乳化沥青冷再生混合料强度特征与失效断裂演变机制研究进展

“双碳”背景下,将乳化沥青冷再生混合料作为冷拌路面材料已受到道路工程界的广泛关注.针对乳化沥青冷再生混合料设计与应用中关键技术问题的研究进展进行了综述,系统地汇总了乳化沥青冷再生混合料在施工控制、强度发展机理和损伤行为特征3个方面的研究成果.混合料制备工艺方面,总结了目前国内外乳化沥青冷再生混合料生产工艺的相关技术,阐述了乳化沥青冷再生混合料的材料特性、拌和工艺、成型方式和养生条件等对其施工和易性的影响;混合料强度发展机理方面,阐明了乳化沥青冷再生混合料在不同影响因素下的微观结构特征,凝练了材料强度形成过程中的内部界面行为;混合料断裂失效行为特征方面,归纳了研究断裂行为和断裂机理的理论方法和实验手段,探讨了乳化沥青冷再生混合料的断裂机制与疲劳特性.研究表明:构建全面的材料组成特性认知体系,利用多尺度手段揭示乳化沥青冷再生混合料强度形成机理,实时动态感知混合料疲劳损伤过程的阶段性演化规律,将对改善乳化沥青冷再生混合料的力学性能和延长冷再生路面的使用寿命具有重要意义.

基于早期抗压强度的乳化沥青冷再生混合料配合比设计方法

为了研究不同级配冷再生混合料的早期强度评价指标及最佳乳化沥青用量(OEC),在RAP料中掺入不同比例的新集料,设计出4种不同级配的冷再生混合料,通过击实试验确定了不同级配混合料的最佳掺水量。针对我国现行规范中最佳乳化沥青用量确定方法的不足,以试件含水率为2%作为试件的试验状态。根据剩余含水率及强度检测结果,确定了采用静压试件在25℃鼓风烘箱中养生27 h后的无侧限抗压强度作为评价乳化沥青冷再生混合料早期强度的指标。以早期抗压强度和干、湿劈裂强度为指标,确定了不添加水泥时冷再生混合料在不同强度指标下对应的OEC。基于冷再生料早期强度,提出了以早期抗压强度为指标确定最佳乳化沥青用量。最后,以早期抗压强度为指标,确定了不同级配混合料的最佳乳化沥青用量。结果表明:同一强度指标下,4种冷再生混合料的最佳沥青用量大小顺序为XL40>XL30>XL20>XL10,表明随着新集料掺量的增加,冷再生混合料的最佳乳化沥青用量也逐渐增加;同一冷再生混合料下,3种强度指标最大值对应的最佳乳化沥青用量大小顺序为OECd>OECw>OECe,与OECd和OECw相比,OECe少了0.24%~0.5%的乳化沥青用量;与采用OECd和OECw的冷再生混合料相比,在兼顾后期强度的同时,采用OECe的冷再生混合料具有较高的早期强度。冷再生混合料强度虽满足规范要求,但并未表现出较高的力学强度,在此可通过添加适量的水泥来进行改善。

级配对乳化沥青冷再生混合料强度的影响

采用垂直振动成型方法制备圆柱体试件,研究了矿粉、机制砂和9.5~19.0mm粗集料掺量对乳化沥青冷再生混合料强度的影响.结果表明:矿粉掺量(质量分数,下同)小于5%时,随矿粉掺量增加,冷再生混合料力学强度增大,但增大速率逐渐变缓,矿粉掺量大于3%时,与不掺加新集料乳化沥青冷再生混合料相比,其力学强度至少可提高5%;随机制砂掺量增加,冷再生混合料力学强度先增大后减小,机制砂掺量为20%时,混合料马歇尔稳定度、干湿劈裂强度和冻融劈裂强度均达到峰值,力学强度至少可提高17%;随9.5~19.0mm粗集料掺量增加,冷再生混合料干湿劈裂强度先增加后减小,当9.5~19.0 mm粗集料掺量为20%时,冷再生混合料力学强度至少提高19%.因此,考虑材料经济性问题,建议冷再生混合料中矿粉掺量为3%,机制砂掺量为20%,9.5~19.0mm粗集料掺量为20%.

乳化沥青冷再生混合料断裂性能试验研究

乳化沥青冷再生沥青路面的开裂问题是制约其大规模推广使用的主要原因之一。为了研究冷再生沥青混合料断裂性能的评价指标及抗裂性能提升措施,以普通乳化沥青、外掺玄武岩纤维和SBR改性乳化沥青3种冷再生混合料为研究对象,开展了有预制裂缝中梁的四点弯曲强度试验及其断裂过程的声发射测试;以应变能释放速率、应力强度因子和声发射测试中所采集的能量及振铃计数‒撞击数等参数为评价指标,对比分析了3种不同乳化沥青冷再生混合料的断裂性能。试验结果表明:使用SBR改性乳化沥青和外掺玄武岩纤维均对乳化沥青冷再生混合料的抗断裂性能有较为显著的提升,且相比于使用SBR改性乳化沥青,外掺玄武岩纤维更为有效。振铃计数和撞击数参数可以较好地描述材料的断裂特征,声发射试验结果与断裂力学参数计算结果满足较好的线性相关性。声发射信号参数能够很好地描述乳化沥青冷再生混合料在四点弯曲试验中的断裂特征。

发泡剂对冷再生沥青混合料强度特性的影响

为改善泡沫沥青发泡性能及其冷再生混合料强度,掺入不同种类发泡剂进行改性.采用沥青发泡试验、混合料力学试验、电镜扫描试验及红外光谱试验研究了发泡剂种类和质量分数对沥青发泡特性、冷再生沥青混合料强度及微观物化特性的影响.结果表明:发泡剂可有效提升发泡性能和再生混合料力学强度;随发泡剂质量分数的增加,各项性能均先提高后降低,最佳方案为掺入质量分数为0.5%的十六烷基三甲基溴化铵发泡剂,沥青膨胀率增大21.4%,半衰期延长1.1倍,再生混合料无侧限抗压强度、干劈裂强度、湿劈裂强度、低温抗弯拉强度和破坏应变分别提高14.7%、13.9%、29.0%、27.8%和31.4%;掺加发泡剂后,沥青膜对集料颗粒裹覆更充分,新生成的化学物质有助于提高泡沫沥青稳定性及其与旧料的黏附性能.

养生期乳化沥青冷再生混合料强度及疲劳损伤特性

现行沥青路面再生技术规范乳化沥青冷再生混合料配合比设计过程中没有对早期强度提出具体要求,缺乏对早期强度的重视,导致养生7 d后混合料取芯困难或钻不出完整芯样。以含水率做为评价指标揭示了养生期乳化沥青冷再生混合料强度、模量及疲劳损伤特性。进行了不同含水率下乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度、抗压回弹模量、间接拉伸疲劳特性及钻芯完整率研究,揭示了劈裂强度、抗压回弹模量和抗剪切强度随含水率的变化规律,建议乳化沥青冷再生混合料层开放交通条件以含水率为控制指标,推荐乳化沥青冷再生混合料加铺上层结构时含水率不宜大于1.5%。

冷再生泡沫沥青混合料强度影响因素

对泡沫冷再生沥青混合料进行了强度的研究。主要从几个方面考虑其强度对泡沫冷再生沥青混合料的强度影响:RAP含量、泡沫沥青的发泡效果、沥青用量、水泥用量、拌合时含水量,拌合温度以及养生条件。并对这几种因素作了一些量化的分析。

冷再生混合料力学强度影响因素探究

采用垂直振动成型方法制备试件,研究乳化沥青类型、水泥掺量、纤维类型及掺量对冷再生混合料力学强度的影响。结果表明:与普通中裂乳化沥青冷再生混合料相比,丁苯橡胶(styrene butadiene rubber, SBR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)改性乳化沥青冷再生混合料力学强度可分别至少提高15%、9%;掺1.5%水泥的冷再生混合料的抗剪强度至少可提高85%;与不掺纤维冷再生混合料相比,掺0.4%聚酯纤维的冷再生混合料力学强度至少可提高8%。因此,根据力学性能最优原则,选取SBR改性乳化沥青作为冷再生混合料的胶结料,考虑材料经济性问题,建议冷再生混合料中水泥掺量为1.5%,建议选用0.4%掺量的聚酯纤维来提升冷再生混合料的力学强度。

橡胶粉改性的乳化沥青冷再生混合料强度特性及路用性能研究

为研究橡胶粉改性乳化沥青和橡胶粉掺量对冷再生混合料强度特性和路用性能的影响,探究橡胶粉改性沥青用于冷再生混合料的可行性,并将其与普通乳化沥青和SBS改性乳化沥青进行了对比,基于乳化沥青冷再生混合料早期强度、力学性能和路用性能要求,确定了适宜的橡胶粉掺量。室内试验结果表明:采用废橡胶粉制备改性乳化沥青是可行的,相比SBS改性乳化沥青,橡胶粉改性乳化沥青具有良好的储存稳定性,且具有更高的柔韧性和弹性。橡胶粉改性乳化沥青可大幅度提高冷再生混合料的路用性能,尤其是显著改善了冷再生混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性。工程实践证明,橡胶粉改性乳化沥青冷再生混合料摊铺完成4天后即可钻出完整芯样,显著改善了冷再生混合料的早期强度。

WEP改性泡沫沥青冷再生混合料的强度特性及耐久性

为提高泡沫沥青冷再生混合料的早期强度、抗松散性能、水稳定性和耐久性能,将水性环氧树脂(WEP)应用于泡沫沥青冷再生混合料,研究了WEP掺量对泡沫沥青冷再生混合料性能的影响,通过SEM分析了影响机理。结果表明,掺加WEP能显著提高泡沫沥青冷再生混合料的力学性能、水稳定性和抗疲劳耐久性能,同时降低疲劳寿命对应变水平的敏感性。WEP对泡沫沥青冷再生混合料的改性机理在于其界面增强作用、加箍锁作用及加筋阻裂作用。推荐泡沫沥青冷再生混合料中WEP的适宜掺量为2%~3%。

旧料掺量对冷再生混合料强度影响

冷再生技术与传统的沥青路面维修方式相比，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。所谓复合式冷再生，是指将分离的旧路面层和基层旧料按合理的掺配比例用于再生料的方法，使旧料达到最大程度的有效利用．兼使其使用性能效果亦达到最佳。

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4 h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%和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。

乳化沥青冷再生混合料的早期强度性能评价研究

针对乳化沥青冷再生混合料的特点,通过对目前冷再生设计方法的比较,提出乳化沥青冷再生混合料早期强度的评价方法。介绍了乳化沥青配方早期强度选择的基本流程,最后通过混合料早期黏聚力,抗磨耗能力及取芯能力确定最佳乳化沥青配方,并结合工程实践说明新设计方法是可行的。

垂直振动压实水泥冷再生混合料的抗压强度特性

为了揭示水泥冷再生混合料(CCRM)抗压强度特性,采用垂直振动成型CCRM圆柱体试件,研究了龄期、新集料掺量、基面层回收料比例、水泥剂量等因素对CCRM抗压强度的影响规律。结果表明:CCRM抗压强度随龄期增长而增大,28d抗压强度约为极限强度的80%,90d抗压强度约为极限强度的90%,建议加强CCRM早期养生;与不掺新集料的CCRM相比,掺20%、40%新集料的CCRM90d抗压强度可提高约4.5%、13.1%,故建议新集料掺量为40%。

乳化沥青冷再生混合料早期强度评价

乳化沥青冷再生混合料需要一定的破乳时间形成强度,从而导致施工工期延长,且混合料强度较低会致使路面后期出现松散、坑洞等病害。通过添加水泥一方面可以加速乳化沥青的破乳速度,同时能够显著提高冷再生混合料的早期强度。该文通过粘结力试验和抗磨耗试验对不同水泥掺量的乳化沥青冷再生混合料早期强度进行了分析研究,且对其水稳定性进行了分析研究。结果表明:随着水泥掺量的不断增加,乳化沥青冷再生混合料的早期强度和抗水损害性能逐渐增大,同时水泥加速了乳化沥青冷再生混合料早期强度的获取速率。然而水泥用量过高时会使冷再生混合料变脆,导致混合料低温性能降低,因此在设计时需要严格控制水泥的掺量。

掺水泥乳化沥青冷再生混合料强度影响因素试验研究

采用垂直振动成型方法制备圆柱体试件,通过试验研究了乳化沥青类型和水泥掺量对高速公路路面上面层掺回收料就地冷再生混合料强度的影响。结果表明:与普通中裂乳化沥青冷再生混合料相比,SBR与SBS改性乳化沥青冷再生混合料力学强度可分别至少提高15.0%,9.0%;掺水泥1.5%乳化沥青冷再生混合料的马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了11.0%,13.0%,19.0%,85.0%。因此,根据力学性能最优原则,选取SBR改性乳化沥青作为冷再生混合料的胶结料;考虑材料经济性问题,建议冷再生混合料中水泥掺量为1.5%。

乳化沥青冷再生混合料劈裂强度影响因素分析

为了探究回收沥青路面材料(RAP)掺量、乳化沥青用量、级配、水泥用量等因素对乳化沥青冷再生混合料干、湿劈裂强度的影响,测试了13种不同组成的冷再生混合料的干、湿劈裂强度。结果表明:随着乳化沥青用量的增加,冷再生混合料的干、湿劈裂强度呈现先增大后减小的趋势;增加水泥用量、降低RAP掺量、采用粗级配均有助于提高冷再生混合料的干、湿劈裂强度。干、湿劈裂强度影响因素的灰色关联分析表明,各因素关联性大小的排序依次为:乳化沥青用量、水泥用量、级配、RAP掺量,即乳化沥青用量是影响干、湿劈裂强度最关键的因素。

水泥冷再生混合料抗压强度影响因素分析

为揭示水泥冷再生混合料(CCRM)抗压强度特性,采用垂直振动成型CCRM圆柱体试件,研究了9.5～19 mm粗集料以及水泥剂量对CCRM抗压强度影响规律。研究表明:随着9.5～19 mm粗集料掺量增加,CCRM抗压强度先增加后减小,当9.5～19 mm粗集料掺量20%时,CCRM抗压强度达到峰值,与不掺加9.5～19 mm粗集料的CCRM相比,可提高19%;增加水泥剂量可显著提高CCRM抗压强度,与水泥剂量为3%的CCRM相比,水泥剂量为4%的CCRM 90 d抗压强度可提高13.8%。

乳化沥青冷再生混合料的室内设计与性能评价研究

针对乳化沥青冷再生混合料初期易松散破坏的特点,文中提出了新的设计和性能评价方法。设计方法采用Su-perpave体积设计法,并给出合适的室内成型工艺;混合料性能的评价分两阶段:成型初期,采用修正肯塔堡飞散试验和冻融劈裂试验分别评价混合料的初期抗松散性和其中存在的水对路用性能的影响;成型后期,采用车辙、冻融劈裂、小梁弯曲来控制混合料的长期路用性能。最后,采用该方法对实际工程材料进行了验证,取得了较好的效果。

乳化沥青冷再生混合料劈裂强度试验研究

研究沥青、水泥和水对沥青混合料强度的影响,通过正交试验对乳化沥青再生混合料进行劈裂强度试验,最终得出三种影响因素均影响显著,当各种材料含量适当时才可使乳化沥青冷再生混合料拥有最佳强度。