路用乳化瀝青冷再生混合料最佳合成級(jí)配設(shè)計(jì)研究

陳文1、李瑩璐2

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100020）

0 引言

乳化瀝青冷再生技術(shù)有助于提高原有道路品質(zhì)，消除路面病害，減少反射裂縫，并具備良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益。在“雙碳”目標(biāo)背景下，乳化瀝青冷再生技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)良好的資源重復(fù)利用，符合綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)。但實(shí)際應(yīng)用工程中，冷再生混合料常出現(xiàn)施工和易性不好，早期強(qiáng)度形成慢，后期服役性能差等諸多難題。該文結(jié)合乳化瀝青冷再生技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)路用乳化瀝青冷再生混合料最佳合成級(jí)配設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 原材料技術(shù)分析

1.1 RAP 集料性能分析

1.1.1 粗、細(xì)集料基本性能試驗(yàn)

選取同一條路同一批次銑刨料的粗集料、細(xì)集料，各項(xiàng)主要指標(biāo)如表1 所示[1-3]。

表1 冷再生RAP 集料基本性能

1.1.2 瀝青含量檢測(cè)

采用抽提儀進(jìn)行離心分離實(shí)驗(yàn)測(cè)定舊料瀝青含量，再用旋轉(zhuǎn)蒸餾實(shí)驗(yàn)法回收瀝青，測(cè)該批次銑刨料瀝青含量在3.5%～3.8% 之間，平均瀝青含量為3.6%。

1.1.3 含水量測(cè)定

含水量會(huì)隨著儲(chǔ)存環(huán)境與時(shí)間的變化而變化。若試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)則隔一段時(shí)間進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，調(diào)整最佳含水量；試驗(yàn)通過(guò)烘箱前后質(zhì)量差異測(cè)定RAP平均含水量為1.2%。

1.2 添加料的選擇與要求

新集料指標(biāo)分粗細(xì)三檔料如下：新1#料（20～25mm）、新2#料（15～20mm）、新6#料（0～4.75mm）。研究采用礦粉0.3mm 篩孔通過(guò)率為100%，表觀(guān)密度2.688，采用42.5 標(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥。乳化瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）（簡(jiǎn)稱(chēng)《再生規(guī)范》）規(guī)定[4-5]。

1.3 礦料級(jí)配分析

對(duì)銑刨料中零星雜料及大于26.5 的石塊進(jìn)行剔除，用四分法取樣分析，舊料與其他新料等礦料分為不同檔次：粗銑刨料（9.5～26.5mm）、細(xì)銑刨料（0～9.5mm）、新1#料（20～25mm）、新2#料（15～20mm）、新6#料（0～4.75mm）以及水泥、礦粉[6]。

2 初擬級(jí)配

結(jié)合舊料級(jí)配分析，為充分利用舊料，對(duì)照再生規(guī)范設(shè)計(jì)級(jí)配，按照AC-20 中粒式級(jí)配要求設(shè)計(jì)；分別考慮RAP 材料抽提前后的篩分結(jié)果，初步選擇三個(gè)級(jí)配：其中級(jí)配1 不考慮RAP 料抽提篩分結(jié)果，級(jí)配2 同時(shí)考慮RAP 料抽提和不抽提的篩分結(jié)果，級(jí)配3 只考慮RAP 的抽提篩分級(jí)配。舊料利用率皆為75%，各級(jí)配每檔料的摻配比例及合成級(jí)配分別見(jiàn)表2 和圖1[7]。

圖1 三種級(jí)配曲線(xiàn)圖

表2 各級(jí)配礦料比例

由合成級(jí)配曲線(xiàn)圖可以看出，設(shè)計(jì)的三組級(jí)配都在工程技術(shù)要求范圍內(nèi)，且級(jí)配曲線(xiàn)基本沿著工程要求，級(jí)配中值趨勢(shì)形成圓滑曲線(xiàn)，符合常規(guī)應(yīng)用級(jí)配技術(shù)要求。但各級(jí)配對(duì)RAP 考慮抽提篩分方式不同，混合料材料組成比例有所區(qū)別。

3 最佳含水率確定

參照再生規(guī)范及大量試驗(yàn)對(duì)比分析，研究以“總含水率=乳化瀝青中的水+外加水+舊料含水”來(lái)控制冷再生混合料流體含量。

將乳化瀝青含量定為4.0%，分別以0.5 個(gè)百分點(diǎn)變化外摻水量2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5% 來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，分別采用重型擊實(shí)法進(jìn)行最佳含水率試驗(yàn)，并繪制曲線(xiàn)，圖2 中最大干密度對(duì)應(yīng)的含水量即最佳含水率OWC。級(jí)配1、2、3 對(duì)RAP 考慮抽提篩分方式不同，調(diào)整級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)添加新料也不同，合成級(jí)配的差異也導(dǎo)致最佳含水率有所不同，三種級(jí)配擬定舊料摻量皆為75%，而舊料含水率經(jīng)檢測(cè)取平均值1.2%，乳化瀝青中的水占35%，則對(duì)應(yīng)外摻水量與實(shí)際含水率關(guān)系[8]：

圖2 三種級(jí)配外加水量與干密度關(guān)系曲線(xiàn)圖

實(shí)際含水率=外摻水率+75%×1.2%×100+4%×35%×100。

經(jīng)試驗(yàn)分析，級(jí)配調(diào)整的差異也會(huì)影響最大干密度與最佳外摻水量。三種級(jí)配外摻水量與干密度分別為：級(jí)配1 最大干密度為2.239g/cm3，最佳含水率為5.30%；級(jí)配2 最大干密度為2.231g/cm3，最佳含水率為5.80%；級(jí)配3 最大干密度為2.198g/cm3，最佳含水率為6.30%。

4 最佳乳化瀝青用量確定

參照再生規(guī)范采用的馬歇爾設(shè)計(jì)方法，各級(jí)配保持最佳含水率不變，擬定4%的乳化瀝青用量為基準(zhǔn)，以0.5%的間隔上下浮動(dòng)變化乳化瀝青含量，分組成型再生混合料馬歇爾試件（先擊實(shí)50 次，60℃養(yǎng)護(hù)48h 后再擊實(shí)25 次，然后側(cè)放在地面上，室溫冷卻12h后脫模），級(jí)配1、2、3 分別以各自的最佳含水率不變來(lái)控制外摻水量，以試件空隙率、15℃劈裂強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)確定相應(yīng)的最佳乳化瀝青用量。經(jīng)試驗(yàn)分析，三組級(jí)配在不同最佳含水率條件下的最佳乳化瀝青含量均在4.5%左右，但級(jí)配3 的空隙率明顯大于級(jí)配1 和級(jí)配2，雖然級(jí)配1 混合料密實(shí)度與級(jí)配2 相近，但強(qiáng)度指標(biāo)卻比級(jí)配2 要小，故綜合空隙率與強(qiáng)度指標(biāo)，級(jí)配2 較優(yōu)[9]。

5 各級(jí)配下路用性能驗(yàn)證

由以上試驗(yàn)結(jié)果可得出各級(jí)配的配合比，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），分別就各級(jí)配相應(yīng)配比下進(jìn)行路用性能驗(yàn)證，考慮到冷再生的應(yīng)用層次，研究通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證再生混合料的水穩(wěn)定性能、車(chē)轍試驗(yàn)驗(yàn)證高溫抗車(chē)轍能力、小梁彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證低溫抗裂性能。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3-5[10]。

表3 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果（雙面擊實(shí)50 次）

表4 高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

表5 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

第一，級(jí)配1 混合料在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了RAP 材料未抽提情況下的級(jí)配，并沒(méi)有考慮其抽提以后的級(jí)配，導(dǎo)致混合料整體偏細(xì)，缺乏粗集料的骨架支撐，高溫性能偏差，動(dòng)穩(wěn)定度＜2000（次/mm），雖然其水穩(wěn)定性能較好，低溫性能也能滿(mǎn)足要求，但在高溫及重交通情況下，容易出現(xiàn)車(chē)轍。

第二，級(jí)配2 混合料在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮了RAP 材料未抽提情況下的級(jí)配，整體骨料組成協(xié)調(diào)，抗高溫能力強(qiáng)，水穩(wěn)定性能較好，低溫抗裂性能優(yōu)良，符合高性能乳化瀝青冷再生混合料組成，滿(mǎn)足各類(lèi)輕重交通應(yīng)用需要。

第三，級(jí)配3 混合料在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了RAP 材料抽提情況下的級(jí)配，而抽提后集料偏細(xì)，在加入粗集料調(diào)整的情況下，整體骨料偏粗，容易造成松散、離析。

雖然因自身骨料支撐能力的影響，高溫性能勉強(qiáng)滿(mǎn)足要求，但其水穩(wěn)定性、低溫性能都較差，在多雨、重交路況下易造成水損壞及開(kāi)裂等病害。

綜合分析，在冷再生混合料級(jí)配合成設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)級(jí)配進(jìn)行驗(yàn)證與調(diào)整，因?yàn)樵偕旌狭系奶厥庑?，僅考慮空隙率、強(qiáng)度、水穩(wěn)定性等指標(biāo)是不夠的，還應(yīng)該對(duì)高溫抗車(chē)轍能力、低溫抗裂性能提出要求，避免早期強(qiáng)度滿(mǎn)足但后期服役時(shí)容易出現(xiàn)車(chē)轍與裂縫的情況發(fā)生。