乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計與性能評價方法

賴輝

【摘?要】根據(jù)乳化瀝青冷再生混合料強度形成機理，提出乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計方法，并針對乳化瀝青冷再生混合料的和易性和早期強度兩項關(guān)鍵指標進行了詳細的介紹，提出了乳化瀝青冷再生混合料和易性評價方法及早期強度的保證措施。同時，結(jié)合工程實踐提出了乳化瀝青冷再生路面施工質(zhì)量影響的主要因素及其控制指標和參數(shù)。論文對于乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計及相關(guān)工程實踐具有重要參考價值。

【關(guān)鍵詞】冷再生;乳化瀝青;配合比設(shè)計;和易性;早期強度

Design and performance evaluation method of emulsified asphalt cold recycled mixture

Lai Hui

（Chongqing Municipal Design and Research Institute?Chongqing?400000）

【Abstract】According to the formation mechanism of emulsified asphalt cold recycled mixture， the design method of emulsified asphalt cold recycled mixture was proposed. The key indicators of workability and early strength of emulsified asphalt cold recycled mixture were introduced in detail. Evaluating method for the evaluation of the ease of emulsified asphalt cold recycled mixture and early strength. At the same time， combined with engineering practice， the main factors and control indexes and parameters of the construction quality of emulsified asphalt cold recycled pavement were proposed. The paper has important reference value for the mix design of emulsified asphalt cold recycled mixture and related engineering practice.

【Key words】Cold regeneration;Emulsified asphalt;Mix design;Workability;Early strength

1. 引言

（1）自2003年第一條乳化瀝青冷再生在滬寧高速上的應用開始，乳化瀝青冷再生變逐漸在一些省份開始進行一些試驗性的研究和試驗段的鋪筑，在江西九景高速、昌九高速甚至得到了大規(guī)模的應用，雖然從當時的情況來看，取得了一定的突破，但在實施過程中仍然存在許多問題，如混合料得不到良好的裹覆、路面成型慢等。造成這些問題的根本原因在于對乳化瀝青冷再生混合料的組成設(shè)計與性能評價方面的認識存在不足，有待進一步研究。

（2）乳化瀝青冷再生混合料組成包括乳化瀝青、舊瀝青、集料、水泥，乳化瀝青中又包含乳化劑、水和基質(zhì)瀝青，其組成成分相對普通的熱拌瀝青混合料復雜。由于冷再生混合料中一般都含有水分，冷再生混合料的配合比設(shè)計和半剛性材料的配合比設(shè)計也存在相似之處。因此很多學者在進行乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計時，最佳含水量按照半剛性基層的土工擊實試驗來確定，混合料的級配合成、最佳乳化瀝青用量、以及混合料的最終性能驗證過程則跟熱拌混合料比較相似。因此在進行《瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）編制時，由于缺乏足夠的工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支持，乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計是在綜合半剛性基層和熱拌混合料的設(shè)計方法基礎(chǔ)上編制的。

（3）總體而言，乳化瀝青冷再生混合料兼具瀝青混合料和水穩(wěn)混合料的特性，在配合比設(shè)計時，需要充分考慮材料組成及特性，考慮路用性能目標，采用平衡的理念進行綜合考慮。本文針對乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題，即冷再生混合料的和易性和早期強度進行了試驗研究和分析。

2. 和易性設(shè)計與評價方法

根據(jù)乳化瀝青冷再生項目的施工過程中的經(jīng)驗和教訓總結(jié)可知，乳化瀝青冷再生混合料面臨最大的困難是混合料的施工和易性和早期強度難以平衡，即解決了和易性的問題，早強又較差，混合料難以形成強度;刻意的提高早強性能，又容易出現(xiàn)粘車、卸車困難、碾壓粘輪等問題。最主要的原因是目前，國內(nèi)外并沒有合適的規(guī)范來保證混合料具備良好的施工和易性，也沒有較好的試驗方法來量化混合料的和易性。根據(jù)乳化瀝青混合料在施工過程中的情況，其和易性應體現(xiàn)在：易拌和，易鏟運，易攤鋪，易壓實;壓實之后，混合料應有一定的強度保持穩(wěn)定。

因此在試驗室則分別根據(jù)其在工程中的表現(xiàn)情況，通過室內(nèi)模擬實驗來檢驗乳化瀝青冷再生混合料的施工和易性，即分別通過拌合試驗、Mass Viscorsity試驗、旋轉(zhuǎn)壓實試驗，并對旋轉(zhuǎn)壓實后的試件養(yǎng)生后進行空隙率指標和劈裂強度測試。

2.1?拌合試驗。

（1）拌合試驗時一種經(jīng)驗性很強的試驗，必須要經(jīng)過大量的過程實踐，通過實際項目中成功或失敗案例的混合料狀況來判斷試驗室拌合出的混合料是否達到較好的狀態(tài)，一般按照以下的步驟進行試驗。

（2）綜合考慮舊料、新料（如果需要）、活性填料性質(zhì)、氣候及施工條件，備用3～5種乳化瀝青配方，對每個配方，按照0.5%的變化量確定5個乳化瀝青用量，在各乳化瀝青用量下與合成級配的礦料按照以獲得最佳裹覆狀況得到的最佳含水率分別進行試拌，觀察混合料的工作性、拌和均勻性、與集料裹覆狀態(tài)及混合料的漿態(tài)。如果拌和完成后集料表面顏色接近乳化瀝青本身顏色，且裹附均勻全面，基本無花白料，和易性好，有少量漿體，但漿體不流淌、不聚集，粗細料不分離，則混合料達到理想拌和狀態(tài)。3個以上乳化瀝青用量下均能實現(xiàn)理想拌和狀況的配方即可推薦為配伍性試驗的初選乳化瀝青配方。

（3）試驗過程中，我們主要是通過拌合試驗來判斷混合料的裹覆狀況，通過上面的拌合狀況，基本上可以從經(jīng)驗判斷出乳化瀝青配方的適用情況及RAP料的控制要求。并根據(jù)拌合狀況初步選擇一批乳化瀝青配方進行下一步試驗。

2.2?Mass Viscorsity試驗。

（1）Mass Visicosity采用的是瑞典Denimo Tech A/S公司制造的用于評價瀝青混合料或乳化瀝青混合料工作性的試驗設(shè)備。主要是通過向料框中裝入約6000～6500g料，并啟動推力桿，使其緩緩推動混合料，并記錄推動過程中的電流。當混合料中存在>10mm粒徑的集料，可能在剛開始推動或推動快結(jié)束時發(fā)生集料卡住機器的情況，造成電流過大，對試驗結(jié)果產(chǎn)生比較大的影響，因此在試驗時采用<10mm的RAP料。另推動的速度共分9檔，經(jīng)試驗研究，發(fā)現(xiàn)在進行乳化瀝青冷再生混合料施工和易性試驗，放在第6檔時，推動速度適中，能較好體現(xiàn)不同乳化瀝青配方的差異性。

（2）為評價不同乳化瀝青配方之間的差異，采用奉賢隋唐河路用的RAP料，按4.75～9.5mm：0～4.75mm：水泥=38.5：60：1.5，乳化瀝青用量5.0%，外加水3.0%進行拌合，拌合用的乳化瀝青配方分別為PC55（2.5%）、W5（3.0%）、0720G。拌合后的混合料放入25℃、80%濕度的恒溫恒濕箱中養(yǎng)生，并進行0h、1h、2h…6h的Mass Viscorsity試驗。需注意的是，乳化瀝青冷再生混合料推動時的電流隨著放置時間的延長而逐漸增大，但對于PC55配方的混合料，其電流在前面4h內(nèi)均較W5和0720G配方的混合料大，且在第4h達到最大值。表明該配方粘聚力起的最快，即破乳速度最快，在前面4h的施工和易性最差;0720G配方在前面3h內(nèi)電流最小，之后逐漸增大，在第4h后有較大的增加幅度，表明其在前面3h內(nèi)施工和易性最好，第4h后施工和易性有較大的降低趨向，說明其可工作時間約為4h。

2.3?旋轉(zhuǎn)壓實試驗。

（1）當今國際上最廣泛應用的混合料成型方法是馬歇爾擊實和旋轉(zhuǎn)壓實，但很多專家認為，馬歇爾擊實在模擬路面實際壓實狀況以及評價路面實際使用性能方面存在缺陷，旋轉(zhuǎn)壓實的搓揉成型方法比馬歇爾擊實成型方法更接近瀝青路面現(xiàn)場施工的實際情況，同時旋轉(zhuǎn)壓實能夠詳細反映在試件成型過程中每次壓實所產(chǎn)生的變形。本文將采用旋轉(zhuǎn)壓實的方法來評價乳化瀝青冷再生混合料的施工和易性。

（2）即將不同乳化瀝青配方的冷再生混合料拌和好之后，裝入錫盒用錫紙密封，放入與現(xiàn)場匹配溫度和濕度的恒溫恒濕箱中，分別放置0h、1h、2h…后進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗，根據(jù)混合料空隙率的變化曲線，及試件強度的衰減趨勢，來判斷該配方下乳化瀝青冷再生混合料的可工作時間。2012年施工的多個項目均是通過該試驗來確定乳化瀝青配方的施工和易性，如京沈輔路、天津濱石高速、奉賢隋唐河路等等。

3. 早強設(shè)計與評價方法

根據(jù)和易性試驗初步選定的乳化瀝青配方，在其推薦液體組合下，成型試件，在與現(xiàn)場施工想對應的溫度和濕度條件下進行養(yǎng)生，養(yǎng)生結(jié)束后立即進行混合料早期強度試驗（粘結(jié)力試驗、磨耗試驗和鉆芯試驗）。粘結(jié)力試驗（配合鉆芯）和磨耗試驗分別測試混合料表面和內(nèi)部的粘聚力早期形成狀況。表面的粘聚力形成狀況，表征最早交通開放時間。內(nèi)部粘聚力狀況，表征混合料整體性的初步形成和化學凝聚作用的基本完成。其評價指標包括：粘結(jié)力評價、磨耗評價、鉆芯評價。

3.1?粘聚力試驗。

（1）粘聚力試驗時通過對Hveem試驗（ASTM D1560）進行修正，用于評價乳化瀝青冷再生混合料的早期粘聚力情況。其試驗原理是：運用杠桿加載原理，通過鋼珠供料口開啟大小的調(diào)節(jié);使鋼珠勻速下落到容量筒內(nèi)實施對被測試件的勻速加載，直到試件被掰開的瞬間，自動關(guān)閉鋼珠供料口，自動停止加載。再通過稱重落入容量筒的鋼珠，獲得加載值，并通過下列公式計算得到粘聚力值。

C=LW（0.031H+0.0027H2）式（1）

C——粘聚力值，g/cm2;

L——球重，g;

W——試件直徑，cm;

H——試件高度，cm。

（2）一般是將成型好的乳化瀝青冷再生試件（試件尺寸直徑×高度=150mm×75～80mm）放入與現(xiàn)場施工時的氣候條件相對應的溫度和濕度的恒溫恒濕箱中養(yǎng)生4h后進行試驗，用于模擬再生混合料抵抗車輛輪胎沖擊的能力，是判斷乳化瀝青冷再生層開放交通時機的重要指標。在未找到有效的評價乳化瀝青冷再生混合料和易性的試驗方法之前，粘聚力試驗是乳化瀝青配方選擇的主要指標，但后來經(jīng)實踐證明，早期粘聚力好的乳化瀝青配方在施工過程中的表現(xiàn)未必就好，甚至粘車等現(xiàn)象更嚴重。因此，后來僅將粘聚力指標作為配方選擇的一個參考指標。

3.2?掃刷試驗。

（1）掃刷試驗是ASTM 規(guī)范上D 7196 - 06試驗，用于評價乳化瀝青冷再生混合料抵抗早期車輪磨耗能力。試件的成型及養(yǎng)生與粘聚力試驗相同，一般粘聚力試驗完成后就立即進行掃刷試驗。由于國內(nèi)并不生產(chǎn)掃刷試驗設(shè)備，課題組采用的磨耗試驗的儀器是改進的 A-120 Hobart 攪拌器和用于稀漿封層濕輪磨耗試驗的磨耗頭 （包括軟管） （ISSA TB-100），并與定做安放試件的托盤組裝而成。磨耗實驗的旋轉(zhuǎn)速度在ISSA TB-100 中沒有改進。在磨耗實驗中，需將磨耗頭上的負重取下。磨耗頭和與試件接觸的軟管的重量應為 600±15g。制備的試件在磨耗頭下有四周的防護，為了得到正確的結(jié)果，需將試件放在中心，并能允許磨耗頭上下自由活動。用于防護和中置的儀器必須允許試件最少可被磨掉10mm。

（2）一般每個試件磨耗的時間為15min，在磨耗前后分別稱重，計算磨耗后的質(zhì)量損失，通過質(zhì)量損失來判定乳化瀝青冷再生混合料抵抗臨時車輛輪胎磨耗的能力強弱，一般磨耗質(zhì)量損失量為2.0%。

3.3?取芯試驗。

取芯試驗主要是模擬現(xiàn)場混合料取芯狀況，保證乳化瀝青冷再生混合料碾壓成型后能夠盡快進入下一步工序。取芯試驗有兩種模擬方式，車轍板取芯（模擬厚度≤10cm路面）和大試件取芯（模擬厚度≥10cm路面）。目前采用較多的為大試件取芯試驗，其試驗條件為：旋轉(zhuǎn)壓實150mm直徑，15cm厚度試件，旋轉(zhuǎn)次數(shù)為30次，試件成型四周和底部用保鮮膜包裹密實后放入15℃，90%（條件比較嚴苛）的濕度恒溫恒濕箱48h，取出試件進行取芯試驗。取芯試驗內(nèi)容包括完整性和強度。

4. 適用于冷再生的乳化瀝青技術(shù)要求

通過上述乳化瀝青配方的系統(tǒng)設(shè)計，綜合考量，得出能夠與現(xiàn)場實際適應情況最優(yōu)的乳化瀝青配方，最終選出的乳化瀝青配方應具有以下條件：

（1）能夠與RAP料的活性相匹配，與RAP料按照推薦的液體含量拌合后，具有良好的裹覆狀態(tài)，和較低的水敏感性。

（2）具有良好的施工和易性，通過Mass Viscorsity和旋轉(zhuǎn)壓實試驗確定的可工作時間能夠滿足現(xiàn)場拌合、運輸、等待和攤鋪過程的時間需要。

（3）具有良好的可壓實性，壓實后試件的空隙率低，壓實過程中排出水的質(zhì)量較多，即具有碾壓破乳的特性。

（4）具有較好的早期強度，具有一定的粘聚力，抗掃刷能力較強，能夠抵抗臨時交通的磨耗，快速取出完整芯樣，能夠較快的開放交通或加鋪罩面。

（5）設(shè)計出的乳化瀝青配方需要經(jīng)過混合料性能驗證，從多個項目的試驗結(jié)果來看，通過本章試驗進行系統(tǒng)設(shè)計得到的乳化瀝青配方，經(jīng)過混合料的性能驗證，均能得到非常好的路用性能，本文性能驗證方面的內(nèi)容將不做過多討論。

5. 乳化瀝青冷再生施工質(zhì)量關(guān)鍵因素及影響規(guī)律

（1）從工程應用數(shù)據(jù)來看，影響乳化瀝青冷再生路面施工質(zhì)量的主要因素有RAP料的活性指標（砂當量、亞甲藍）、乳化瀝青配方、施工時的天氣條件。由于目前國內(nèi)外對于乳化瀝青冷再生的研究大多數(shù)還局限在混合料層面方面的內(nèi)容，對RAP料主要從級配控制、回收瀝青的性質(zhì)等方面做了一些研究。從現(xiàn)有的文獻、規(guī)范中，極少看到關(guān)于RAP料活性指標對乳化瀝青冷再生混合料的影響研究。但從實施的項目情況來看，RAP的2個指標砂當量和亞甲藍對于乳化再生混合料的裹覆狀況、乳化瀝青的破乳速度產(chǎn)生的很大的影響。

（2）砂當量主要是測定細集料中所含的粘性土或雜質(zhì)的含量，以評定集料的潔凈程度，用SE表示。亞甲藍試驗是測量細集料中是否存在膨脹性粘土礦物，并測定其含量，以評定集料的潔凈程度，以亞甲藍值MBV表示。

（3）在乳化瀝青冷再生混合料體系中，砂當量主要評價的是集料與瀝青的粘附，影響混合料的裹覆狀況，砂當量值越大，表明集料潔凈程度越好，對混合料的裹覆狀況越有利。而亞甲藍則是評價RAP料中活性物質(zhì)吸附能力的大小，影響乳化瀝青的破乳速度，亞甲藍值越大，其吸附能力越強，乳化瀝青的破乳速度越難以控制。在所實施的項目中，可以看到，大多數(shù)項目的砂當量值超過85%，混合料的裹覆狀況均較好。

6. 結(jié)語

（1）根據(jù)乳化瀝青冷再生混合料的強度形成機理，提出了乳化瀝青混合料配合比設(shè)計的核心內(nèi)容，包括和易性評價（包括拌合試驗、Mass Viscorsity試驗、旋轉(zhuǎn)壓實試驗）和早強評價（包括粘聚力試驗、掃刷試驗、取芯試驗）。分別針對乳化瀝青配方設(shè)計的各個環(huán)節(jié)進行詳細的講解，并通過不同項目設(shè)計過程中的照片來說明各試驗的注意點和側(cè)重方向。提出了能夠量化乳化瀝青冷再生混合料施工和易性的評判方法，如Mass Viscorsity、旋轉(zhuǎn)壓實試驗，能夠較快捷的判斷出乳化瀝青配方與RAP、環(huán)境條件的配伍性，并得出混合料的可工作時間。通過對現(xiàn)場運輸和等待時間的考量，可以判斷設(shè)計出的乳化瀝青配方的施工和易性是否滿足現(xiàn)場需要。

（2）影響乳化瀝青瀝青冷再生施工質(zhì)量的主要因素是RAP料的活性指標（砂當量、亞甲藍）、乳化瀝青配方以及施工時的天氣條件。其中，RAP料特性及乳化瀝青配方是關(guān)鍵的內(nèi)在因素，起決定性作用，實際工程中應該特別注意。