外掺剂对乳化沥青冷再生混合料性能影响的宏微观分析.pdf
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1、2023年7 月第3 9 卷第4期文章编号:2 0 9 5-19 2 2(2 0 2 3)0 4-0 7 2 3-0 8沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)Jul.2023Vol.39,No.4doi:10.11717/j.issn:2095-1922.2023.04.17外掺剂对乳化沥青冷再生混合料性能影响的宏微观分析杨彦海,熊艺衡,陈冠良,岳(1.沈阳建筑大学交通与测绘工程学院,辽宁沈阳110 16 8;2.大连海事大学交通运输工程学院,辽宁大连116 0 2 6)摘要目的研究微珠、硅灰
2、和减水剂对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响,分析外掺料的作用机理。方法通过室内路用性能试验评价外掺料对冷再生混合料性能影响效果,结合扫描电镜技术观测沥青胶浆微观形貌,从宏微观角度分析三种外掺料的作用机理。结果混合料高温贯入强度最高可提升2 5 3%,低温劈裂强度最高可提升6 2%,冻融劈裂强度比最高可达到8 6.3%;通过扫描电镜观测沥青胶浆的微观形貌发现:加入外掺料,沥青胶浆呈现空间骨架结构,不仅具有良好的稳定性且沥青胶浆强度增强,同时外掺料还能填充混合料空隙,降低混合料空隙率,极大地改善了混合料性能。结论三种外掺料对混合料路用性能具有良好的改善效果,沥青胶浆呈现空间骨架结构,极大地改善了
3、混合料性能。关键词沥青路面;乳化沥青冷再生;硅灰;微珠;减水剂;路用性能中图分类号TU997靓,杨汤野1,2文献标志码AMacro and Micro Analysis of the Influenceof Admixtures on the Performance of EmulsifiedAsphalt Cold Recycled MixtureYANG Yanhai,XIONG Yiheng,CHEN Guanliang,YUE Liang,YANG Yel.?(1.School of Transportation and Surveying Engineering,Shenyang J
4、ianzhu University,Shenyang,China,110168;2.College of Transportation Engineering,Dalian Maritime University,Dalian,China,116026)Abstract:The purpose of this study was to analyze the effect of microbeads,silica fume and waterreducing agent on the road performance of emulsified asphalt cold recycled mi
5、xture,and analyzethe mechanism of action of external admixtures.The effect of external admixtures on theperformance of cold recycled mixture was evaluated by indoor road performance test,and the收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 0基金项目:国家自然科学基金项目(5 2 2 7 8 45 4);沈阳市科技计划项目(2 2-3 2 2-3 2 2);高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金项目(2 0
6、19 CEM010)作者简介:杨彦海(19 7 2 一),男,教授,博士,主要从事新型路面材料与路面结构、道路施工与养护等方面研究。724microscopic morphology of asphalt mortar was observed by scanning electron microscopetechnology,and the action mechanism of three external admixtures was analyzed from a macro andmicro-perspective.The high temperature penetration s
7、trength of the mixture can be increased by upto 346%,the low temperature splitting strength can be increased by up to 62%,and the freeze-thaw spltting strength ratio can be up to 86.3%.The microscopic morphology of asphalt mortarwas observed by scanning electron microscope,and it was found that the
8、addition of externaladmixtures showed that the asphalt mortar showed the spatial skeleton structure,which not onlyhad good stability and enhanced the strength of asphalt mortar,but also the external admixturecould fill the voids of the mixture,reduce the void ratio of the mixture and greatly improve
9、 theperformance of the mixture.In conclusion,the three external admixtures have a good effect onimproving the road performance of the mixture,and the asphalt mortar presents the spatial skeletonstructure,which greatly improves the performance of the mixture.Key words:asphalt pavement;cold recycling
10、mixture emulsion asphalt;silica ash;microbeads;water reducing agent;road performance我国公路建设已经进入建养并举的阶段,每年因为沥青路面养护、维修、重建等产生的废旧沥青回收料达到两亿吨以上。乳化沥青冷再生混合料具有旧料利用率高、能源消耗低、环境污染小、性价比高等特点,近年来在我国高等级路面基层,低等级路面基层和面层应用广泛1-5 。国内外专家学者从宏观性能和微细观作用机理等方面展开了大量研究:杜少文等6-8 研究了不同水泥掺量对冷再生混合料性能影响,发现水泥水化产物对混合料具有“加筋”作用,能够提高混合料早期强
11、度,提高混合料路用性能,但水泥水化产物也会降低混合料温度敏感性,影响混合料低温性能,推荐水泥掺量宜控制在1%2%。Li Q u a n 等9 发现粉煤灰能有效提高混合料的干湿劈裂强度比和冻融劈裂强度比。周源【10 发现添加一定剂量的生石灰可以加快冷再生混合料强度形成,提高混合料早期强度,而掺量过多则会影响混合料水稳定性、高温稳定性以及疲劳性能。W.U.Filho等11 研究了不同乳化沥青再生剂改善效果,发现乳化沥青再生剂可以与旧料发生相互作用,改善冷再生混合料力学性能。M.S.Hashim等12 研究了硅灰对乳化沥青冷再生混合料的空隙率、马歇尔稳定度和抗压强度的影响,结果表明,掺入硅灰改善效果
12、较为沈阳建筑大学学报(自然科学版)显著,抗压强度和马歇尔稳定度分别提高了68%和7 8.4%,流值和空隙率分别降低了13.5%和6.6%。虽然国内外专家学者对乳化沥青冷再生混合料进行了大量研究,但外掺剂对乳化沥青冷再生混合料性能影响方面研究较少。鉴于此,笔者基于室内试验研究硅灰、微珠以及减水剂对路用性能的影响,结合扫描电镜从宏微观分析硅灰、微珠以及减水剂作用机理。研究表明:掺人硅灰、微珠以及减水剂可以改变混合料的空间结构,较好地改善了乳化沥青冷再生混合料的路用性能。1原材料及级配1.1原材料1.1.1乳化沥青试验使用的乳化沥青为慢裂型阳离子乳化沥青,其技术指标满足公路沥青路面再生技术规范(JT
13、GT55212019),乳化沥青检测试验结果见表1。根据室内试验,笔者选用的最佳乳化沥青掺量为3.5%。1.1.2沥青混合料回收料试验使用的沥青混合料回收材料(Recycling of Asphalt Pavement,RAP)来源于辽宁省某一级公路的铣刨料,为避免RAP级配变异对试验结果的影响,将RAP筛分成第3 9 卷第4期项目试验结果技术要求单粒径集料,剔除假粗集料,最终将RAP筛分成孔径为0 0.0 7 5 mm、0.0 7 5 0.15 mm、0.15 0.3 m m、0.3 0.6 m m、0.6 1.18 mm、1.18 2.3 6 m m、2.3 6 4.75 mm、4.7 5
14、 9.5 m m、9.5 13.2 m m、13.216mm和16 19 mm共计11 档,其结果见表2。表2 旧料筛分结果Table 2The screening results of RAP筛孔直径/通过百分率/筛孔直径/通过百分mm%26.5100191001689.013.279.09.564.04.7539.01.1.3新集料为保证乳化沥青冷再生混合料的强度和性能,添加3 0%的石灰岩新集料,试验采用Table 3The test results of cement technical index细度/%标准稠度/%2.427.31.1.55水水在乳化沥青厂拌冷再生混合料中作用有两方
15、面:一是水作为液体可以充当润滑剂的作用,增加混合料的流动性,使碾压成型更容易;二是在混合料拌和过程中,水与水泥发生水化反应放热加速乳化沥青破乳,使其更好地裹覆在集料表面。因此试验用水应当洁净,不杨彦海等:外掺剂对乳化沥青冷再生混合料性能影响的宏微观分析题表1乳化沥青试验结果Table 1 The emulsion test results of asphalt筛上残留量(筛孔直径1.18 mm)/%0.0210.1mm2.361.180.60.30.150.075725储存稳定性/%恩格拉黏度/E与粗、细集料裹附效果6.8均匀230均匀的新集料来源于辽宁省辽阳市的石灰岩碱性集料,为避免新集料变
16、异对试验结果产生影响,因此也将其筛分成单粒径。试验配合比设计的级配类型为中粒式乳化沥青冷再生混合料,RAP筛分中缺少19 2 6.5 mm的粗集料,因此新料中加入该粒径集料。根据公路沥青路面施工技术规范(JTGF40一2004)要求对新料进行检测,其结果满足要求。1.1.4水泥率/%为提高乳化沥青冷再生混合料的早期强39.0度和使用性能,水泥被作为添加剂加人混合15.0料中。不同专家学者通过宏观性能、微观形9.0貌作用机理分析掺加适量的水泥能够提高乳5.5化沥青冷再生早期强度和改善混合料性能。3.5试验使用的水泥为辽宁省某厂生产的3 2.5#2.5普通硅酸盐水泥,其技术指标见表3,均满足公路水
17、泥混凝土路面施工技术规范(JTGF30一2 0 15)要求。根据正交试验设计结果,笔者选用的最佳水泥掺量为1.5%。表3 水泥技术指标检测结果抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝时间/h终凝时间/h3.26.6含油污、泥土等杂质,本试验使用的水为去离子水,符合规范要求。根据正交试验设计结果,笔者选用的最佳外掺水掺量为2.4%。1.1.6外掺料(1)硅灰。硅灰是一种粒径小、比表面积大的活性填料,其细度和比表面积约为水泥的8 0 10 0 倍,具有良好的填充性和黏结1d0.513d28d23.552.85d2.757d28 d5.910.6726性13 。技术指标见表4。根据正交试验设项目二氧化硅
18、质量分数/%技术要求85检测结果92.2(2)微珠。微珠是一种全球状、连续粒径分布、实心、超细的粉煤灰,可以改善混合料施工和易性,便于碾压成型,同时微珠中含有活性物质可以促进乳化沥青破乳,其化学成分见表5。根据正交试验设计结果,当微表5 微珠化学成分组成Table 5 The chemical composition of micro-beads化学成分SiO2Al,03Fe,0;Mgo其他氧化物堆积密度/项目(gL-1)技术指标500 700检验结果5651.2级配设计乳化沥青冷再生混合料的级配类型采用中粒式,配合比设计过程首先按照级配要求进行RAP和水泥、新集料和水泥的配合比设计。按照合成
19、新旧集料3:7 的比例得到最终级配,其级配曲线见图1。根据公路沥青路面再生技术规范(JTGT55212019)规定,通过空隙率、15 劈裂强度、干湿劈裂强度比等确定最佳乳化沥青用量为3.5%。2路用性能试验研究2.1试验设计根据以往试验成果,笔者选取以下五组沈阳建筑大学学报(自然科学版)计结果,笔者选用的硅灰掺量为1.5%。表4硅灰技术指标Table 4The technical index of silica ash灼烧减量/%6.03.92质量分数/%55.932.74.21.35.9表6 减水剂技术指标Table 6TThe technical indicators of water-r
20、educing agent细度(筛孔直径0.315 mm)/%9097第3 9 卷比表面积/(mg)氯离子质量分数/%150.319.10.07珠掺量为0.5%时,混合料劈裂强度较小,空隙率也较小;当微珠掺量为1.5%时,混合料劈裂强度较大,空隙率增大,因此笔者考虑两种掺量分别进行路用性能试验。(3)减水剂。由于硅灰黏结性较好,掺入混合料则会降低施工和易性,不易碾压密实,在乳化沥青CA砂浆中经常使用减水剂作为润滑材料14-16 。试验采用的减水剂为聚羧酸类高效减水剂,减水效果可达到30%,由于工业原料成分较杂,为了便于分析化学成分作用机理,笔者选用分析纯类减水剂,其技术指标见表6。根据正交试验
21、设计结果,笔者选用的减水剂掺量为0.5%。氯离子质量净浆流动20%水溶液pH含水率/%7837.22.31009080%28843020100掺配方案进行路用性能对比试验,研究外掺料对冷再生混合料路用性能的影响,具体掺分数/%0.010.004级配上限一级配卡限一级配中值一谷成级配92筛孔尺寸/mm图1级配曲线Fig.1The grading curves度/mm240251第4期配方案见表7。采用旋转压实仪成型试件,试件高为6 3.5 mm,直径为10 0 mm,试件脱模后放人烘箱中鼓风养生,养生温度为60,养生时间为48 h。表7 路用性能试验对比方案Table 7 The compari
22、son of road performance test水泥掺外加水掺硅灰掺微珠掺减水剂掺试验组量/%量/%量/%量/%量/%一1.5二1.5三1.5四1.5五0表7 中,第一组为无外掺料的对比组;第二组为单掺硅灰的对比组,探究单掺硅灰与多种外掺料对混合料路用性能的影响;第三组为空隙率作为指标得到的最优复配方案;第四组为15 劈裂强度以及浸水劈裂强度得到的最优复配方案;第五组为仅掺硅灰的对比组,探究硅灰与水泥对混合料路用性能的影响。2.2空隙率本研究采用CoreLok真空密度测定仪测得冷再生混合料空隙率,试验结果如图2 所示。1210.110820Fig.2 The air voids of
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