■梁 剛

（山西省公路局臨汾分局，臨汾 041000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)總量不斷擴(kuò)大，能源需求與消耗逐年攀升，環(huán)境污染問題日益凸顯，資源環(huán)境成為各行各業(yè)關(guān)注的焦點問題。 公路交通長期消耗大量國家能源，公路交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展勢必順應(yīng)綠色發(fā)展理念，務(wù)必處理好資源利用、生態(tài)安全與公路交通發(fā)展的關(guān)系。 乳化瀝青冷再生技術(shù)是將舊路面銑刨、翻挖、回收得到的RAP 進(jìn)行二次破碎、篩分，再按一定比例摻加乳化瀝青、新集料和水，經(jīng)拌和、攤鋪和碾壓等工藝，得到滿足一定路用性能的技術(shù)[1]。

近年來，大量學(xué)者對乳化瀝青冷再生混合料的成型、設(shè)計方法及其性能做了相關(guān)研究并取得了相應(yīng)成果[3-7]，謝寶山[8]研究了不同水泥用量及摻和順序?qū)旌狭系脑缙谛阅苡绊懀?發(fā)現(xiàn)水泥用量較低時，水泥用量與混合料的劈裂強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性呈正相關(guān)性；先摻瀝青后摻水泥將抑制混合料的早期強(qiáng)度，但對其水穩(wěn)定性具有一定促進(jìn)作用；王志剛[1]通過加速加載、SCB 以及間接拉伸疲勞試驗研究了冷再生混合料摻入纖維后的抗裂性及抗剪切變形能力，同時利用SEM 試驗分析了混合料破壞界面的細(xì)微觀形貌，分析了纖維對其路用性能的影響機(jī)理，并對所用纖維的摻量進(jìn)行了推薦。 總而言之，對于乳化瀝青冷再生技術(shù)，大量學(xué)者已對乳化瀝青摻量、水泥摻量及其摻和順序，或纖維等改性后的混合料的各項性能都進(jìn)行了較為全面的分析與評價。 但隨著國內(nèi)乳化瀝青冷再生技術(shù)的日漸成熟、 應(yīng)用范圍不斷拓寬以及工程實例的增加，原土工擊實法結(jié)合馬歇爾擊實法的設(shè)計方法較難滿足對混合料配比設(shè)計要求。 故本文依托山西省臨汾市國省道路面改造項目，結(jié)合山西省臨夏線改造工程的實際情況， 分別采用Superpave 設(shè)計法和馬歇爾設(shè)計法對混合料的配比設(shè)計方法進(jìn)行了分析，并總結(jié)提出適用于本次干線公路改造工程的擊實體積校驗綜合設(shè)計方法。

1 配比方法優(yōu)化設(shè)計

依成型方式不同，乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計方法包括馬歇爾設(shè)計方法和旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計方法[9]。本節(jié)將對比分析不同設(shè)計過程中存在的差異性以及關(guān)鍵參數(shù)的影響，設(shè)計出一套更適用、更精準(zhǔn)的配比優(yōu)化方案。

1.1 現(xiàn)行設(shè)計方法研究

馬歇爾試驗法考慮了混合料的密實度和空隙特性，通過調(diào)控兩者性質(zhì)以獲得具有良好耐久性能的混合料。 此外，馬歇爾試驗方法其試驗檢測儀器簡便易攜，容易操作，但該試驗方法中擊實成型的原理不能很好地模擬實體工程應(yīng)用中在搓揉壓實作用下形成的路面壓實情況，故其穩(wěn)定度指標(biāo)并不夠充分。 馬歇爾試件在成型的過程中存在較明顯的集料破碎現(xiàn)象。 為探究集料的破碎情況及查驗試件成型效果，采用掃描電子顯微鏡觀察馬歇爾試件剖面的形貌，分析試件內(nèi)部集料的破損情況，觀測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 試件剖面形貌像

從圖1 可看出，瀝青與集料直接的粘結(jié)狀況良好，但RAP 破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，混合料級配細(xì)化，不能真實反映混合料的再生效果。 此外，其成型得到的試件上下兩面的集料也表現(xiàn)出較為明顯的松散破損現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 試件松散效果圖

為探究采用2 種不同設(shè)計方法得到的混合料強(qiáng)度的差異，研究對摻量不同的4 種乳化瀝青冷再生混合料，在相同試驗條件下對比試件的干劈強(qiáng)度和浸水劈裂強(qiáng)度（濕劈強(qiáng)度），試驗結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 25℃干劈強(qiáng)度比較

從圖3、4 可見，不同乳化瀝青用量下，旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計方法下成型的試件的干劈強(qiáng)度、濕劈強(qiáng)度均更優(yōu)異；由圖3 可知，采用旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計方法其試件干劈強(qiáng)度變化更明顯，且其對乳化瀝青用量的變化更為敏感，有利于確定混合料的最佳瀝青用量。

圖4 25℃濕劈強(qiáng)度比較

不同國家和機(jī)構(gòu)對最大的密實度和強(qiáng)度、最佳的瀝青裹附狀態(tài)以及混合料的最佳施工和易性等的要求不同，確定最佳含水率的方法也不同。 以瀝青最佳裹附狀態(tài)以及施工和易性作為主要因素依賴于經(jīng)驗性的判斷，指標(biāo)難以量化且具有較強(qiáng)的主觀性；最大密實度為可量化的評價指標(biāo)，有別于主觀判斷，在實際應(yīng)用中更加可靠。 目前可通過最佳流體含量和最佳含水率2 種方法確定最大干密度，前者是將設(shè)計及控制過程中乳化瀝青、外加水以及礦料中的水的總和定義為總流體含量；而后者則將設(shè)計及控制過程中乳化瀝青中的水、外加水以及礦料中的水的總和定義為總含水率。 對比2 種設(shè)計方法，前者強(qiáng)化了乳化瀝青潤滑作用，而后者忽略了乳化瀝青潤滑作用。 而單從混合料拌和過程中干濕效果來看，乳化瀝青微粒對混合料的潤滑作用不如水優(yōu)異。

1.2 配比設(shè)計優(yōu)化

結(jié)合現(xiàn)行再生規(guī)范設(shè)計流程，同時考慮到乳化瀝青微粒的影響，對原設(shè)計流程進(jìn)行改進(jìn)，通過預(yù)估—驗證的方式確定混合料的最佳含水量。 先通過JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的設(shè)計流程確定最佳乳化瀝青用量，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步通過改變含水量測試混合料的劈裂強(qiáng)度，根據(jù)強(qiáng)度測試結(jié)果確定最佳含水量，將該最佳含水量與土工擊實確定的最佳含水量對比，若差值不超過±1%，則認(rèn)為該配比設(shè)計準(zhǔn)確。 若超出該范圍，則在此基礎(chǔ)上，通過改變?nèi)榛癁r青用量重新確定最佳用量，然后改變含水量再次進(jìn)行試驗，直至兩次試驗含水量結(jié)果的差值不超過±1%。 在優(yōu)化設(shè)計過程中，考慮水的潤滑作用以及乳化瀝青微粒對混合料的影響， 分析了馬歇爾法和Superpave 體積設(shè)計法的優(yōu)點， 提出了乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計的擊實體積校驗綜合設(shè)計法，具體試驗流程如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)的配合比設(shè)計流程

2 原材料及配合比設(shè)計

根據(jù)優(yōu)化后的配比設(shè)計方法，通過室內(nèi)試驗驗證該設(shè)計方法的可行性。

2.1 原材料

2.1.1 RAP

RAP 是采用WIRTGEN-W 205 銑刨機(jī)從山西省臨夏線舊瀝青路面銑刨得到。 由于銑刨得到的RAP 存在超粒徑情況，故采用小型鄂破機(jī)對粒徑大于19 mm 的RAP 進(jìn)行二次破碎。 破碎后的RAP 篩分結(jié)果如表1 所示。

表1 RAP 篩分結(jié)果

2.1.2 礦粉、水泥和水

本文所用礦粉的表觀密度為2.722 g/cm3，親水系數(shù)為0.63，含水量為0.1%，均符合規(guī)范要求；所用水泥為威迪牌PC42.5 水泥，其基本物理特性如表2所示；水為潔凈的自來水。

表2 水泥基本物理特性

2.1.3 乳化瀝青

采用乳化瀝青為非改性慢裂陽離子型，基本物理特性如表3 所示。

表3 乳化瀝青基本物理特性

2.2 配合比設(shè)計

2.2.1 級配設(shè)計

根據(jù)規(guī)范設(shè)計要求， 同時提高銑刨料利用率，通過調(diào)整各原材摻量得到初擬級配，初擬級配為RAP10～20 mm∶RAP0～10 mm∶礦粉∶水泥=30%∶65%∶3.5%∶1.5%，級配曲線如圖6 所示。

圖6 級配曲線圖

2.2.2 擊實試驗

對上述所得級配，通過土工擊實法預(yù)估最佳含水量，擊實試驗結(jié)果如圖7 所示，確定了該配比下的最佳含水率為3.7%。

圖7 擊實試驗結(jié)果

2.2.3 乳化瀝青用量

由于土工擊實法得到的預(yù)估最佳含水率為3.7%，故選用不同用量比例的乳化瀝青和預(yù)拌水量進(jìn)行組合并成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，乳化瀝青用量以及預(yù)摻水量均通過旋轉(zhuǎn)壓實法確定，成型旋轉(zhuǎn)次數(shù)為30 r。 排除流體含量與銑刨料配伍性較差的組合， 以土工擊實法預(yù)測的最佳含水量為基礎(chǔ)，按1.0%等梯度改變?nèi)榛癁r青用量，確定了4 個組合方案，試驗結(jié)果如表4 所示，劈裂強(qiáng)度和空隙率的變化如圖8 所示。

表4 各方案試驗結(jié)果

圖8 劈裂強(qiáng)度及空隙率變化圖

根據(jù)以上所得結(jié)果，采用旋轉(zhuǎn)壓實法進(jìn)行配合比設(shè)計時，以3.2%±0.2%的瀝青用量作為最佳瀝青用量進(jìn)行配合比設(shè)計， 再生混合料劈裂強(qiáng)度約為0.81 MPa（15℃），空隙率約為9.8%，均滿足乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計要求。

2.2.4 最佳乳化瀝青用量及最佳含水量驗證

最佳乳化瀝青用量確定后，通過密度試驗以及15℃劈裂強(qiáng)度試驗，對最佳預(yù)摻水量進(jìn)行驗證。 通過試拌小樣， 采用1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%等不同預(yù)摻水量進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 外摻水量對劈裂強(qiáng)度和空隙率影響圖

據(jù)圖9 所示，當(dāng)該級配設(shè)計的乳化瀝青用量為3.2%（外摻） 時， 混合料可獲得最佳的15℃劈裂強(qiáng)度，相應(yīng)的外摻水量為2.5%，總含水量為3.62%，滿足預(yù)估最佳含水量3.7%±1.0%的要求，且混合料的15℃劈裂強(qiáng)度為0.89 MPa 以及空隙率為10.35%，均滿足設(shè)計要求。

通過配比設(shè)計及驗證，確定了最佳配合比為RAP10～20mm∶RAP0～10mm∶礦粉∶水泥=30%∶65%∶3.5%∶1.5%，乳化瀝青的用量為3.2%±0.2%，預(yù)摻水量2.5%±0.5%（外摻）。

3 混合料性能評價

為檢驗該設(shè)計方法是否合理，通過再生混合料的性能試驗來評價該級配設(shè)計法。

3.1 混合料早期性能評價

乳化瀝青再生混合料在壓實后不久，其粘結(jié)力較低，集料間的嵌擠作用和摩擦力較低，采用修正的肯塔堡飛散試驗對混合料的初期抗松散性進(jìn)行評價，試驗結(jié)果表明，試件損失質(zhì)量的平均值約6.7%。以相同的材料采用馬歇爾擊實法成型試件，試件在初期養(yǎng)生條件下脫模時就存在松散現(xiàn)象，進(jìn)行肯塔堡飛散試驗時試件質(zhì)量損失嚴(yán)重，說明了擊實體積校驗綜合設(shè)計法在試件抗松散性能上的優(yōu)越性。

3.2 混合料后期性能評價

根據(jù)優(yōu)化后的配比設(shè)計方法制得混合料，對混合料的高溫、低溫以及水穩(wěn)定性進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 混合料性能測試結(jié)果

試驗結(jié)果表明，根據(jù)擊實體積校驗綜合設(shè)計法設(shè)計的乳化瀝青冷再生混合料， 其抗水損害性能、高溫穩(wěn)定性均滿足要求，且路用性能良好，室內(nèi)目標(biāo)配比設(shè)計可用于生產(chǎn)配比的調(diào)試。

4 結(jié)論

本文主要分析了國內(nèi)外乳化瀝青冷再生混合料常用的設(shè)計方法及流程，針對馬歇爾設(shè)計法和旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計法的不同之處， 評述了其各自的優(yōu)缺點。 進(jìn)一步對乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計方法進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合配比設(shè)計實例進(jìn)行了總結(jié)，主要得到以下結(jié)論：

（1）兼顧馬歇爾試驗法和Superpave 體積法的優(yōu)點， 優(yōu)化了冷再生混合料的設(shè)計方法及流程，并提出了擊實體積校驗綜合設(shè)計法。

（2）針對乳化瀝青冷再生混合料提出了分階段性能評價方法：初期，采用肯塔堡飛散試驗進(jìn)行抗松散性的評價；后期，采用凍融劈裂、車轍試驗等對其水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性等路用性能進(jìn)行評價。

（3）通過實例驗證了優(yōu)化設(shè)計方法及評價方法的可行性，認(rèn)為可用于目標(biāo)配合比設(shè)計。