高摻量冷再生瀝青混合料對交通荷載和環(huán)境條件的響應(yīng)分析

陳攀 高奧東 許斌 張澤

[1.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071799；2.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司，北京 100000]

一、背景

目前，我國的公路網(wǎng)正從大規(guī)模施工階段過渡到養(yǎng)護(hù)維護(hù)階段，可以考慮將瀝青混合料的回收與再生利用作為舊瀝青混凝土路面修復(fù)的解決途徑。在瀝青混凝土路面施工過程中，冷拌再生因無需加熱，避免了瀝青燃燒造成的污染問題。盡管冷再生混合料固化需要時間，其性能也略低于熱再生混合料，但由于可以降低能耗損失、污染排放、運(yùn)輸成本，使得冷再生混合料用于再生瀝青路面（RAP）具有較高的經(jīng)濟(jì)利益。

目前，行業(yè)內(nèi)尚無國際通用的冷再生瀝青混合料設(shè)計方法。將冷再生瀝青混合料應(yīng)用于輕型和中型交通時，其面層冷拌方法通常需要采用封層或熱瀝青混凝土覆蓋層作為表面保護(hù)層；用作基層時，則適用于各種交通類型的道路中。由于摻拌乳化劑的冷再生混合料技術(shù)首先需用水將集料預(yù)濕，然后添加一定量的乳化劑，并在常溫（23℃～25℃）下完成混合料的生產(chǎn)拌和、攤鋪和壓實(shí)。因此，在生產(chǎn)過程中既不需要加熱瀝青乳液，也不需要加熱集料。

本文通過研究冷再生混合料的性能，提出了最佳預(yù)混合水量和最佳乳液含量的配合比設(shè)計步驟，并通過間接拉伸強(qiáng)度、抗車轍和水敏感性3種試驗(yàn)，對再生混合料的性能進(jìn)行了評價。

二、材料特性

（一）集料

該項(xiàng)目中使用的新集料的物理特性如表1所示。普通硅酸鹽水泥（OPC）通常在冷再生混合料中用作填料，以提供更好的黏結(jié)性，它能夠隨著時間的推移提高混合料的力學(xué)性能。普通硅酸鹽水泥的性能如表2所示。

表1 新集料的物理性能

表2 普通硅酸鹽水泥的物理化學(xué)性質(zhì)

（二）舊路瀝青混合料

本文從舊路面中回收舊路瀝青混合料，并根據(jù)ASTM D 2172的瀝青回收試驗(yàn)進(jìn)行舊瀝青回收，結(jié)果表明其瀝青的含量為3.97%。由于RAP的比表面積遠(yuǎn)小于新集料的比表面積，這影響了RAP與新集料的結(jié)合。因此，在充分破碎RAP的情況下，添加新骨料和填料可減少RAP的聚集，并可通過改善RAP與新骨料之間的黏結(jié)來提高冷再生瀝青混合料的強(qiáng)度。

（三）乳化瀝青

乳化瀝青是陽離子低黏度慢速固化劑（CSS-1），非常適合冷再生瀝青混合料的設(shè)計。因此，本文采用的乳化瀝青類型是陽離子慢凝型。

三、冷再生混合料級配

本文采用的冷再生瀝青混合料的配合比如表3所示。

表3 冷再生瀝青混合料配合比

估算初始瀝青殘留量如式（1）所示。

式中P為初始?xì)堄酁r青含量占總混合物質(zhì)量的百分比（%）；A為未通過2.36mm篩孔的礦物集料百分比（%）；B為通過2.36mm篩孔且未通過0.075mm篩孔的集料的百分比（%）；C為通過0.075mm篩孔的礦物集料百分比（%）。

RAP中瀝青的含量如式（2）所示。

式中，r為新集料在冷再生瀝青混合料中所占的百分比；Psb為RAP中瀝青的含量。

根據(jù)計算可知，本文所采用的最佳預(yù)濕水為骨料重量的3.0%，最佳殘余瀝青含量為骨料重量的6.0%，RAP含量為90%。通過將RAP和新骨料按比例混合，最終形成混合料；然后將混合的骨料用水預(yù)濕，并再次進(jìn)行均勻混合。隨后，添加優(yōu)選的乳化瀝青并進(jìn)一步拌和5分鐘，直到乳化瀝青在常溫下均勻地包裹在骨料上。最后，在馬歇爾模具中壓實(shí)混合料。在對樣品進(jìn)行壓實(shí)時，應(yīng)采用雙面錘擊75次。壓實(shí)后，將試樣在常溫下的模具中養(yǎng)護(hù)一天，然后將其取出放入40℃的環(huán)境中固化。

四、間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)用于研究瀝青混凝土的拉伸特性，可以用于表征路面的開裂特性。根據(jù)ASTM D 6931，間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)還可以幫助確定水泥乳化瀝青混合料（cement asphalt emulsion mixture,簡稱CAEM）的強(qiáng)度特性。在冷再生瀝青混合料固化步驟中的主要變化是水分從CAEM混合料中蒸發(fā)或流失，因此，通過在1天、7天、14天和28天連續(xù)測量其重量，可以監(jiān)測CAEM中的水分流失情況，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，CAEM混合料的力學(xué)性能隨混合料中的水分蒸發(fā)或流失而不斷提高。結(jié)果還表明，水泥對CAEM混合料的力學(xué)性能方面起到了積極的作用，尤其是在早期階段。

五、抗水損壞試驗(yàn)

本文采用AASHTO T283中所示的方法來研究飽和度和動水壓力對CAEM混合料的性能影響。結(jié)果表明，RAP含量的增加提高了冷再生瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度。這是由于水在硅酸鹽水泥水化過程中起到了固化的作用。水化是一個連續(xù)的過程，當(dāng)用足夠的水進(jìn)行水泥固化時，水泥可以獲得完全水化所需的所有水，從而獲得更高的強(qiáng)度。

六、抗車轍性能試驗(yàn)

本文采用BS EN 12697-22:2003中車轍實(shí)驗(yàn)的方法，使用車輪跟蹤裝置，通過車轍深度計算永久變形，用以研究高溫下的路面抗車轍性能。試驗(yàn)過程中以每分鐘26次的速度施加700N的總載荷，并在試驗(yàn)結(jié)束時記錄總車轍深度。AASHTO T-324采用的試驗(yàn)溫度為40℃和60℃。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，車轍深度在逐漸減小。

七、結(jié)語

冷再生瀝青混合料的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長而增加。在RAP中使用一定比例的瀝青，并使用水泥作為填料，可減少水分對混合料的破壞。間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，在冷拌瀝青混合料中加入硅酸鹽水泥可提高其抗拉強(qiáng)度，并降低其空隙率。車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，在重載和高溫條件下，冷再生瀝青混合料的永久變形有所改善。因此，將冷再生混合料用于RAP，具有較高的綜合效益。