肖劉路, 黃晚清, 謝華明, 曹明明, 鄒逸文

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041；3.四川興蜀公路建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 四川 成都 610041)

乳化瀝青冷再生技術(shù)因舊料利用率高、能耗低、污染少，具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，在各等級(jí)路面養(yǎng)護(hù)及改擴(kuò)建中應(yīng)用日漸廣泛。國(guó)外冷再生混合料設(shè)計(jì)方法大致分為經(jīng)驗(yàn)公式法和試驗(yàn)測(cè)試法兩類，經(jīng)驗(yàn)公式法根據(jù)瀝青混合料回收料(RAP)的性能指標(biāo)預(yù)估最佳乳化瀝青含量，代表方法有美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)法、俄勒岡州設(shè)汁法；試驗(yàn)測(cè)試法以再生混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比及最大相對(duì)密度為主要指標(biāo)確定最佳乳化瀝青用量，代表方法有AASHTO修正的馬歇爾法、加利福尼亞州設(shè)計(jì)法。中國(guó)主要采用修正馬歇爾試驗(yàn)法，該方法存在諸多不足或不便，如所建議的級(jí)配范圍存在局限、最佳含水率試驗(yàn)方法稍顯復(fù)雜、最佳乳化瀝青用量確定指標(biāo)單一、路用性能配合比檢驗(yàn)不充分等。以RAP摻量控制級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)也鮮有報(bào)道。該文基于室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

1 原材料

1.1 RAP

RAP采用G544線川九路段九寨溝縣境內(nèi)路面銑刨料，按粒徑大小分為3檔，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

表1 RAP瀝青含量與含水率

表2 RAP回收瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 乳化瀝青

采用某種慢裂型陽(yáng)離子乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.3 其他原材料

試驗(yàn)采用10～20 mm石灰?guī)r碎石，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。礦粉指標(biāo)也滿足規(guī)范要求。采用P.C.42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 P.C42.5水泥的技術(shù)指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

未抽提的RAP用作黑色集料，分別調(diào)試不同RAP摻量的級(jí)配，得到98%、88%和80%RAP摻量3種級(jí)配，分別記作1#、2#、3#級(jí)配，摻配比例見(jiàn)表5，合成級(jí)配見(jiàn)表6。

表5 不同RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料各檔集料的用量

表6 不同RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料的合成級(jí)配

2.2 最佳含水率

北美地區(qū)的公路工程常采用裹附試驗(yàn)，通過(guò)目測(cè)分散情況確定最佳用水量，該方法完全依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有量化指標(biāo)，缺乏科學(xué)性。中國(guó)規(guī)范要求采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定乳化瀝青冷再生混合料最佳含水率，條件不足的工程可嘗試采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，水泥用量初擬為1.5%。試驗(yàn)過(guò)程中保持混合料乳化瀝青含量和水泥用量不變，變化總用水量進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)與馬歇爾擊實(shí)(雙面擊實(shí)100次)試驗(yàn)，3種級(jí)配混合料的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 不同級(jí)配乳化瀝青冷再生混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同級(jí)配乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖1、圖2可知：通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)與馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)得到的3種級(jí)配乳化瀝青冷再生混合料的最佳含水率均在4.5%左右，表明馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)在確定最佳含水率方面具有良好的準(zhǔn)確性；相同含水率條件下，馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)所得干密度比重型擊實(shí)試驗(yàn)所得結(jié)果大，表明馬歇爾雙面擊實(shí)100 次試驗(yàn)的擊實(shí)功過(guò)大，可酌情減少擊實(shí)次數(shù)。

2.3 最佳乳化瀝青用量

針對(duì)1#、2#、3#級(jí)配，保持最佳含水率不變，分別取乳化瀝青用量為2.9%、3.1%、3.3%、3.5%、3.7%，將乳化瀝青冷再生混合料雙面擊實(shí)50次成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，連同試模放入60 ℃烘箱中養(yǎng)生48 h后取出，立即雙面各擊實(shí)25次，置于室溫12 h后脫模，測(cè)試空隙率并進(jìn)行干、濕劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 不同乳化瀝青用量再生混合料空隙率試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同乳化瀝青用量再生混合料干、濕劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖3、圖4可知：1) 乳化瀝青冷再生混合料的空隙率隨乳化瀝青用量的增加而減小。乳化瀝青用量增加，混合料中集料含量相對(duì)減小；增加乳化瀝青用量，集料與瀝青的裹附效果增強(qiáng)，混合料中自由瀝青含量增加，填充部分空隙，使空隙率降低。2) 干、濕劈裂強(qiáng)度及干濕劈裂強(qiáng)度比均隨著乳化瀝青用量的增加先增大后減小，1#、2#、3#級(jí)配分別在乳化瀝青用量為3.4%、3.5%和3.6%時(shí)達(dá)到峰值，說(shuō)明乳化瀝青用量超過(guò)最佳用量時(shí)，自由瀝青含量過(guò)高，過(guò)多的瀝青會(huì)阻礙集料間的嵌擠，使混合料強(qiáng)度降低。3) 綜合空隙率及強(qiáng)度，1#、2#、3#級(jí)配冷再生混合料分別在乳化瀝青用量為3.4%、3.5%和3.6%時(shí)強(qiáng)度最大，浸水強(qiáng)度損失最小，空隙率較小，且均滿足技術(shù)要求。

2.4 最佳水泥摻量

針對(duì)1#、2#、3#級(jí)配，保持最佳含水率不變，乳化瀝青用量分別取3.4%、3.5%和3.6%，P.C42.5水泥摻量分別為0.0%、1.5%、3.0%，進(jìn)行15 ℃干、濕劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同水泥摻量乳化瀝青再生混合料干、濕劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知：隨著水泥摻量的增加，乳化瀝青再生混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度逐漸增大，說(shuō)明水泥通過(guò)水化反應(yīng)吸收混合料的水分，混合料的整體強(qiáng)度提高，未水化的水泥充當(dāng)活性礦粉的作用，提高了瀝青與集料間的黏附性。但隨著水泥摻量的增加，干濕劈裂強(qiáng)度比先增加后減小，需限制水泥摻量。綜合考慮，1#、2#、3#級(jí)配的水泥摻量分別為1.7%、1.5%、1.3%時(shí)，冷再生混合料具有較高的力學(xué)性能，為最佳水泥摻量。

3 配合比檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)方法修正建議

3.1 配合比檢驗(yàn)

根據(jù)確定的配合比，分別通過(guò)車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 摻RAP乳化瀝青再生混合料配合比檢驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：1) 隨著RAP摻量的增加，乳化瀝青再生混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度迅速減小，這是由于添加的粗集料逐漸減少，混合料整體瀝青含量增加，同時(shí)集料間嵌擠強(qiáng)度逐漸降低，因而高溫穩(wěn)定性能迅速降低。但98%RAP摻量的動(dòng)穩(wěn)定度仍大于規(guī)范下限，表明不摻加粗集料的乳化瀝青冷再生混合料依然滿足高溫穩(wěn)定性要求，也驗(yàn)證了水泥對(duì)其高溫穩(wěn)定性能的巨大提升作用。2) 隨著RAP摻量的增加，再生混合料的低溫彎曲最大彎拉應(yīng)變逐漸增加，表明減少粗集料摻量可增加混合料的柔性。根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，普通瀝青混合料低溫彎曲最大彎拉應(yīng)變≥2 000 με，80%RAP摻量再生混合料的最大彎拉應(yīng)變小于該控制指標(biāo)。3) 隨著RAP摻量的增加，凍融劈裂強(qiáng)度比先增加后減小，說(shuō)明過(guò)多或過(guò)少摻加粗集料都不利于乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性能。RAP摻量過(guò)少，混合料整體瀝青含量較低，黏結(jié)性不足，其抗水損壞能力較差；RAP摻量過(guò)多，集料間嵌擠強(qiáng)度降低，內(nèi)摩阻力減小，水穩(wěn)定性能降低。

從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益方面考慮，希望盡可能提高RAP利用率。RAP摻量98%時(shí)，完全不摻加粗集料，只摻加2%礦粉，RAP被充分利用。此時(shí)，高溫穩(wěn)定性最差，但仍滿足技術(shù)要求；低溫破壞應(yīng)變最大，且≥2 000 με；水穩(wěn)定性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.2 設(shè)計(jì)方法修正建議

根據(jù)配合比檢驗(yàn)結(jié)果，88%～98%RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料具有較好的路用性能。其中98%RAP摻量100%利用RAP，完全不添加新料，對(duì)應(yīng)的1#合成級(jí)配的13.2 mm篩孔通過(guò)率超過(guò)級(jí)配上限，但路用性能合格，表明規(guī)范建議的級(jí)配范圍有待商榷。結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程，建議對(duì)乳化瀝青冷再生配合比設(shè)計(jì)方法作以下修正和補(bǔ)充：

(1) 級(jí)配范圍結(jié)合實(shí)際工程需求予以調(diào)整，只需路用性能滿足即可。

(2) 采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)替代重型擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳含水率，雙面擊實(shí)次數(shù)不超過(guò)100次。

(3) 確定最佳乳化瀝青用量時(shí)，添加空隙率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并要求空隙率與實(shí)際施工碾壓空隙率接近。

(4) 通過(guò)路用性能試驗(yàn)進(jìn)行配合比檢驗(yàn)時(shí)，規(guī)范僅需檢驗(yàn)高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，建議添加低溫抗裂性能檢驗(yàn)，以滿足低溫地區(qū)路用性能需要。

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)98%、88%和80%RAP摻量的乳化瀝青冷再生混合料配合比，通過(guò)馬歇爾擊實(shí)(雙面擊實(shí)100次)試驗(yàn)和重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到3種級(jí)配的最佳含水率為4.5%，最佳乳化瀝青用量分別為3.4%、3.5%、3.6%，最佳水泥摻量分別為1.7%、1.5%、1.3%。

(2) 添加空隙率作為乳化瀝青用量的控制指標(biāo)，添加低溫抗裂性能指標(biāo)用于配合比檢驗(yàn)。RAP摻量80%時(shí)乳化瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性能不足，RAP摻量為88%～98%時(shí)具有較好的路用性能。

(3) 對(duì)乳化瀝青冷再生配合比設(shè)計(jì)方法予以修正和補(bǔ)充：級(jí)配范圍隨工程需求變動(dòng)，可適當(dāng)調(diào)整；含水率確定方法采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)替代重型擊實(shí)試驗(yàn)，雙面擊實(shí)次數(shù)不超過(guò)100次；添加空隙率指標(biāo)確定最佳乳化瀝青用量，使室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)鉆芯技術(shù)指標(biāo)接近；配合比檢驗(yàn)添加低溫性能試驗(yàn)指標(biāo)。