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.

二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料性能的影响

为了量化分析现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料性能的影响,基于常规力学性能试验、Overlay Tester反射裂缝试验、低应变水平下的四点弯曲疲劳试验,对比分析了现场铺筑上覆热拌沥青混合料前后乳化沥青冷再生芯样与室内马歇尔试样的力学性能差异。量化分析了现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能及耐久性能的增强效果,并基于工业CT无损检测技术,分析了现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料微细观空隙结构的影响规律。结果表明:现行规范推荐的马歇尔二次击实方法并不能很好地模拟现场实际压实状况,现场二次热压实对乳化沥青冷再生混合料力学性能、抗反射裂缝性能和抗疲劳耐久性能均有明显增强作用;现场压实乳化沥青冷再生混合料内部的大空隙数量和等效空隙直径均小于马歇尔击实成型,二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料空隙级配影响显著;现场二次压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能和疲劳性能的改善机理在于二次压实作用增强了乳化沥青冷再生混合料密实度,降低了微细观空隙直径,改善了微细观空隙级配。

寒区低温环境下泡沫沥青冷再生混合料性能研究

我国西藏、青海等省区全年气候寒冷,平均气温低,昼夜温差和年温差大,冻融循环频繁,公路建设普遍面临着生态环境脆弱、建筑材料数量匮乏且质量较差等问题。针对上述寒区气候特点,采用5℃、10℃、22℃、40℃、60℃和110℃分别模拟低温、室温、中温和高温养生条件下泡沫沥青冷再生混合料现场养生条件,基于室内试验分析了寒区低温环境温度对泡沫沥青冷再生混合料力学性能、路用性能、耐久性能的劣化影响;进而基于数字图像处理技术和工业CT无损检测技术,探讨了养生温度对泡沫沥青冷再生混合料内部泡沫沥青分散性状及微细观空隙结构的影响规律。结果表明:随着养生温度升高,泡沫沥青冷再生混合料的单轴贯入强度、无侧限抗压强度、动态回弹模量等力学指标均呈指数函数关系增大;相较于标准养生条件,在低温条件下拌和、养生的泡沫沥青冷再生混合料,其高温稳定性、抗反射裂缝性能及抗疲劳性能下降明显,并且环境温度越低,泡沫沥青冷再生混合料的综合路用性能降低幅值越大。升高养生温度后,泡沫沥青在破坏试件界面的分散面积增大,微细观空隙直径减小,并且微细观空隙结构中体积小于0.05 mm3的空隙占比增大。养生温度对泡沫沥青冷再生混合料的作用机理主要在于提高养生温度对泡沫沥青分散性状的促增作用和微细观空隙结构的细化作用。建议在泡沫沥青冷再生路面施工期间加强施工和养生期间的温度控制,并且结合寒区施工季节温度调整室内配合比设计养生温度。本研究成果可为泡沫沥青冷再生技术在寒区的推广应用提供借鉴。

冷再生沥青混合料配合比设计及路用性能研究

本文旨在提高冷再生沥青混合料的路用性能,针对冷再生沥青混合料配合比设计进行了系统分析和试验验证,在分析冷再生沥青混合料主要原材料性能特性的基础上,以最佳含水率、乳化沥青用量及外掺水泥为控制因素,确定了冷再生沥青混合料最优配合比,并通过车辙试验和冻融劈裂试验对混合料的高温稳定性和水稳定性进行评估。研究结果表明,混合料在高温稳定性试验中的动稳定度为5727次/mm,冻融劈裂试验抗拉强度比为80.0%,均满足标准要求。

不同养生龄期下VAE改性乳化沥青冷再生混合料的路用性能

乳化沥青冷再生技术应用于道路工程时,常因养生龄期的限制和冷再生混合料自身水稳定性不足导致出现各种路面病害。以提高冷再生混合料的水稳定性为出发点,采用一种新型的改性剂醋酸乙烯-乙烯共聚物(VAE)对乳化沥青进行改性;探究VAE改性乳化沥青冷再生混合料在较长养生期间其路用性能的变化规律,以普通乳化沥青冷再生混合料为参照,采用干湿劈裂试验、冻融劈裂试验、20℃肯塔堡飞散试验、车辙试验和-10℃弯曲试验综合分析VAE改性乳化沥青冷再生混合料的路用性能,并从微观角度分析VAE改性乳化沥青冷再生混合料性能提升的机理。试验与分析结果表明:养生3~7 d是乳化沥青冷再生混合料发育形成强度的关键阶段;无论从水稳定性、抗剥落性方面还是高低温性能方面,VAE改性乳化沥青混合料的各项性能均优于普通乳化沥青冷再生混合料,具有推广应用价值。

100%RAP的废机油-乳化沥青冷再生沥青及混合料性能试验

基于100%RAP再生率,采用废机油预润再生老化沥青,并对其进行三大指标和红外光谱试验,同时对其混合料进行干湿劈裂试验、冻融试验及马歇尔稳定度试验,以评价其力学及水稳性能。试验结果表明:废机油可以在三大指标上使老化沥青接近新沥青,但掺量过高会导致软化点过低,使冷再生混合料性能降低;红外光谱表明废机油具有降低亚砜基和羰基极性官能团指数的作用;经过废机油预润再生后,RAP表面老化沥青初步激活,与乳化沥青更好的粘结,可提高混合料的强度及水稳性能;废机油掺量为10%的乳化沥青再生混合料性能较差,这与废机油过量有关。

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。

泡沫沥青冷再生混合料最佳沥青用量设计

结合泡沫沥青冷再生混合料的室内试验,探讨确定泡沫沥青再生混合料最佳沥青用量的方法和最佳油石比。采用干劈裂强度、湿劈裂强度、干湿劈裂强度比、冻融劈裂强度比、马歇尔稳定度和浸水马歇尔残留稳定度进行综合性能分析,获得最佳沥青用量。

乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料性能研究

为了检验沥青稳定类冷再生混合料性能,回答乳化沥青与泡沫沥青孰优孰劣的争论,采用劈裂试验、车辙试验对泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料性能进行了对比试验研究。研究结果表明,乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料的力学特性有明显的温度依赖性,均为粘弹性材料;冷再生混合料15℃劈裂强度满足规范中密级配粗粒式热拌沥青混凝土强度范围;泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度、浸水24 h后的劈裂强度略高于乳化沥青冷再生混合料;乳化沥青冷再生混合料的动稳定度显著高于泡沫沥青冷再生混合料,且都远超过规范对改性沥青混合料动稳定度的技术要求。乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料性能均能满足沥青路面中下面层的要求。

乳化沥青冷再生混合料疲劳性能及机理分析

乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳开裂性能会影响沥青路面结构层整体服役寿命。为了评价不同增强方式下乳化沥青冷再生沥青混合料的疲劳性能,以普通乳化沥青、外掺玄武岩纤维和SBR改性乳化沥青这3种冷再生混合料为研究对象,开展了乳化沥青冷再生混合料中梁试件的四点弯曲疲劳试验,建立了3种乳化沥青冷再生沥青混合料的疲劳方程,揭示了疲劳过程中动态弯拉模量和累积耗散能的演化规律。采用扫描电镜试验获取了乳化沥青冷再生混合料疲劳破坏界面的微观形貌。试验结果表明:动态弯拉模量衰减至初始模量的70%~80%即可能发生断裂。动态弯曲劲度模量比κ越小、累积耗散能越大,疲劳性能越好。SBR改性乳化沥青和外掺玄武岩纤维均可以改善乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能。SEM试验揭示了乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能增强机理。研究成果可为乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能提升及其耐久性设计提供参考。

泡沫沥青厂拌冷再生混合料在G228国道的应用

泡沫沥青厂拌冷再生技术具有环保性强、造价低的特点,同时具有抗车辙强、高温稳定性好等优点,阐述了该技术的应用情况,通过对研究项目路面病害的检测及路面、路基状态的分析,并从原材料配合比、沥青发泡特性、最佳含水量、沥青用量、改造后路况检测等方面进行了研究探讨,使用该技术改造后的路面使用状况良好,发展前景十分广阔。

乳化沥青冷再生混合料水稳定性研究

为改善乳化沥青冷再生混合料界面强度低、水稳定性差的问题,提出采用水泥和聚酯纤维对其进行改良。依托某市政大中修工程,采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究了水泥剂量和纤维掺量对冷再生混合料水稳定性的影响。结果表明:水泥剂量的增大对冷再生混合料水稳定性提升显著,随着水泥剂量的增加,乳化沥青就地冷再生混合料马歇尔稳定度和劈裂强度逐渐增大,残留稳定度和冻融劈裂强度比也有所提高,推荐水泥掺量为1.5%;随着纤维掺量的增加,混合料力学强度和水稳定性能指标数值先增大后减小,纤维掺量为0.5%时混合料性能最佳。

泡沫(乳化)沥青冷再生混合料动态模量特性及其主曲线研究

为了指导泡沫（乳化）沥青冷再生混合料的设计和应用,采用简单性能试验机（SPT）测试了不同水泥和泡沫（乳化）沥青掺量的冷再生混合料的动态模量,开展了动态模量关键影响因素试验温度、加载频率、水泥剂量、泡沫沥青用量的方差分析,并根据时间-温度等效原理利用非线性最小二乘法拟合得到了20℃参考温度下的动态模量主曲线。试验结果表明,水泥和泡沫（乳化）沥青用量均对冷再生混合料的动态模量有显著影响,随着水泥掺量增大,冷再生混合料动态模量增大,适宜的水泥掺量为1.5%~2.0%,动态模量在最佳泡沫（乳化）沥青用量时达到峰值。采用规划求解所确定的动态模量主曲线可预测加载频率以外的动态模量,《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）推荐的泡沫（乳化）沥青冷再生混合料15℃抗压回弹模量1 400~1 800 MPa,对应的动态模量主曲线加载频率为0.01~10.05 Hz,20℃抗压回弹模量1 000~1 400 MPa,对应的动态模量主曲线加载频率为0.01~10.2 Hz。推荐路面结构动态设计时泡沫（乳化）沥青冷再生混合料10 Hz动态模量为3 500~5 500MPa,5 Hz动态模量为3 000~5 000 MPa。

不同类型纤维对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响研究

将玄武岩纤维(BF)、聚丙烯纤维(PPF)、聚丙烯腈纤维(PANF)以不同的掺配比例添加至乳化沥青冷再生混合料(EACRM)中进行改性,并分别进行沥青混合料的高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及间接拉伸疲劳试验,考察不同纤维类型、掺量对EACRM性能影响规律。结果表明:随着纤维掺量的增加,三种纤维改性EACRM的各指标性能均呈先增大后减小变化;掺入适量的纤维有利于提升EACRM的路用性能及疲劳性能,但纤维过量会对其综合性能有所削弱;推荐BF、PPF、PANF的最佳纤维掺量分别为0.3%、0.2%、0.3%,其中BF改善EACRM的性能效果最佳。

混杂纤维改性乳化沥青冷再生混合料性能研究

为了提高乳化沥青冷再生混合料(EACRM)的使用性能,选用玄武岩纤维(BF)和聚丙烯纤维(PP)作为混杂纤维进行配比设计,并基于一系列室内试验针对混杂纤维EACRM的力学、路用、抗松散及耐久等性能进行了研究。结果表明:随着纤维掺量的增加,EACRM的力学性能先提高后降低,掺入合理配比及掺量的混杂纤维均能有效提高EACRM的力学性能;与未掺、单掺纤维相比,混杂纤维对EACRM路用性能、抗松散性能以及耐久性能的改善效果更优;m(BF):m(PP)=7:3、总掺量为0.4%的混杂纤维可显著增强EACRM的综合性能,进一步提升其服役质量及使用性能。

泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的剪切性能

为了检验泡沫(乳化)沥青冷再生混合料抗剪切性能,采用简易三轴试验模拟路面内部沥青冷再生混合料的受力状态,分析沥青结合料的种类和掺量、试验级配、水泥掺量、RAP掺配比例对混合料抗剪切强度的影响。结果表明:泡沫(乳化)沥青冷再生混合料具有较大的内摩擦角和较小的黏聚力;泡沫(乳化)沥青最佳用量可采用简易三轴试验剪切强度峰值确定。

泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料的水稳性比较

泡沫沥青及乳化沥青混合料作为最常用的柔性再生混合料,具有广泛的应用前景。由于现行路面设计要求较低及路面所用集料粒径的增大,部分水分会穿过面层渗入到基层,这就要求基层具有良好的水稳性。本试验选取4个沥青含量,采用湿劈裂强度及干湿劈裂强度比两个指标对两种混合料的水稳性进行了比较。通过对混合料成型机理、试验现象及试验结果的分析,得出乳化沥青混合料水稳性优于泡沫沥青混合料的结论。

基于不同纤维的冷再生乳化沥青混合料性能试验

冷再生乳化沥青混合料能利用沥青路面废弃材料用于工程实践,具有良好环保性、经济性,但由于抗松散性能差、低温性能差等原因,该材料通常仅用于较低路面结构层位。为推动冷再生乳化沥青混合料在高路面结构层位中的应用,设计试验并探究乳化沥青混合料掺入不同种类纤维后的各项性能水平差异,结果显示混合料掺入纤维后路用性能和疲劳特性均得到有效提升;无论掺加哪种纤维,随纤维掺量增加,混合料的各项力学性能前期均出现一定程度提升,最终会逐渐缓慢回落,且掺入纤维后混合料长期性能具有良好稳定性。

乳化沥青冷再生混合料疲劳性能分析

为了研究乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能,采用半圆弯曲疲劳试验,以乳化沥青混合料CIR-20试件为对象,深入探讨了不同应力比条件下乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能。研究发现,水泥用量对再生混合料疲劳性能具有显著影响。添加1.5%的水泥能增强乳化沥青冷再生混合料的抗裂强度。在同等应力条件下,水泥的添加对乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能产生负面影响,导致疲劳寿命的减少。相对于热拌沥青混合料,在低应力比(<0.35)下,乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能优于普通热拌沥青混合料;而在高应力比(≥0.35)条件下,其抗疲劳性能则相对较差。

水泥种类和掺量对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响

乳化沥青冷再生混合料早期强度的提升主要依靠水泥的水化作用,但掺加过多的水泥对沥青混合料的抗裂性能不利,乳化沥青冷再生混合料中水泥掺量应采用平衡设计,兼顾早期强度、高温性能、低温性能和水稳定性。文中通过室内试验测试掺加普通硅酸盐水泥P.O 42.5和复合硅酸盐水泥P.C 42.5的乳化沥青冷再生混合料的早期动稳定度、低温弯曲应变和弯曲应变能密度、浸水飞散损失及冻融劈裂残留强度比,分析水泥种类和掺量对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响,确定适宜的水泥种类和掺量。结果表明,随水泥掺量增加,乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性、水稳定性逐渐增强,低温抗裂性能先增强后减弱;与掺加P.C 42.5水泥相比,掺加早期强度更高的P.O 42.5水泥,乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性和水稳定性提升更显著,但低温抗裂性能变差。在高温性能和早期强度要求较低、低温性能要求较高的地区,应严格限制水泥掺量,宜控制在1.5%以内。