥青再生混合料中含有水分。这是和热沥青混合料的最大的不同。由于含有水分，水和乳化沥青乳液、分散在水中很小的沥青微粒在拌合时都起到良好的润滑作用,乳

13、化沥青再生混合料经过破乳、水分蒸发，铺筑完成后大约7d，强度才能形成乳化沥青完全恢复粘结性能后，部分乳化剂与沥青互溶、不同乳化剂存在于沥青与矿料界面之间形成快凝、中凝、慢凝不同固化方式，所以不同的乳化沥青对混合料性质有重要影响。 在乳化沥青再生混合料中，水泥是一个重要因素；水泥的添加，是改善乳化沥青再生混合料性能的重要因素。 乳化沥青在常温下具有良好的流动性，拌和时能直接与湿润集料粘附，可以在常温条件下与集料拌制成乳化沥青混凝土， 经过乳液与集料的粘附、分解破乳、水分蒸发之后才能完全恢复原有的粘结性能，在常温下进行摊铺压实。并在压实作用下，沥青与集料紧密粘结在一起形成强度。 3.2.几种不同乳

14、化沥青再生混合料配合比设计与实际工程应用研究3.2.1原材料要求 3.2.1.1沥青铣刨料应用江苏省金坛S239沥青铣刨料，乳化沥青冷再生混合料主要组成材料有沥青铣刨材料、水及乳化沥青等。随机进行取样。3.2.1.2水：用试验室自来水。3.2.1.3乳化沥青用于工程实际的乳化沥青为慢裂中凝型，各项指标均满足工程要求见表-4。3.2.2乳化沥青路面冷再生配合比设计程序3.2.2.1、乳化沥青配合比设计包括原材料分析、配合比（乳化沥青及水、水泥用量）设计和设计配合比检验三项内容。 3.2.2.2、采用随机取样的方法，取得具有足够用量的铣刨料，并低温烘干确定原材料含水量。3.2.2.3、采用离心式抽

15、提仪，对铣刨料进行抽提，分析得出铣刨料级配及沥青含量。3.2.2.4、确定最大干密度、最佳含水量。对5个不同含水量的铣刨料（或铣刨料与水泥混合料）进行土工击实试验，通过土工击实确定试件干密度（计算公式如式3-1，如某一试件的干密度与该批试件的平均干密度相差30kg/m3以上，则将该试件剔除），根据试件干密度流体含量关系曲线，回归分析得出最大干密度及其对应的最佳含水量（最佳流体含量作为后期试验控制外加水量的控制指标）。 （式3-1）式中：D干密度（kg/m3）；试件在击实过程中流体含量（质量百分比，%）；击实后试件的质量（g）；试件的高度（cm）；试件的直径（cm）。3.2.2.5、乳化沥青和水

16、设计用量的确定以拌合最佳流体含量作为控制混合料中所有流体含量的控制指标，选取5个不同乳化沥青用量，通过拌合时最佳流体含量计算确定掺水量（如式3-2所示），拌制不同乳化沥青用量的再生混合料，进行常规马歇尔击实试验，进行乳化沥青用量的确定。 WH2O=MMCME （式3-2）式中：WH20混合料中加入的水量（质量，%）；M拌合时最佳流体含量（质量，%）；MC 乳化沥青中的含水量（质量，%）；ME乳化沥青残留沥青含量（质量，%）。设计乳化沥青用量的确定步骤如下：准备在室温条件下吹干的铣刨料样品，按上述5个不同的乳化沥青用量，分别称取7500g的铣刨料（或铣刨料与水泥的均匀混合物），在保持最佳流体含量

17、不变的前提下，按公式3-2所确定外加水用量，加入铣刨料与新集料的混合物中并拌和均匀。称取足够混合料以获得63.5+1.5mm的击实高度（通常1150g）放入试模中，按马歇尔试件的成型方法进行试件的成型（双面各击50次）。将试件同试模置于60摄氏度的通风烘箱中养生40小时,将试模取出立即放置马歇尔击实仪上,双面各击实25次。后将装有试件的试模在室温条件下养生至少12小时，然后用脱模器脱模，按照相应试验标准，即可对试件进行劈裂强度、劈裂强度比等试验。根据试验结果综合选择最优乳化沥青用量作为乳化沥青设计用量，对应掺水量作为设计掺水量。如各试验结果不能满足相关技术标准要求，则应考虑掺加水泥或增加水泥掺

18、量，重复第4步试验。3.2.3、验证试验验证是现场实际重要环节,由于现场实际级配、施工环境温度变化因素较多，有效、准确、快速的试证对实际工程有重要意义。验证要了解配合比设计的程序，方法，原则的各相关参数。有条件可根据所选定的各材料掺量，成型相关试件，进行设计沥青含量的低温抗裂、冻融劈裂、浸水马歇尔，评价再生混合料与路用相关的性能。3.2.3.1乳化沥青本次试验采用的乳化沥青为A慢裂慢凝、B慢裂快凝和C慢裂中凝普通乳化沥青，其沥青含量见表-3所示,质量要求及实测值见表-4 乳化沥青沥青含量表-3乳化沥青种类沥青含量（）A：慢裂慢凝62B：慢裂中凝61C：慢裂快凝60冷再生乳化沥青质量要求 表-4

19、试验项目 单位质量要求实测试验方法ABC破乳速度 慢裂或中裂慢裂慢凝慢裂中凝慢裂快凝T0658 粒子电荷 阳离子（+）+T0653 筛上残留物（1.18mm筛） 不大于 %010.060.010.04T0652 黏度 恩格拉黏度计E25 230122216T0622 25赛波特黏度VS S7100326844T0623 蒸发残留物残留分含量 不小于 %62626160T0651 溶解度 不小于 %97.59898.898T0607 针入度(25) 0.1mm50300967884T0604 延度(15) 不小于 cm406811294T0605 与粗集料的黏附性, 裹附面积 不小于2/32/3

20、2/32/3T0654 与粗、细集料的拌和试验 均匀均匀均匀均匀T0659 常温贮存稳定性 1d 不大于 %10.10.10.6T0655 5d 不大于 50.30.22注：恩格拉黏度和赛波特黏度指标任选其一检测。3.2.3.2沥青面层铣刨料对铣刨沥青混合料进行了筛分，筛分结果见表-5。 铣刨沥青混合料筛分试验结果表-5 筛孔混合料通过筛孔（方孔筛，mm）百分率，26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075沥青面层铣刨料10098.784.381.464.239.424.214.68.83.81.90.9铣刨沥青混合料抽提级配 表-6 筛孔混合料通过筛孔

21、（方孔筛，mm）百分率，26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075沥青面层铣刨料10010098.892.579.753.737.531.324.616.812.09.2对抽结果沥青混合料铣刨旧料的油石比为3.4%,水泥加入量为2%,5%的矿粉.3.3. A、B、C不同乳化沥青冷再生配合比设计3.3.1土工击实试验确定最佳流体含量分别初定用4公斤A、B、C乳化沥青分别加4公斤水，均匀搅拌，作混合流体混合料试验。对流体含量为2%、4%、6%、8%和10%的沥青面层铣刨料分别进行击实试验，得出了最大干密度与最佳流体含量，结果如表-7;表-8;表-9和图1;

22、图-2;图-3所示：A：（MM)慢裂慢凝流体含量下沥青铣刨旧料的干密度表-7流体含量（%）干密度（g/cm3）试件含水量（%）试件乳化沥青用量（）试件纯沥青用量（）21.9621.381.00.6242.016 2.762.01.2462.1034.143.01.8682.0965.524.02.48102.0166.95.03.1图-1 B： (MZ)表慢裂中凝流体含量下沥青铣刨旧料的干密度 表-8流体含量（%）干密度（g/cm3）试件含水量（%）试件乳化沥青用量（）试件纯沥青用量（）21.9821.391.00.6142.023 2.782.01.2262.1054.173.01.8382

23、.0875.564.02.44102.0026.955.03.05图-2C：(MK) 不同流体含量下沥青铣刨旧料的干密度 表-9流体含量（%）干密度（g/cm3）试件含水量（%）试件乳化沥青用量（）试件纯沥青用量（）21.981.401.00.6042.0152.802.01.2062.1064.203.01.8082.0835.604.02.40102.0057.05.03.0图-3图3-12 不同流体含量下沥青铣刨旧料的干密度从表-7及图1；表-8图-2，表-9图-3可知，对应乳化沥青为再生剂的沥青铣刨旧料冷再生混合料最大干密度的最佳流体含量（MM）、（MZ）、（MK）分别为7.25%、6

24、.67%和6.5%,3.3.2 劈裂强度试验确定最佳乳化沥青用量保持最佳流体含量MM=7.25%、MZ=6.67%、MK=6.5%不变，改变不同的乳化沥青用量，成型马歇尔试件，分别测量在空气中养生试件的劈裂强度以及浸水24h后试件的劈裂强度。以此来确定最佳乳化沥青用量。试验方案如表-10；表-11；表-12所示。确定MM最佳乳化沥青用量的试验方案 表-10纯沥青含量（%）乳化沥青用量（%）AMM（）需外加的水量（）1.01.6 7.255.51.52.44.82.03.24.02.54.03.234.82.4确定B(MZ)最佳乳化沥青用量的试验方案表-11纯沥青含量（%）乳化沥青用量（%）BM

25、Z（）需外加的水量（）1.01.646.6751.52.54.22.03.33.42.54.12.634.91.8确定C(MK)最佳乳化沥青用量的试验方案表-12纯沥青含量（%）乳化沥青用量（%）CMK（）需外加的水量（）1.01.666.504.81.52.542.03.33.22.54.22.3351.5A、B、C乳化沥青劈裂强度试验结果慢裂慢凝 表-13 不同乳化沥青用量下马歇尔试件的浸水劈裂强度 图-4纯沥青含量（%）乳化沥青含量（%）空气养生劈裂强度（MPa）浸水24h劈裂强度（MPa）1.01.60.140.091.52.40.240.192.03.20.380.282.54.00

26、.310.243.04.80.350.22慢裂中凝 表-14 不同乳化沥青用量下马歇尔试件的浸水劈裂强度 图-5纯沥青含量（%）乳化沥青含量（%）空气养生劈裂强度（MPa）浸水24h劈裂强度（MPa）1.01.640.140.091.52.50.240.192.03.30.380.282.54.10.310.243.04.90.350.22慢裂快凝 表-15 不同乳化沥青用量下马歇尔试件的浸水劈裂强度 图-6纯沥青含量（%）乳化沥青含量（%）空气养生劈裂强度（MPa）浸水24h劈裂强度（MPa）1.01.660.140.091.52.50.240.192.03.30.380.282.54.20

27、.310.243.050.350.22乳化沥青用量与浸水24h的马歇尔试件劈裂强度之间的关系见图-4、图-5、图-6。在确定最佳乳化沥青用量时，以浸水马歇尔试件的最大劈裂强度对应的乳化沥青用量为最佳乳化沥青用量。从图-4可知，慢裂慢凝乳化沥青的最佳用量为3.69%，此时冷再生混合料中纯沥青用量为2.28%；从图-5可知，慢裂中凝乳化沥青的最佳用量为3.76%，此时冷再生混合料中纯沥青用量为2.29%；从图-6可知，慢裂快凝乳化沥青的最佳用量为3.84%，此时冷再生混合料中纯沥青用量为2.3%。3.4 最佳乳化沥青用量下冷再生混合料的性能验证根据浸水劈裂强度确定的最佳乳化沥青用量慢裂慢凝（为3.

28、69%）；慢裂中凝（为3.76%）；慢裂快凝（为3.84%），保持最佳流体不变，成型冷再生沥青混合料马歇尔试件及车辙试件，验证以慢裂慢凝、慢裂中凝、慢裂快凝乳化沥青的冷再生沥青混合料的性能。3.4.1 最佳乳化沥青用量下马歇尔试件空隙率分别进行了最佳乳化沥青用量下双面各击实75次和50次的马歇尔试件，测量其密度及最大理论密度，试验结果见表-16所示。A、B、C乳化沥青最佳用量下马歇尔试件空隙率表-16击实次数（次/面）马歇尔试件密度（g/cm3）最大理论密度（g/cm3）空隙率（）A752.2302.51511.3502.15514.3B752.2162.52612.2502.18313.5C

29、752.2432.61214.1502.20515.5试验结果表明最佳乳化沥青用量下冷再生沥青混合料马歇尔试件的空隙率是合适的（一般乳化沥青冷再生混合料的马歇尔试件空隙率为9%14%）。3.4.2 最佳乳化沥青用量下劈裂强度试验分别进行了最佳乳化沥青用量下双面各击实75次和50次的马歇尔试件，测量其浸水24h及空气中养生至恒重时的劈裂强度，试验结果见表-17所示。最佳乳化沥青用量下劈裂强度表-17击实次数（次/面）空气养生劈裂强度（MPa）浸水24h劈裂强度（MPa）劈裂强度比（）A750.490.4286.4500.420.3686.9B750.460.4078.2500.400.3880.

30、3C750.360.3476.2500.330.2870.6从最佳乳化沥青用量下的劈裂强度试验可知，试件浸水24h后劈裂强度值满足乳化沥青冷再生沥青混合料的要求，劈裂强度比达到86.4%，表明该冷再生沥青混合料的水稳定性较好。3.4.3 最佳乳化沥青用量下沥青混合料车辙试验进行了最佳沥青用量下冷再生沥青混合料的车辙试验，试验结果见表-18所示。 最佳乳化沥青用量下车辙试验表-18最佳乳化沥青用量（）动稳定度（次/mm）123平均A3.691486126318571535B3.761326138616281446C3.841182156811561159试验结果表明最佳乳化沥青用量下冷再生沥青混合料的动稳定度达到了1320次/mm，公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）对普通沥青混合料的动稳定度要求是不