高性能改性乳化瀝青冷再生瀝青混合料的室內(nèi)試驗(yàn)研究

方 飛

（昆山市交通科技研究中心有限公司,江蘇 蘇州 215300）

0 引言

截至2022 年末，全國(guó)公路里程5 354 800 km，其中省道里程393 600 km，高速公路里程177 300 km。瀝青路面的設(shè)計(jì)壽命一般為10~15 年，截至目前已有多數(shù)路面接近設(shè)計(jì)壽命[1]，需要采取大修或重建等養(yǎng)護(hù)措施。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，在瀝青路面大修養(yǎng)護(hù)中，合理處理及再次利用廢棄瀝青混合料成為至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。其中，冷再生技術(shù)相較于熱再生技術(shù)，具有利用率高的優(yōu)勢(shì)，RAP 料再生利用率可以保證在70%以上，而且該技術(shù)在再生利用應(yīng)用過程中能夠大比例地投入粗細(xì)集料，更具效率。此外，冷再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了資源集約的發(fā)展模式，常溫下完成再生具備環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，故而應(yīng)用更為廣泛。

1 原材料與高性能乳化瀝青制備

1.1 原材料

研究選用江陰阿爾法牌70#基質(zhì)瀝青，針入度為69.8（0.1 mm），軟化點(diǎn)為47.6 ℃，10 ℃延度為35.2 cm，瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。選用陽(yáng)離子高性能膠乳，其主要物理性能如下：外觀呈乳白色液體，pH 值為4.3。選擇國(guó)外進(jìn)口的兩種陽(yáng)離子型乳化劑，選用合成橡膠類—丁苯膠乳，即SBR 膠乳，作為高性能改性乳化瀝青的改性劑。

廢舊瀝青混合料（RAP）來源于蕪合高速的中上面層，保證100%利用舊料且不添加新料，粒徑范圍0~26.5 mm。采用普通硅酸鹽水泥作為填料，海螺牌水泥標(biāo)號(hào)為42.5。

1.2 高性能改性乳化瀝青的制備

高性能改性乳化瀝青的制備即探究基質(zhì)瀝青、乳化劑和高性能膠乳的拌和工藝，目前常見的乳化瀝青常見的制備方法有外摻法和內(nèi)摻法[2]。分析比較上述兩種乳化瀝青制備方法的工藝特點(diǎn)、產(chǎn)品性能及穩(wěn)定性等因素，選擇內(nèi)摻法具備優(yōu)勢(shì)，其工藝如下：首先選定合理的調(diào)和比例，將兩種進(jìn)口陽(yáng)離子型乳化劑充分混合，攪拌均勻后選取合適穩(wěn)定的水進(jìn)行稀釋，接著加入高性能膠乳充分混合后借助鹽水保證pH 值在1.9~2.2 之間，完成上述操作后獲得基礎(chǔ)皂液，隨后將其置于60 ℃鼓風(fēng)烘箱中保溫0.5，最后取合適的基質(zhì)瀝青進(jìn)行加熱處理，溫度在達(dá)到140~160 ℃后進(jìn)行研磨制備得到乳化瀝青。

2 高性能乳化瀝青冷再生混合料配比設(shè)計(jì)研究

2.1 混合料級(jí)配組成

該文研究的乳化瀝青就地冷再生技術(shù)，100%利用舊料且不添加新料。因此，瀝青混合料的設(shè)計(jì)曲線由原路面的RAP 料級(jí)配所決定，根據(jù)RAP 篩分結(jié)果和工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍，可以得到再生級(jí)配組成。

2.2 混合料成型方式

該研究將馬歇爾擊實(shí)法與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行對(duì)比分析。乳化瀝青試樣選用冷再生混合料馬歇爾擊實(shí)的成型方式，規(guī)范做法為對(duì)試樣的兩面采取50 次的擊實(shí)，完成養(yǎng)生后，對(duì)其雙面再進(jìn)行25 次擊實(shí)，冷卻后脫模。為實(shí)現(xiàn)對(duì)比分析效果，取一組試樣馬歇爾雙面直接進(jìn)行75 次擊實(shí)，對(duì)比分析冷再生混合料強(qiáng)度受成型方式的影響程度。

采取不同成型方式的改性乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度存在差異。試樣馬歇爾雙面直接進(jìn)行75 次擊實(shí)的效果優(yōu)于規(guī)范做法的試樣，這是由于規(guī)范成型方法的試驗(yàn)加入了乳膠后進(jìn)行了50 次擊實(shí)，通過養(yǎng)生40 h 已經(jīng)具備了較高的強(qiáng)度。再進(jìn)行二次擊實(shí)時(shí)易導(dǎo)致部分集料的碎裂，同時(shí)混合料本身也具備一定的孔隙率，兩種因素導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度變?nèi)?。但成型效果最好的為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)30 次的混合料。為保證混合料成型質(zhì)量，同時(shí)考慮實(shí)際工程中操作的便利性，綜合上述三組成型方式效果，選擇一次成型的馬歇爾擊實(shí)成型法，對(duì)雙面進(jìn)行85~90 次擊實(shí)。

2.3 最佳乳化瀝青和水泥用量

該文研究了3 種不同水泥摻量對(duì)混合料的影響，分別為1.5%、2%和2.5%，同時(shí)以0.5%的間隔研究了5 種不同乳化瀝青摻量，分別為2.5%~4.5%的乳化瀝青含量。通過測(cè)量混合料的體積參數(shù)，并進(jìn)行15 ℃劈裂試驗(yàn)、浸水劈裂試驗(yàn)得到相關(guān)力學(xué)參數(shù)，通過對(duì)比分析，改性乳化瀝青冷再生混合料和普通乳化瀝青冷再生混合料的最佳乳化瀝青含量和最佳水泥含量，最終確定最佳的混合料配比設(shè)計(jì)[3]。

綜合圖1（a）（b）可知，在不同水泥摻量下，高性能改性乳化瀝青混合料的空隙率均低于普通乳化瀝青，這是因?yàn)楦咝阅苣z乳的加入增大了乳化瀝青與RAP 料中舊瀝青的黏附性，使得混合料更易壓實(shí)。當(dāng)乳化瀝青含量為4%時(shí)，獲得空隙率較小的冷再生混合料。

圖1 乳化瀝青冷再生混合料配合比試驗(yàn)結(jié)果

分析混合料干濕劈裂強(qiáng)度比的數(shù)據(jù)，其中高性能改性乳化瀝青冷再生混合料當(dāng)水泥含量為2.5%時(shí)，表現(xiàn)出最高的干濕劈裂強(qiáng)度比，水穩(wěn)定性最好；當(dāng)水泥含量為1.5%時(shí)，普通乳化瀝青冷再生混合料的干濕劈裂強(qiáng)度與其他水泥含量下的相比有明顯提升，水穩(wěn)定性最佳。

綜合以上分析，普通乳化瀝青冷再生混合料的最佳水泥含量為2%，最佳乳化瀝青含量為4%；改性乳化瀝青冷再生混合料的最佳水泥含量為2%，最佳乳化瀝青含量為3.5%。

3 高性能乳化瀝青冷再生混合料路用性能研究

3.1 試驗(yàn)方案

在高性能改性乳化瀝青再生混合料最佳配合比的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改性乳化瀝青冷再生混合料路用性能的探究，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括高溫穩(wěn)定性、中低溫抗裂性和疲勞性能。同時(shí)，與普通乳化瀝青冷再生混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)改性乳化瀝青冷再生混合料的工程適用性。

（1）高溫穩(wěn)定性采用開發(fā)的多序列重復(fù)加載動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，并結(jié)合中下面層的夏季溫度場(chǎng)模擬冷再生層。試驗(yàn)分為預(yù)加載階段和多序列加載階段。加初載荷可以減少?gòu)椥阅Ａ康恼`差；分級(jí)加載既可以保證彈性模量的誤差，同時(shí)也可以保證材料始終處于彈性狀態(tài)。預(yù)加載階段采用的荷載級(jí)別為0.7 MPa，加載周期為1 s，共進(jìn)行1 000 次加載；多序列加載階段采用應(yīng)力幅值范圍0.5~1.1 MPa，共加載30 個(gè)序列，單個(gè)加載周期為1 s，共進(jìn)行100 次加載。試驗(yàn)通過復(fù)合平均應(yīng)變力和復(fù)合蠕變進(jìn)度模量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)冷再生瀝青混合料的抗車轍性能[4]。

（2）半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）是評(píng)價(jià)中低溫抗裂性的方法，對(duì)比兩種冷再生混合料15 ℃和-10 ℃溫度條件下，不同加載速率對(duì)應(yīng)的開裂行為。該試驗(yàn)裝置采用三點(diǎn)加載模式，其中兩個(gè)支座位于底部，加載軸位于上邊緣中點(diǎn)，考慮試件的尺寸厚支座之間的距離定為12 cm。在試驗(yàn)前，將試件分別放入15 ℃和-10 ℃的環(huán)境箱中[5]，保溫時(shí)間不少于4 h，然后按照設(shè)定的5 種加載速率（0.1 mm/min、1 mm/min、20 mm/min、50 mm/min 和80 mm/min）進(jìn)行加載。

（3）疲勞性能同樣選用SCB 試驗(yàn)，確定兩種冷再生混合料的強(qiáng)度，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)力比確定疲勞試驗(yàn)加載的應(yīng)力水平。其中疲勞試驗(yàn)溫度和強(qiáng)度試驗(yàn)溫度定為15 ℃，加載速率采用50 mm/min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）高溫性能試驗(yàn)結(jié)果與分析。分析表1 可得，在應(yīng)力增大的情況下，普通乳化瀝青冷再生混合料的應(yīng)力水平平均應(yīng)變率均大于改性乳化瀝青冷再生混合料，但發(fā)展趨勢(shì)較緩慢。中面層在0.5 MPa 的時(shí)候出現(xiàn)了負(fù)值。由于每一級(jí)別應(yīng)力加載次數(shù)設(shè)置較少，在一個(gè)應(yīng)力加載周期內(nèi)，混合料內(nèi)部未產(chǎn)生足夠的蠕變變形，因此在后續(xù)研究中可適當(dāng)增加冷再生分層蠕變?cè)囼?yàn)每個(gè)序列加載的次數(shù)[3]。由此可以得到，在實(shí)際的溫度場(chǎng)中，冷再生層作為下面層具有更好的抗高溫變形能力，且具有良好的抗車轍性能。

（2）中低溫抗裂性能。由表2 可知，在中低溫條件下（15 ℃和-10 ℃），隨著加載速率的增大，兩種冷再生混合料峰值力和抗裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，以加載速率為50 mm/min 為例，15 ℃條件下的改性冷再生混合料強(qiáng)度較普通冷再生混合料提高了35%，-10 ℃條件下提高了16%，說明高性能改性乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性能更優(yōu)，且在中溫環(huán)境下提升效果更明顯。特別地，在15 ℃條件下，當(dāng)加載速率從0.1 mm/min 上升到80 mm/min，抗裂強(qiáng)度提升了4.1倍，表明在中溫的環(huán)境下，加載速率對(duì)抗裂強(qiáng)度具有顯著的影響效果。相反，在低溫（-10 ℃）環(huán)境下，2 種冷再生混合料的抗裂強(qiáng)度變化率均低于50%，對(duì)加載速率的敏感性較低。此外，從斷裂能指標(biāo)看，高性能膠乳改善冷再生混合料的效果更加顯著，顯示更高的整體強(qiáng)度[6]。

表2 冷再生瀝青混合料的中低溫抗裂性能結(jié)果

（3）疲勞性能。從表3 可以得出，改性冷再生瀝青混合料的破壞荷載普遍地高于普通冷再生混合料，整體上強(qiáng)度變異性較小，均小于10%。其次隨著應(yīng)力比和應(yīng)力幅值的數(shù)值增加的情況下，平均疲勞壽命呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，兩者擬合效果均良好，相關(guān)指數(shù)均在1.0 以上。同樣的改性冷再生瀝青混合料在相同的應(yīng)力比條件下，其應(yīng)力幅值和疲勞壽命均優(yōu)于普通的冷再生混合料。

表3 冷再生混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

該文對(duì)高性能乳化瀝青及其冷再生混合料的性能進(jìn)行分析，首先確定高性能改性乳化瀝青的制備工藝—內(nèi)摻法；其次成型方式采用馬歇爾擊實(shí)法，雙面擊實(shí)次數(shù)控制在85~90 次范圍內(nèi)，并100%利用RAP 料，確定最佳水泥含量為2%、最佳乳化瀝青含量為3.5%。在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)混合料的路用性能，同時(shí)與普通乳化瀝青冷再生混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

通過高溫分層蠕變?cè)囼?yàn)得到乳化瀝青冷再生瀝青混合料高溫性能高于普通冷再生瀝青混合料，其中改性乳化瀝青冷再生層無論是運(yùn)用于中面層還是下面層，整體均有良好的抗車轍能力。高性能改性乳化瀝青冷再生瀝青混合料的低溫抗裂強(qiáng)度、耐久性能也較高，表現(xiàn)出更好的低溫抗裂性和疲勞性能。