VAE改性乳化沥青冷再生混合料的设计与应用.pdf

DOI:10.193320574.2023.04.001K0001-06文章编号：1 0 0 50574-（2 0 2 3)0 4Highways&Transportation in InnerMongolia总第1 9 6 期内蒙古公路与运输VAE改性乳化沥青冷再生混合料的设计与应用许敏，赵薇”，郑华宇”，姚爱玲”，王磊挺（1.内蒙古阿拉善盟交通投资有限公司，内蒙古阿拉善750306;2.长安大学公路学院，陕西西安710064;3.长安大学理学院；4.浙江交通投资集团高速公路杭州南管理中心，浙江杭州311200)摘要：为了提高乳化沥青混合料的水稳定性，从乳化沥青冷再生混合料的胶结料出发，研究了一种粘结性强的新型VAE改性乳化沥青。通过旧沥青混合料的原材料性能检测和筛分后，依据最大密实曲线和关键筛孔通过率拟定了三种级配，选用干湿劈裂强度比最大值对应的级配为最佳级配，并以此确定出最佳乳化沥青用量；通过比较不同龄期下普通乳化沥青混合料和VAE改性乳化沥青混合料的冻融劈裂强度比来定量分析VAE改性剂的水稳定性改善效果；铺筑VAE改性乳化沥青冷再生混合料试验段，与普通乳化沥青路段对比分析VAE试验段的水稳定性改善效果。室内外试验结果表明：VAE改性乳化沥青能够较好地改善混合料的干湿劈裂强度与水稳定性能关键词：乙烯-醋酸乙烯酯；冷再生混合料；水稳定性；级配设计；干湿劈裂强度比；冻融劈裂强度比中图分类号：U414文献标识码：AAbstract:In order to improve the water stability of emulsified asphalt mixture,a new type of VAE modified emulsified asphaltwith strong adhesion is studied in this paper from the cement of emulsified asphalt cold recycled mixture.After the raw material per-formance testing and screening of the old asphalt mixture,three gradations are determined according to the maximum density curveand the passing rate of key sieve holes,and the gradations corresponding to the maximum dry wet splitting strength ratio are selectedas the best gradations,so as to determine the best amount of emulsified asphalt.By comparing the freeze-thaw splitting strength ratioof ordinary emulsified asphalt mixture and VAE modified emulsified asphalt mixture at different ages,the water stability improve-ment effect of VAE modifier is quantitatively analyzed.The VAE modified emulsified asphalt cold recycled mixture test section ispaved,and the water stability improvement effect of the VAE test section is compared with the ordinary emulsified asphalt section.The indoor and outdoor test results show that VAE modified emulsified asphalt can better improve the dry wet splitting strength andwaterstabilityof themixture.Key words:ethylene vinyl acetate,cold recycled mixture,water stability,grading design,dry wet splitting strength ratio,freeze-thaw splitting strength ratio0引言乳化沥青冷再生技术不仅可以节约资源、降低工程造价，还可以消除原有路面的一些病害，是一项绿色、环保、节约的再生技术。山西省国省干线道路在改扩建时降雨量比较多，沥青路面面层较薄，而且重载交通量大，诸多因素使得路面水损害频繁发生，呕需研究一种能提高乳化沥青冷再生混合料水稳定性的改性剂。目前工程中使用最多、效果较好的改性剂为SBS改性剂 3。虽然SBS改性剂可一定程度提高沥青路面的水稳定性，延长沥青路面的使用寿命，但SBS成本较高，同沥青的相容性较差，其高粘度和难乳化的特点使其较难得到稳定的SBS改性沥青乳化液 4-6 。基于此,本文研究了一种新型乳化沥青改性剂-一乙烯-醋酸乙烯共聚物（VAE），其经过多元共混改性和配方优化后具有较好的粘结性能，相比其他改性剂,成本相对低廉且节能环保7，同时易于乳化，与沥青的相容性、稳定性较基金项目：陕西省自然科学基金资助项目（2 0 2 0 JQ-348）；山西路桥建设集团科技项目（SXLQ-YGS-035-2020）作者简介：许敏（1 9 8 0 一），女，内蒙古阿拉善人，高级工程师，研究方向：道路材料研究与公路建设项目管理。Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期内蒙古公路与运输好8。因此将VAE改性剂与乳化沥青冷再生技术相结合，能够有效改善冷再生混合料的水稳定性能。为研究新型改性乳化沥青混合料的级配设计和水稳定性能，在优选出VAE改性乳化沥青各成分最佳掺配比例的基础上，采用最大密度曲线理论设计出三种级配，确定干湿劈裂强度比最大值的级配作为目标级配。以普通乳化沥青冷再生混合料为对照，对两种混合料的水稳定性能的改善程度对比分析。同时为了研究VAE改性乳化沥青冷再生混合料用于下面层的实际工程效果，铺筑VAE乳化沥青冷再生混合料的试验路段，与普通乳化沥青冷再生混合料的试验路段的水稳定性试验结果进行分析对比。研究成果为实际工程中改善冷再生混合料的水稳定性提供了新思路，具有重要的应用价值。1原材料1.1RAP性能测试和筛分采用铣刨机回收山西省吕梁市岚县国道3 3 7 路面改造工程项目的旧沥青路面材料(RAP),将铣刨料筛分后分类堆放，并抽样测试RAP的各项技术指标，其中RAP各项技术指标及抽提前后筛分结果见表1 和表2。表1RAP的技术指标测试结果规范要求技术指标实测值试验方法(中、下面层）压碎值（%）实测24.3T0316洛杉矶磨耗值（%）2825.7T0317棱角性(细集料)(%)实测21.8T0344细集料的砂当量（%）5081.5T0334老化沥青含量（%）实测4.21T0722表2铣刨料抽提前、后的筛分结果抽提前通过率(%）抽提后通筛孔(mm)10 mm25 mm 5 mm10 mm05 mm过率（%）26.5100.0100.0100.0100.01975.8100.0100.0100.01653.0100.0100.0100.013.227.6100.0100.098.99.514.097.6100.096.64.753.445.581.446.32.362.217.670.322.71.180.210.550.914.80.60.26.027.18.40.30.23.311.64.20.150.22.16.42.20.0750.21.33.10.3从以上结果分析，抽提前RAP最大粒径为2 6.5mm，大于1 6 mm的颗粒含量为47%，抽提后RAP最大粒径为1 6 mm，并且1 6 mm的集料极少，原因是抽提前的粗RAP集料中有被旧沥青粘结成团的集料，经过抽提后分散为更小粒径的集料。将抽提后的RAP与原路面AC-13混合料的级配范围进行比较可以看出，9.5mm的筛孔通过率与规范范围6 8%8 5%相比显著偏大，表明粗集料在路面使用过程中被细化，级配设计时需补充新的粗集料以满足级配要求；2.3 6 mm以下的各筛孔通过率都比规范值稍微偏低，尤其是0.3 mm、0.1 5mm与0.0 7 5mm的通过率严重偏少，这可能是由于旧路面在应用中,沥青与集料的裹附力变差，以至于在使用中沥青胶浆挟带着细集料一起脱落。筛分结果说明需要充足的新细集料和填料来填充新设计的混合料的空隙1.2新集料再生混合料的级配类型采用AC-20,结合RAP的筛分结果，同时为了弱化RAP料给试验结果带来的差异性，结合上述筛分结果，选择添加新集料的办法来调整沥青混合料的级配组成，选择1 0 mm20mm的粗集料增加混合料的骨架及接触面的内摩擦阻力,0 5mm的集料填充混合料空隙以及增强混合料内部的嵌挤作用。两种新集料的筛分结果见表3。表310mm20mm粗集料及0 5mm集料的筛分结果通过率(%）筛孔(mm）粗集料1 0 mm20 mm集料0 5mm26.5100.0100.01976.0100.01632.9100.013.212.6100.09.50.2100.04.750.299.52.360.267.71.180.233.70.60.225.70.30.213.60.150.29.60.0750.26.51.3乳化沥青VAE（乙烯-醋酸乙烯共聚物）是乙烯和醋酸乙烯两种单体的共聚物，其粘结性好，具有较好的防水性，经常用在沥青混凝土桥面铺装的防水粘结层中9；对其进行多元共混改性，能得到具有多种优良性能的高分子共聚物。与其他改性剂相比，VAE价格低廉，性能优良，对冷再生乳化沥青的改性具有重要意义。为研究分析VAE改性乳化沥青冷再生混合料的水稳定性，选用普通乳化沥青作对比。选用中国石化某公司9 0 号基质沥青，其2 5针人度8 6（0.1 mm）、软化点45.2、1 0 延度9 8 cm，经检测沥青各项指标满足总第1 9 6 期许敏等：VAE改性乳化沥青冷再生料的设计与应用JTGF402004的技术要求，以沥青固含量为6 2%制备乳化沥青；采用大连某化学乳胶厂的DA-1410进口VAE胶粉，掺配比例为3%。选用江苏某公司生产的阳离子慢裂慢凝型乳化剂，掺量为3%；0.3%的CaCl稳定剂及适量的盐酸（所加掺量均为外掺，按乳化沥青质量的百分比计）。采用边乳化边改性的制备工艺制作改性乳化沥青，主要是加热混溶、控温研磨、恒温储存三个步骤。在研制改性沥青过程中保持皂液pH值在2.0 3.0之间，同时保持乳化温度在1 3 5 1 40 之间。两种乳化沥青主要技术指标见表4。表4乳化沥青技术指标检验结果普通乳化VAE改性测试指标指标要求沥青乳化沥青慢裂破乳速度慢裂慢裂或中裂阳离子阳离子阳离子粒子电荷(+)(+)(+)筛上残留物(1.1 8 mm筛,%)0.020.020.1恩格拉粘度计E2525.4230沥青标准粘度计C25.3(s）22.41260固含量（%）62.062.06050130蒸发针人度(2 5,72.164.3(普通）0.1mm)40100残留物(改性）延度(1 5,cm)10010040延度(5,cm)26.520与集料的粘附性，裹附面积2/32/32/3集料拌和试验均匀均匀均匀贮存1 d(%)0.30.50.1稳定性1.4水泥和水水泥的水化反应可促进乳化沥青破乳，从而提高再生混合料的早期强度。采用P.042.5普通硅酸盐水泥，其各项指标满足JTGF302003的技术要求，水泥掺量占粗细集料与填料总质量的1.5%。扌拌和水为饮用水2乳化沥青冷再生混合料的配合比设计由于RAP料的缺陷性容易使混合料级配形成偏差，因此采用逐级筛分的方式将原本的RAP10mm25mm、RAP5mm10mm及RAP05mm三档料按每级筛孔筛出后单独存放，并根据最大密实曲线理论确定RAP的级配，按逐级配料法将RAP与新集料共同配制成矿质混合料，然后确定合成级配表。2.1混合料级配设计2.1.1考虑关键筛孔通过率的富勒曲线理论富勒曲线理论即为最大密度曲线理论，根据依托工程项目实践应用于二级公路的下面层，参考再生技术规范中规定的级配范围，初定以AC-20C中粒式密级配为基础，进行改性乳化沥青厂拌冷再生混合料的级配设计研究，最终按照最大密度曲线公式确定出密度最大的矿料级配，见式（1）。P;=100 (d;/D)n(1)式中，Pi为筛孔di（m m)的通过百分率，%;D为矿质混合料的最大粒径，mm。根据公路沥青路面施工技术规范（JTGF40一2004)u,AC-20C中粒式级配的最大粒径D为2 6.5mm，划分粗细集料的筛孔尺寸为4.7 5mm，且4.7 5mm的筛孔通过率范围为0.46时才满足AC-20C中粒式级配的规范要求,因此选择n=0.47计算矿料合成级配，代人式(1)计算出RAP集料通过逐级筛孔的设计级配，见表5。表5RAP逐级筛分后的设计级配结果筛孔尺寸(mm)26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配比例（%）100.086.686.482.171.550.135.725.818.312.88.75.72.1.2三种混合料设计级配对比根据工程经验初选三种级配，即按照新旧料比例分别为1 0:9 0、2 0:8 0 和3 0:7 0 确定矿料级配的原材料掺配比例，见表6。表6矿料级配的原材料掺配比例掺配比例（%）设计级配RAP10mm20mm集料05mm集料水泥合成级配907.511.5(10:90)合成级配8015.531.5(20:80)合成级配70226.51.5(30:70)按照表6 中原材料掺配比例，确定乳化沥青冷再生混合料的三种设计级配，见表7。由于RAP的缺陷性，混合料设计级配各筛孔通过率中1 9 mm和1 6 mm筛孔突破了规范的范围要求。2.2最佳含水率(OWC)确定按照设计的三种矿料级配曲线，根据表6 中RAP、10mm20mm集料、0 5mm集料和水泥的材料比例，初定乳化沥青用量为4.0%，进行重型击实试验，改变外加水用量，以0.5%为增幅将含水率从4.0%提高到6.0%，确定每个合成级配下的最大干密度和最佳含水率。三Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期4内蒙古公路与运输种合成级配的最佳含水率及最大干密度击实结果见表8。表7三种混合料设计合成级配结果各筛孔的通过率（%）筛孔合成级合成级合成级尺寸级配上级配下级配中配1配2配3(mm)限限值(10:90)(20:80)(30:70)26.51001001001001001001986.185.685.310090951682.778.775.792788513.277.372.168.28062719.566.961.758.17250614.7547.644.643.15626412.3634.332.130.94416301.1825.123.221.8331222.50.618.316.918248160.313.212.211.4175110.159.58.88.31348.50.0756.76.35.9735表8三种设计合成级配的最佳含水率及最大干密度击实结果试验项目合成级配1合成级配2合成级配3最大干密度2.2682.2382.210(g/cm)最佳含水率5.34.94.7(%）2.3级配优化与最佳乳化沥青用量（OEC)确定固定水泥用量为1.5%，按照三种矿料合成级配的新旧料比例和相应的最佳含水率，乳化沥青用量分别为3%5%，按0.5%增长，按照三种级配、5种沥青用量分别成型标准马歇尔试件。通过测量马歇尔试件的空隙率和干湿劈裂试验来确定乳化沥青用量（这里指的是普通乳化沥青），试验结果如图1 图4所示。（规范中技术指标要求：空隙率为8%1 2%，1 5劈裂强度0.6 MPa，干湿劈裂强度比8 0%）15合成级配114合成级配2合成级配31312率潮王1110983.03.54.04.55.0乳化沥青用量（%）图1三种合成级配在不同乳化沥青用量下的空隙率0.715剪裂强度浸水2 4h劈裂强度840.6干湿劈裂强度比0.560.540.54一820.50.48(%)1磁新士0.440.440.420.39800.40.370.3378378780.30.2760.1740.07233.544.55乳化沥青用量（%）图2合成级配1 在不同乳化沥青用量下的干湿劈裂试验结果1.09515.劈裂强度浸水2 4h劈裂强度图一干湿劈裂强度比0.80.76一900.680.700.69(%)磁新士0.64(edW)0.630.60.560.580.57一850.518332&2820.480800.2750.07033.544.55乳化沥青用量（%）图3合成级配2 在不同乳化沥青用量下的干湿劈裂试验结果9015烤裂强度1.0漫水2 4h劈裂强度干湿劈裂强度比0.760.780.77850.8一0.72(%）士0.680.640.630.620.60.570.538138080808040.4750.20.07033.544.55乳化沥青用量（%）图4合成级配3 在不同乳化沥青用量下的干湿劈裂试验结果分析图1 图4得出以下结论：乳化沥青用量增加，混合料中自由沥青含量也增加，填充了部分空隙，混合料的空隙率随乳化沥青用量的增加而减小。而干湿劈裂强度及强度比均随乳化沥青用量的增加先增大后减小，说明乳化沥青含量较少时，随着沥青用量增加，乳化沥青和部分再生的沥青的粘结作用会增强，混合料强度提高；但当乳化沥青用量超过最佳用量时，自由沥青含量的增加阻碍了集料间的嵌挤，混合料强度降低总第1 9 6 期敏等：VAE改性乳化沥青冷再生混料的设计与应用许对比图2 图4可知，随着RAP掺量的增加，在相同的乳化沥青含量下，干湿劈裂强度比先增大后减小，说明过多或过少掺加RAP都不利于乳化沥青冷再生混合料的水稳定性能。合成级配1 中RAP掺量过多，过多的旧沥青使其与再生体系新材料间的粘结作用变差，且粗集料较少，集料间嵌挤强度降低，无法形成骨架密实结构，内摩阻力减小，因此混合料的劈裂强度和水稳定性能较低；合成级配3 中RAP掺量过少，粗集料较多，而混合料的沥青含量较低，集料与沥青的粘结力不足，水易侵蚀沥青与集料的界面膜，造成沥青胶结料从集料表面剥离，因此混合料的强度和抗水损坏能力较差；而合成级配2 中RAP掺量适中，适量的粗集料不仅可以形成骨架密实结构，而且RAP表面的旧沥青经乳化剂溶解后增大了沥青膜的厚度2,从而提高了集料与沥青的粘结力，因此合成级配2 的劈裂强度和水稳定性更好。本文选用干湿劈裂强度比最大值对应的级配作为目标级配，即合成级配2，其相应的最佳乳化沥青用量是4.0%，混合料的空隙率符合技术要求，AC-20C密级配的乳化沥青厂拌冷再生混合料的目标配合比设计结果见表9。表9乳化沥青厂拌冷再生混合料的目标配合比设计结果新集料新集料原材料RAP水泥OWCOEC10 mm20 mm05 mm材料用量(%)80.015.53.01.54.94.03设计级配的水稳定性能验证与机理分析3.1水稳定性为了分析VAE改性乳化沥青混合料对水稳定性的改善程度，以普通乳化沥青混合料作对比，通过冻融劈裂强度比TSR来评价混合料的水稳定性。按照表9 的各项材料掺配比例成型标准马歇尔试件，依据试验规程JTGE202011中T072920003的方法分别进行冻融劈裂试验，测试马歇尔试件在不同养生龄期下的水稳定性，试验结果如图5所示。1.2RTI（普通）RT2（普通）一一TSR普通）85RTI(VAE)RT2(VAE)-TSR(VAE)1.01.179.6800.877.9660.67520.4700.20.06537142860养生龄期(d)图5两种乳化沥青冷再生混合料的冻融劈裂试验结果由图5可知，加人VAE改性剂后，所有龄期下冷再生混合料的劈裂强度和冻融劈裂强度比均呈稳定性增长。说明对比普通冷再生混合料，VAE改性剂能明显改善沥青与集料的粘附性，提高冷再生混合料的水稳定性。3.2机理分析分别制备普通乳化沥青和3%的VAE改性乳化沥青残留物的样本，使用LW300LFT荧光显微镜，在40 0 X荧光显微镜下通过调整焦距观测改性剂在乳化沥青中的分散情况和粒径大小。观察发现，VAE呈微小颗粒状均匀分布在乳化沥青中，两者形成的交联结构改善了集料与沥青的粘结作用，沥青与骨料之间可以产生足够的粘结强度，从而提高冷再生混合料在低温下抵抗水侵蚀的能力。同时，VAE结构中具有较多亲水基团，遇水能快速吸收，提高混合料的稳定性和密实性。因此，VAE改性乳化沥青相比于普通乳化沥青明显改善了冷再生混合料的水稳定性。4VAE改性乳化沥青冷再生的应用4.1试验路段为了考察VAE改性乳化沥青在实际工程中的水稳定性，把VAE改性乳化沥青冷再生混合料铺筑在国道337路面改造工程山西某段路面下面层，该层再生混合料类型为AC-20,厚度为8 cm，铺筑长度为50 0 m，其余路段采用普通乳化沥青冷再生混合料，对比两种路段的冷再生混合料的水稳定性能。两种乳化沥青经拌和、运输、摊铺、压实及养生成型。在拌和时，采用二级拌合设备使乳化沥青能充分裹附在石料表面，严格控制拌和时间。4.2试验路段检测选用乳化沥青冷再生混合料原材料比例为RAP：新集料1 0 mm20mm：新集料0 5mm：水泥=8 0%：收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 3Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期6内蒙古公路与运输15.5%：3.0%：1.5%，最佳乳化沥青含量为集料的4.0%，拌和用水量为集料的4.9%。在养生3 d、7 d、1 4d、2 8 d、60d后，分别钻取不同龄期下不同试验段芯样，选择具有完整性且代表性的芯样,芯样直径为1 0 0 mm,厚度为63.5mm，进行干湿劈裂强度和冻融劈裂强度试验，试验结果如图6 和图7 所示，951.2Pa（警通）Pw（普通）Pwd（普通）P(VAE)P(VAE)-Pwd(VAE)92.01.091.390.890(%)磁士8710.888.085.985.184.6850.682.80.480.4800.20.07537142860养生龄期(d)图6VAE和特种混合料的干湿劈裂试验结果1.2R（普通）R（普通）金一TSR（普通）WRTi(VAE)RT(VAE)+TSR(VAE)8582.81.081.6(%)79.679.28078.378.50.877.575.60.673.87572.40.4700.20.06537142860养生龄期(d)图7VAE和特种混合料的冻融劈裂试验结果由图6 可知，劈裂强度在3 d7d之间的增长速率最快，随着养生龄期的延长，劈裂强度的增长逐渐趋于平缓。这表明7 d以后沥青破乳及水泥水化过程基本结束，混合料内沥青与骨料初步形成稳定的交联结构。在铺筑热料过程中,冷再生混合料被“二次”碾压，密度进一步变大,结构稳定性得到进一步提升,且在养生前期，结构强度尚未形成，初期强度还较小，因此增长幅度较大，而随着强度形成之后，后期强度增长较慢。由图6 和图7 可知，在所有龄期下，VAE改性乳化沥青冷再生混合料的冻融劈裂强度和干湿劈裂强度均比普通乳化沥青的优异，说明了VAE的添加有利于混合料劈裂强度和水稳定性的提高5结语旧料RAP抽提后的集料细化和细集料脱落等缺陷可通过添加新的粗细集料和水泥等方法来弥补，同时冷再生混合料的级配可以采取将RAP逐级筛分后的级配按掺配比例与新集料、填料确定设计合成级配的方法，减少RAP的缺陷性对混合料路用性能的影响改性乳化沥青再生混合料的空隙率随乳化沥青用量的增加而减小，干湿劈裂强度随乳化沥青用量的增加先增大后减小；RAP掺量会影响混合料中沥青和粗集料含量的变化，从而影响混合料的强度和水稳定性，当RAP掺量为8 0%时，混合料的强度和水稳定性更好。VA E改性沥青混合料与普通沥青混合料相比，劈裂强度与水稳定性都能得到较好的改善。其原因是VAE改性剂与乳化沥青有良好的相容性，两者能形成稳定的交联结构，从而明显改善沥青与集料的粘结作用。参考文献1徐红.沥青路面就地冷再生施工技术 J.交通世界,2 0 2 2(1 4)：1 0 5-1 0 7.2贾亚楠.冷再生技术在高速公路路面大修中的应用 J.交通世界,2 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