程培峰， 李炬輝， 寇洪源

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

公路工程的發(fā)展與中國(guó)經(jīng)濟(jì)和政治建設(shè)緊密相關(guān)，自建國(guó)之初中國(guó)大力新建公路至今已近70年，大部分公路因?yàn)槟昃檬蕹霈F(xiàn)不同程度的病害，如裂縫、坑洞、唧水等。對(duì)這些出現(xiàn)病害路面進(jìn)行修整已成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大事。使用再生技術(shù)對(duì)病害路面進(jìn)行修整一方面可以減少舊瀝青混合料對(duì)環(huán)境造成的污染；另一方面也可以變廢為寶，節(jié)約資源。根據(jù)再生過(guò)程中是否需要加熱主要分為熱再生技術(shù)和冷再生技術(shù)，冷再生技術(shù)無(wú)需對(duì)集料進(jìn)行加熱因而節(jié)約能源，而且對(duì)舊瀝青混合料利用率高應(yīng)用越來(lái)越多。

新建路面的瀝青混合料都是通過(guò)加熱然后拌和而成，而且瀝青加熱狀態(tài)可以潤(rùn)滑集料，減少其內(nèi)摩阻力，使混合料空隙率降低，瀝青利用率高，集料本身強(qiáng)度得到提高。冷再生瀝青混合料一般需要通過(guò)調(diào)節(jié)含水率保證其壓實(shí)度，而經(jīng)過(guò)養(yǎng)生以后，混合料中水分蒸發(fā)以后不可避免地導(dǎo)致再生混合料空隙率偏大。乳化瀝青本身瀝青含量有限，所以冷再生瀝青混合料養(yǎng)生時(shí)間長(zhǎng)，早期強(qiáng)度低，目前冷再生技術(shù)仍是只應(yīng)用于路面基層和底基層。

就地冷再生技術(shù)是在舊瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)將病害路面銑刨，然后將舊瀝青混合料與新集料、水、乳化瀝青和水泥拌和，經(jīng)攤鋪和碾壓及養(yǎng)生以后建成新路面。由于冷再生技術(shù)制備混合料過(guò)程未經(jīng)過(guò)加熱，而且乳化瀝青的瀝青含量一般為50%～60%，即使也有水泥增強(qiáng)再生混合料強(qiáng)度，但由于本身局限性，冷再生瀝青混合料強(qiáng)度只能滿(mǎn)足路面基層或下基層的要求?，F(xiàn)在的就地冷再生技術(shù)對(duì)舊瀝青混合料的利用僅限于作為集料，其中老化瀝青基本未發(fā)揮應(yīng)有價(jià)值。該文將輕質(zhì)油分再生劑運(yùn)用于冷再生技術(shù)，通過(guò)輕質(zhì)油分對(duì)老化瀝青的稀釋溶解增強(qiáng)再生劑在老化瀝青中的擴(kuò)散作用。同時(shí)加入新集料以增加再生混合料黏聚力和強(qiáng)度，推廣冷再生技術(shù)的應(yīng)用。

1 原材料準(zhǔn)備

1.1 舊瀝青混合料

舊料取自哈爾濱江北區(qū)某條主干道，道路已使用6年。對(duì)舊料采用烘干法測(cè)量其含水率為0.7%，利用阿布森瀝青回收方法得到其油石比為4.2%，由此預(yù)估再生劑摻量以0.3%為間隔同時(shí)以舊料質(zhì)量的0.9%上下浮動(dòng)摻加。通過(guò)對(duì)舊料篩分稱(chēng)量獲得舊料級(jí)配如表1所示，舊瀝青混合料級(jí)配與JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》AC-16級(jí)配接近。再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)參考舊料級(jí)配采用再生規(guī)范中的中粒式級(jí)配，級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 RAP集料級(jí)配

圖1 再生混合料級(jí)配曲線圖

1.2 乳化瀝青

舊料及新集料都偏堿性，使用陽(yáng)離子乳化瀝青有利于乳化瀝青與集料結(jié)合，同時(shí)考慮就地冷再生過(guò)程需足夠時(shí)間拌和使用慢裂慢凝型，各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.3 水泥

冷再生瀝青混合料需在拌和過(guò)程添加水分以保證壓實(shí)密度，但水分蒸發(fā)過(guò)程中再生路面的早期強(qiáng)度不能保證。水泥在冷再生瀝青混合料中作為填料的同時(shí)加速乳化瀝青破乳，提高早期強(qiáng)度。水泥性能指標(biāo)如表3所示。

表2 乳化瀝青性能指標(biāo)

表3 水泥性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.4 輕質(zhì)油分再生劑

瀝青老化主要表現(xiàn)為瀝青中飽和分和芳香分減少，同時(shí)膠質(zhì)和瀝青質(zhì)增多。SHARP機(jī)構(gòu)就瀝青老化過(guò)程中成分轉(zhuǎn)化做出具體研究，結(jié)果表明：瀝青老化過(guò)程中低分子有機(jī)物結(jié)合形成高分子有機(jī)物，生成含有羥基、亞砜基的有機(jī)物，這些基團(tuán)增強(qiáng)了瀝青極性。極性促進(jìn)了瀝青分子締合，使瀝青的勁度大大增加。再生劑的主要作用是改善老化瀝青性能或作為新結(jié)合料提高再生混合料強(qiáng)度。彭欽幫等通過(guò)在冷再生瀝青混合料中添加二灰、粉煤灰等，研究它們對(duì)路用性能的影響；羅耀平等通過(guò)確定稀釋瀝青、PTN、環(huán)氧樹(shù)脂等再生劑得到其最佳摻量和路用性能。

根據(jù)有機(jī)物之間的相似相溶原理，使用輕質(zhì)油分溶解締合完成的瀝青，減少老化瀝青中大分子鏈長(zhǎng)度及相互引力，因而在混合料擊實(shí)過(guò)程中獲得黏聚力。同時(shí)在輕質(zhì)油分的稀釋溶解下再生劑更容易與老化瀝青融合，提高老化瀝青性能。輕質(zhì)油分再生劑相對(duì)于其他再生劑的主要優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)老化瀝青的性能改善和發(fā)揮老化瀝青黏聚力作用。輕質(zhì)油分再生劑由輕質(zhì)油分和現(xiàn)在市場(chǎng)提供的再生劑組成，試驗(yàn)選用再生劑與輕質(zhì)油分比例為3∶7的輕質(zhì)油分再生劑，其中再生劑的各項(xiàng)指標(biāo)如表4所示。

表4 再生劑性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

水分在冷再生瀝青混合料中的主要作用是保證其具有最大干密度，同時(shí)使再生集料有足夠的和易性。冷再生瀝青混合料的最佳含水率參照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中T0131的方法，在固定乳化瀝青摻量的前提下改變外摻水量，以重型擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)混合料最大干密度得到最佳含水率，從而確定最佳外摻水量為4.1%，結(jié)果如圖2所示。

冷再生瀝青混合料主要應(yīng)用于路面基層，瀝青路面基層常見(jiàn)病害為裂縫病害，當(dāng)基層出現(xiàn)病害，經(jīng)常會(huì)以反射裂縫的形式作用于面層。劈裂強(qiáng)度是衡量冷再生瀝青混合料路用性能的重要指標(biāo)，一方面劈裂強(qiáng)度反映再生瀝青路面的間接抗拉強(qiáng)度；另一方面通過(guò)最大劈裂強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的乳化瀝青摻量可確定乳化瀝青的最佳摻量，即再生混合料最大干濕劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比對(duì)應(yīng)的乳化瀝青用量為最佳，確定最佳乳化瀝青用量為4.3%。

圖2 干密度隨外摻水量的變化曲線圖

將水泥應(yīng)用于就地冷再生技術(shù)是因?yàn)樗嗯c再生混合料中的水分發(fā)生水化反應(yīng)增強(qiáng)再生混合料的強(qiáng)度，此過(guò)程表現(xiàn)為水泥在冷再生瀝青混合料中起到加筋作用，此外水泥水化過(guò)程中要與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由于水分減少加快了乳化瀝青破乳，對(duì)集料發(fā)揮黏聚力作用。兩者共同提高再生混合料強(qiáng)度。但水泥摻量應(yīng)適中，水泥摻量過(guò)多會(huì)在其水化完成后由于干縮出現(xiàn)裂縫，水泥添量不足會(huì)導(dǎo)致路面強(qiáng)度不足，參考文獻(xiàn)試驗(yàn)采用2%水泥摻量。

就地冷再生瀝青混合料中水泥和乳化瀝青都需要經(jīng)過(guò)養(yǎng)生以后獲得強(qiáng)度，在養(yǎng)生過(guò)程中乳化瀝青破乳和水泥水化使再生路面強(qiáng)度提升。所以室內(nèi)試驗(yàn)所選擇的擊實(shí)和養(yǎng)生方法對(duì)冷再生混合料的最終強(qiáng)度至關(guān)重要。李志剛運(yùn)用開(kāi)放、半密閉和密閉3種方式下馬歇爾試件進(jìn)行養(yǎng)生，然后測(cè)量其劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，對(duì)比發(fā)現(xiàn)影響不大；中國(guó)目前對(duì)冷再生技術(shù)比較成熟的養(yǎng)生方式是采用“50次+25次”的擊實(shí)方式：將裝有冷再生瀝青混合料的試模及時(shí)在擊實(shí)儀上進(jìn)行正反兩面各50次擊實(shí)，然后試件置于60 ℃烘箱養(yǎng)生至少40 h，以試件質(zhì)量恒重為宜，將試件取出后及時(shí)進(jìn)行第二次擊實(shí)，擊實(shí)次數(shù)為雙面各25次，在室溫冷卻至少12 h，然后脫模。

3 再生劑摻量對(duì)冷再生混合料性能的影響

3.1 再生劑摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

按照舊瀝青混合料質(zhì)量的0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%共5個(gè)比例添加再生劑，同時(shí)與不摻加再生劑的試件進(jìn)行對(duì)比。將制作并養(yǎng)生好的試件置于15 ℃恒溫水浴箱中保溫90 min，然后在50 mm/min加載速率下進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 15 ℃劈裂強(qiáng)度

由圖3可知：① 當(dāng)再生劑摻量為0.9%時(shí)，冷再生混合料干劈裂強(qiáng)度達(dá)到極值，為0.53 MPa，相對(duì)于未摻加再生劑的冷再生瀝青混合料劈裂強(qiáng)度(0.32 MPa)，提高了39.6%；② 當(dāng)輕質(zhì)油分再生劑摻量超過(guò)0.9%時(shí)，再生混合料的劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。分析原因：① 當(dāng)再生劑摻量小于0.9%時(shí)，舊瀝青混合料表面的老化瀝青得到稀釋溶解，且老化瀝青的性能得到改善，但由于再生劑摻量較小改善效果未達(dá)到最佳；② 當(dāng)再生劑摻量大于0.9%時(shí)，再生劑對(duì)老化瀝青及破乳的乳化瀝青軟化稀釋嚴(yán)重，反而降低了黏聚力。再生劑摻量為0.3%、0.9%、1.5%的劈裂試件內(nèi)部圖片如圖4所示。

圖4 不同再生劑摻量下試件內(nèi)部狀況

由圖4可知：再生劑摻量為0.3%時(shí)，冷再生瀝青混合料表面瀝青變色較淺，當(dāng)再生劑摻量為0.9%時(shí)冷再生瀝青混合料顯棕色，當(dāng)再生劑摻量為1.5%時(shí)，再生混合料內(nèi)部出現(xiàn)多余的未與老化瀝青融合的再生劑。

3.2 再生劑摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量的影響

乳化瀝青冷再生瀝青混合料主要應(yīng)用于路面基層，抗壓強(qiáng)度及其模量能很好地反映再生路面的強(qiáng)度，也能很好地表現(xiàn)路用性能的優(yōu)劣。選取0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%幾個(gè)不同再生劑摻量拌和集料，應(yīng)用前述成型和養(yǎng)生方法制作成型標(biāo)準(zhǔn)高度試件。成型試件根據(jù)JTG E20-2 011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)溫度20 ℃，加載速率2 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 冷再生瀝青混合料抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量變化曲線

由圖5可以看到：再生劑摻量對(duì)兩者性能都有所改善，但改善效果不明顯，再生劑摻量為0.9%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)再生劑摻量大于0.9%時(shí)，再生混合料抗壓強(qiáng)度反而降低；而回彈模量在0.3%達(dá)到最大，當(dāng)再生劑摻量大于0.6%時(shí)，回彈模量降低明顯。

3.3 再生劑摻量對(duì)水穩(wěn)定性的影響

將壓實(shí)及養(yǎng)生完成的試件浸水24 h后測(cè)量其劈裂強(qiáng)度，以浸水以后的殘留穩(wěn)定度作為指標(biāo)衡量冷再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性，浸水劈裂強(qiáng)度和殘留劈裂強(qiáng)度變化曲線如圖6所示。

由圖6可知：① 冷再生混合料的浸水劈裂強(qiáng)度隨再生劑摻量變化趨勢(shì)與前文15 ℃條件下的劈裂強(qiáng)度(圖3)變化趨勢(shì)基本一致，冷再生混合料的浸水劈裂強(qiáng)度同樣在再生劑摻量為0.9%時(shí)達(dá)到最大，其值為0.41 MPa，相對(duì)于未摻加再生劑的混合料浸水劈裂強(qiáng)度變化明顯；② 殘留劈裂強(qiáng)度在再生劑摻量為0.9%時(shí)達(dá)到極值,為77%。

圖6 冷再生瀝青混合料水穩(wěn)定性變化曲線

3.4 再生劑摻量對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響

通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)量，不同再生劑摻量下車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 冷再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

由表5可得：隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先升高再下降，當(dāng)再生劑摻量為0.6%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大。分析原因：當(dāng)未添加再生劑時(shí)，再生混合料僅有水泥和乳化瀝青發(fā)揮黏聚力作用，其動(dòng)穩(wěn)定度較低；隨著再生劑摻量的不斷增加，舊瀝青混合料中老化瀝青性能得到改善，再生混合料由水泥、乳化瀝青和再生瀝青發(fā)揮黏聚力作用，且隨著再生劑摻量的不斷增加，老化瀝青的改善效果越明顯，再生劑摻量為0.6%時(shí)老化瀝青的改善效果最佳，動(dòng)穩(wěn)定度最高；隨著再生劑摻量的進(jìn)一步增加，輕質(zhì)油分再生劑中的輕質(zhì)油分使老化瀝青及乳化瀝青軟化過(guò)度，不能發(fā)揮黏聚力作用，主要由水泥發(fā)揮黏聚力，動(dòng)穩(wěn)定度下降明顯。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)再生劑摻量為0.9%時(shí)再生混合料劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大，為0.53 MPa，相對(duì)于未添加再生劑的劈裂強(qiáng)度，提高了39.6%，當(dāng)再生劑摻量再增加時(shí)，再生混合料劈裂強(qiáng)度反而下降。

(2) 冷再生瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度隨再生劑的摻量增加變化不明顯，當(dāng)再生劑摻量小于0.9%時(shí)，再生混合料的抗壓強(qiáng)度隨再生劑摻量的增加而增加，在0.9%時(shí)達(dá)到最大，為2.096 MPa；當(dāng)再生劑摻量為0.3%時(shí)，抗壓回彈模量最大，為1 306 MPa。

(3) 冷再生瀝青混合料水穩(wěn)定性隨再生劑摻量變化不明顯，但都能滿(mǎn)足冷再生瀝青混合料作為基層或底基層使用要求，再生劑摻量為0.9%時(shí)殘留穩(wěn)定度為77%。冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度受再生劑的影響明顯，再生劑摻量0.6%時(shí)再生混合料的車(chē)轍穩(wěn)定度最大，為5 338次/mm，當(dāng)再生劑摻量超過(guò)0.6%時(shí)再生混合料的車(chē)轍穩(wěn)定度下降明顯。