改性乳化瀝青冷再生技術(shù)的路用性能研究

符 適,趙 軒

(1. 江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)有限公司，淮安 223001；2. 東南大學(xué)，南京 211189)

乳化瀝青就地冷再生技術(shù)是指將原路面的瀝青面層進(jìn)行銑刨，添加水泥、水和乳化瀝青等再生材料進(jìn)行均勻拌和，將再生混合料攤鋪壓實以消除原路面病害，延長路面使用壽命的綠色養(yǎng)護(hù)技術(shù)[1]。乳化瀝青就地冷再生技術(shù)具有100%利用舊料、常溫施工、無須運(yùn)輸和一體化施工等優(yōu)點[2]。國內(nèi)外普遍將乳化瀝青就地冷再生技術(shù)應(yīng)用于低等級公路的中下面層或高速公路的上基層，根據(jù)長期的路面觀測，冷再生層作為低等級公路的中下面層，路面使用性能良好，無明顯病害，具有良好的環(huán)境效益。工程實踐中常用的再生劑為普通乳化瀝青，而使用普通乳化瀝青得到的冷再生混合料早期強(qiáng)度較低，各項路用性能較熱拌瀝青混合料均有較大差距，因此乳化瀝青就地冷再生技術(shù)未能大規(guī)模運(yùn)用于更高等級道路和更高層位。改性乳化瀝青是在乳化瀝青的基礎(chǔ)上通過添加改性材料制備所得，其兼具改性材料和乳化瀝青兩者的優(yōu)點，具有優(yōu)良的黏結(jié)、耐高低溫、耐久和防水等性能[3]，因此，使用改性乳化瀝青制備冷再生混合料可提升其路用性能[4]，改善乳化瀝青冷再生混合料在中面層的路用效果。

針對冷再生混合料的路用性能，研究者進(jìn)行了大量研究[5-7]。Babagoli等[8]通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗、動態(tài)蠕變試驗和車轍試驗研究了不同SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、水泥和石灰含量對乳化瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明SBS、水泥和石灰均能提高其高溫性能，減少其永久變形，且SBS對其高溫性能影響更顯著。李鋒等[9]基于半圓彎曲試驗和低溫彎曲試驗評價乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能，結(jié)果表明，添加少量水泥后，冷再生混合料的低溫性能得到顯著改善，隨著水泥劑量的增加，其低溫抗裂性能得到增強(qiáng)，若繼續(xù)添加水泥劑量，則會提高冷再生混合料的脆性，反而降低其低溫性能。Gao等[10]基于路面實際的溫度場和應(yīng)力場設(shè)計了一種新的循環(huán)動態(tài)蠕變試驗，對比了不同水泥摻量的冷再生混合料作為下面層的整體高溫性能，結(jié)果表明，水泥摻量從1.5%增至2.0%時，冷再生混合料的高溫性能得到顯著改善。

本文采用多序列局部加載動態(tài)蠕變試驗和半圓彎曲試驗評價乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能、中低溫抗裂性能和疲勞性能，對比改性乳化瀝青冷再生混合料和普通乳化瀝青混合料的路用性能，同時將其與兩種中面層常用的熱拌瀝青混合料AC-20和Sup-20進(jìn)行對比，以驗證改性乳化瀝青冷再生混合料在高速公路中面層的適用性。

1 原材料與級配設(shè)計

1.1 乳化瀝青冷再生混合料

乳化瀝青冷再生混合料由RAP(再生瀝青路面)料、乳化瀝青、水泥和水組成，根據(jù)乳化瀝青不同，制備了兩種乳化瀝青冷再生混合料，一種為普通乳化瀝青冷再生混合料，簡稱CEAM，另一種為改性乳化瀝青冷再生混合料，簡稱MCEAM。

本試驗的RAP料由某高速公路的上中面層通過大型銑刨機(jī)銑刨獲得，所得RAP料經(jīng)過烘干后測定其篩分級配，避免由于水分過多造成細(xì)集料黏結(jié)聚團(tuán)現(xiàn)象。RAP料篩分級配如表1所示。

表1 RAP料篩分級配

乳化瀝青分為兩種，一種為普通乳化瀝青，另一種為添加3%SBR(丁苯橡乳)的改性乳化瀝青。冷再生乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)如表2所示，其技術(shù)要求參考《乳化瀝青就地冷再生技術(shù)應(yīng)用指南及施工技術(shù)規(guī)程》(交公養(yǎng)〔2010〕405號)。試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，檢測結(jié)果表明兩種乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)均合格。

表2 冷再生乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

水泥試驗技術(shù)指標(biāo)如表3所示，水泥標(biāo)號為P.O 42.5。

表3 水泥試驗技術(shù)指標(biāo)

兩種乳化瀝青冷再生混合料均按照2%水泥、2.79%外摻水量和3.5%乳化瀝青的摻量配比設(shè)計進(jìn)行成型，使用旋轉(zhuǎn)壓實儀壓實30次制作成型。成型結(jié)束后按照自然養(yǎng)生12 h，60 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生48 h，自然冷卻12 h的方式進(jìn)行養(yǎng)生。

1.2 熱拌瀝青混合料

本試驗使用AC-20和Sup-20熱拌瀝青混合料與乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行對比，熱拌瀝青混合料合成級配曲線如圖1所示。石料和礦粉分別為石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉，瀝青采用SBS改性瀝青(PG76-22)，油石比4.2%，配好的石料保溫4 h，在180 ℃條件下拌和成型。

(a) AC-20

2 性能試驗

2.1 高溫性能試驗

2.1.1 試驗方法

采用多序列局部加載動態(tài)蠕變(MSRL)試驗[11-13]進(jìn)行高溫性能評價，該試驗可以分析混合料在實際路面荷載水平下的高溫抗永久變形能力，分為預(yù)加載階段和多序列加載階段，試驗溫度為60 ℃。預(yù)加載階段：荷載級別0.7 MPa，單個加載周期1 s，應(yīng)力脈沖時間0.1 s，分層試件加載500次，整體試件加載1 000次。多序列加載階段：共包含30個加載序列，分層試件加載應(yīng)力幅值為0.5～1.0 MPa，整體試件加載應(yīng)力幅值為0.6～1.1 MPa，兩個階段均分為6個荷載等級，每等級提高0.1 MPa。分層試件每種荷載等級下脈沖時長的作用次數(shù)為50次，整體試件每種荷載等級下脈沖時長的作用次數(shù)為100次，單個加載周期時長固定為1 s。

由于冷再生瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)較小，在實際路面結(jié)構(gòu)中，其混合料內(nèi)部的溫度較普通瀝青混合料低，根據(jù)對實際路面溫度場的模擬，得到各種混合料的試驗參數(shù)，分層蠕變試驗參數(shù)如表4所示。

表4 分層蠕變試驗參數(shù)

2.1.2 試驗指標(biāo)

根據(jù)多序列局部加載動態(tài)蠕變試驗提出復(fù)合平均應(yīng)變率(CASR)和復(fù)合蠕變勁度模量(CCSM)兩個指標(biāo)。復(fù)合平均應(yīng)變率也可以認(rèn)為是在每個加載序列中累積應(yīng)變的斜率。通過計算每個加載序列在整個多序列加載中所占的比例，并乘以對應(yīng)加載序列的應(yīng)力級別，然后疊加，即可得到材料的復(fù)合平均應(yīng)變率。復(fù)合蠕變勁度模量的計算需要用到試件在多序列局部加載試驗中受到的等效應(yīng)力。與復(fù)合平均應(yīng)變率不同的是，復(fù)合蠕變勁度模量的計算既包含了多序列加載產(chǎn)生的累積永久應(yīng)變，也包括了試件在預(yù)加載階段產(chǎn)生的累積應(yīng)變。計算公式見式(1)。

(1)

2.2 中低溫抗裂性能

2.2.1 試驗方法

采用半圓彎曲(SCB)斷裂試驗評價瀝青混合料的中低溫抗裂性能。SCB斷裂試驗具有試件制備簡單、操作方便、可重復(fù)性強(qiáng)等特點。試驗試件是直徑為15 cm、厚度為4～5 cm的半圓，兩個支座間的距離為12 cm。SCB試件分為切縫和不切縫兩種，對試件進(jìn)行預(yù)切縫是為了控制試件的起裂點在中心位置，便于計算力學(xué)參數(shù)；但是每個試件預(yù)切縫的切縫長度和切縫位置難以精準(zhǔn)控制，會對試驗結(jié)果造成較大影響，同時預(yù)切縫尖部的材料屬性難以控制也會影響試驗數(shù)據(jù)。本試驗選擇不切縫的SCB試件評價瀝青混合料的中低溫抗裂性能。中溫和低溫溫度分別選擇典型的15 ℃ 和-10 ℃，加載速率為50 mm/min。

2.2.2 試驗指標(biāo)

選用強(qiáng)度和裂能兩個角度評價瀝青混合料的抗裂性能。強(qiáng)度指標(biāo)為峰值力和抗裂強(qiáng)度，峰值力為力位移曲線中最高點對應(yīng)的Y值Fmax，SCB試件的底部存在一個純彎拉區(qū)域，Molenaar等[11]研究得出SCB試件底部支點距離為試件直徑0.8倍時的抗裂強(qiáng)度公式：σt=4.8Fmax/BD，B和D分別為試件的厚度和直徑。裂能指標(biāo)包括峰前斷裂功Wc、峰后斷裂功Wcf和斷裂能。峰前斷裂功Wc是峰值力Fmax的峰前力-位移曲線與x軸圍成的面積，峰后斷裂功Wcf是峰后力為Fmax/2時，力-位移曲線圍成的面積，二者均由積分的方式求得，斷裂能是總斷裂功與斷裂面積的比值，斷裂能越大，試件在發(fā)生斷裂破壞時，單位面積上所需能量越大，抗裂性能就越好。

2.3 疲勞性能

采用SCB試驗評價瀝青混合料的疲勞性能。SCB試驗基于斷裂試驗，根據(jù)斷裂試驗中的最大應(yīng)力，確定不同的應(yīng)力比對瀝青混合料進(jìn)行加載。應(yīng)力水平的大小對疲勞試驗影響顯著。應(yīng)力過大會導(dǎo)致疲勞試驗快速結(jié)束，無法準(zhǔn)確測定混合料的疲勞性能；應(yīng)力過小則試驗時間過長，甚至試件不會破壞。為了控制疲勞壽命在千次到萬次的范圍內(nèi)，選取疲勞試驗的應(yīng)力比為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4，加載方式為控制應(yīng)力模式，試驗溫度為15 ℃，荷載頻率為10 Hz，荷載波形為半正弦波，無間歇時間，結(jié)束條件以試件完全斷裂為標(biāo)準(zhǔn)。

3 試驗結(jié)果

3.1 高溫性能試驗結(jié)果

通過MSRL試驗可得4種不同類型瀝青混合料的累積微應(yīng)變曲線，累積微應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 累積微應(yīng)變曲線

由圖2可知：

(1) 4種瀝青混合料的累積微應(yīng)變均未超過20 000 με，仍處于蠕變穩(wěn)定階段，產(chǎn)生的累積微應(yīng)變依次為：CEAM>MCEAM>AC-20>Sup-20，表明普通乳化瀝青冷再生混合料的抗高溫變形能力較差，Sup-20熱拌瀝青混合料抗高溫變形能力最優(yōu)。

(2) 2種冷再生混合料與熱拌瀝青混合料相比，在蠕變遷移階段產(chǎn)生的應(yīng)變快速增加，永久應(yīng)變快速積累，但是應(yīng)變發(fā)展速率逐漸降低。這是由于冷再生混合料的空隙率較大，約為10%，熱拌瀝青混合料的空隙率約為4%，在施加荷載的初始階段產(chǎn)生較大變形。

(3) 加載結(jié)束后，與CEAM相比，MCEAM累積微應(yīng)變約減少25%，表明SBR膠乳可以顯著改善冷再生瀝青混合料的高溫性能；MCEAM與AC-20曲線較為接近，且蠕變發(fā)展速率小于AC-20，表明改性乳化瀝青冷再生層作為高速公路中面層具有良好的高溫抗變形能力。

高溫蠕變參數(shù)如表5所示。MCEAM與AC-20、Sup-20熱拌瀝青混合料的復(fù)合蠕變速率均為2.2～2.4 με/次，遠(yuǎn)小于普通乳化瀝青的3.52 με/次，表明改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能。復(fù)合蠕變勁度模量因為考慮了預(yù)加載階段的累積應(yīng)變，所以對于蠕變遷移階段變形較大的冷再生混合料，其勁度模量均小于熱拌瀝青混合料。

表5 高溫蠕變參數(shù)

3.2 中低溫抗裂性能試驗結(jié)果

斷裂參數(shù)對比如圖3所示。

(a) 抗裂強(qiáng)度

由圖3可知，與CEAM相比，MCEAM在中低溫條件下的抗裂強(qiáng)度和斷裂能均有提升，中溫條件下MCEAM的抗裂強(qiáng)度提高了35%，低溫條件下MCEAM的抗裂強(qiáng)度提高了16%，性能改善顯著。隨著溫度降低，4種瀝青混合料的抗裂強(qiáng)度逐漸增大，這是因為同一混合料在較低溫度下，瀝青的復(fù)合蠕變勁度模量增大，膠漿和集料的整體工作能力增強(qiáng)，承受荷載能力增強(qiáng)。在能量指標(biāo)方面，SBR改善冷再生混合料的效果更加顯著，但性能提升后的冷再生混合料仍與熱拌瀝青混合料的抗裂性能存在較大差距，這是由于乳化瀝青冷再生混合料的早期抗裂強(qiáng)度主要由RAP料間嵌擠的內(nèi)摩阻力和水泥提供，后期抗裂強(qiáng)度還包括乳化瀝青破乳后瀝青的黏聚力和瀝青與RAP料的黏附力，但熱拌瀝青混合料是在170 ℃條件下拌和壓實而成，在該溫度下，瀝青與礦料的黏結(jié)效果較好，且礦料骨架間的嵌擠力和摩阻力較高，整體強(qiáng)度較高。

3.3 疲勞性能試驗結(jié)果

SCB試驗的變異性相對較大，因此每種類型的試件至少進(jìn)行3組平行試驗，對疲勞壽命離散程度較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并補(bǔ)充新的平行試驗，最后結(jié)果取均值，得到瀝青混合料不同應(yīng)力比條件下的疲勞壽命，疲勞試驗結(jié)果如表6所示。

表6 疲勞試驗結(jié)果

將4種瀝青混合料的疲勞壽命數(shù)據(jù)在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，采用式(2)和式(3)，對表6中應(yīng)力比-疲勞壽命和應(yīng)力幅值-疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

lgNf=k-nlgt

(2)

lgNf=k-nlgσ

(3)

式中，Nf為疲勞壽命，次；t為應(yīng)力比；σ為應(yīng)力幅值；k、n為待擬合的回歸系數(shù)，參數(shù)n反映了疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度。

疲勞性能對比如圖4所示。

由圖4可知：

(a) 應(yīng)力比-疲勞壽命

(1) 4種瀝青混合料的疲勞壽命隨著應(yīng)力比和應(yīng)力幅值的增加呈下降趨勢，且兩者均在雙對數(shù)坐標(biāo)系下擬合效果良好，相關(guān)性指數(shù)均大于0.9。

(2) 在相同的應(yīng)力比或應(yīng)力幅值條件下，改性冷再生混合料的疲勞性能比普通冷再生混合料提升效果顯著。應(yīng)力比敏感程度的參數(shù)斜率n由-6.663升至-4.671，表明SBR有效降低冷再生瀝青混合料對應(yīng)力的敏感程度，改善其耐久性能。

(3) 消除混合料本身強(qiáng)度對抗疲勞性能的影響，改性瀝青冷再生混合料的應(yīng)力比-疲勞壽命方程與AC-20和Sup-20非常接近，斜率n和截距k差距較小，說明在相同的應(yīng)力比條件下，改性乳化瀝青冷再生混合料的抗疲勞性能與熱再生瀝青混合料差距較小。普通乳化瀝青冷再生混合料與熱再生瀝青混合料的應(yīng)力比-疲勞壽命方程在應(yīng)力比為0.22處相交，這表明在低應(yīng)力比條件下，普通乳化瀝青冷再生混合料表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能。

(4) 雖然改性乳化瀝青冷再生混合料抗裂強(qiáng)度較未改性之前提高了約30%，但其強(qiáng)度與熱再生瀝青混合料相比仍存在一定差距。在相同的應(yīng)力幅值條件下，AC-20和Sup-20的疲勞壽命顯著高于冷再生瀝青混合料，但是改性乳化瀝青冷再生混合料對應(yīng)力的敏感程度降低，疲勞壽命的差距并未隨著應(yīng)力的增大繼續(xù)擴(kuò)大。

4 結(jié)論

本文對改性乳化瀝青冷再生混合料的路用性能進(jìn)行了全面研究，從高溫性能、中低溫抗裂性能和疲勞性能3個角度，將改性乳化瀝青冷再生混合料與普通乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行對比，并且與兩種中面層常用的熱再生瀝青混合料進(jìn)行性能對比，得到如下結(jié)論。

(1) 采用基于實際路面狀況的多序列局部動態(tài)蠕變試驗分析混合料的高溫性能，發(fā)現(xiàn)MCEAM與AC-20、Sup-20熱拌瀝青混合料的復(fù)合蠕變速率均為2.2～2.4 με/次，遠(yuǎn)小于普通乳化瀝青的3.52 με/次，改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能。

(2) 從強(qiáng)度和能量兩個角度發(fā)現(xiàn)添加SBR后的乳化瀝青冷再生混合料的中低溫抗裂強(qiáng)度顯著提升；與熱再生瀝青混合料相比，MCEAM的中低溫抗裂性能仍存在差距。

(3) 4種瀝青混合料在應(yīng)力比-疲勞壽命和應(yīng)力幅值-疲勞壽命的雙對數(shù)坐標(biāo)系中均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系；SBR有效降低冷再生瀝青混合料對應(yīng)力的敏感程度，改善其耐久性能。

綜合來看，SBR改性后的乳化瀝青冷再生混合料在高溫性能、中低溫抗裂性能和疲勞性能方面全面提升，高溫性能達(dá)到熱拌瀝青混合料的水平，疲勞性能在相同的應(yīng)力比下表現(xiàn)優(yōu)良，但是在中低溫抗裂方面和熱拌瀝青混合料存在一定差距。然而，對于高速公路中面層，所受的彎拉應(yīng)力較小，病害主要為高溫下的豎向變形，改性乳化瀝青冷再生混合料的綜合性能表現(xiàn)可以為高速公路中面層材料的應(yīng)用提供科學(xué)參考。