就地冷再生技術(shù)在高速公路養(yǎng)護工程中的應用研究

楊振海，徐 亞，蔡海泉，王鴻森，朱浩然

（1. 江蘇寧宿徐高速公路有限公司，江蘇 宿遷223814；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京211112；3.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京211112）

1 概 述

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，公路事業(yè)逐步從建養(yǎng)護并重進入以養(yǎng)為主的新時期。傳統(tǒng)的銑刨重鋪技術(shù)，舊料被大量廢棄，造成了資源浪費，也帶來了嚴重的環(huán)境污染。路面再生技術(shù)憑借特有的優(yōu)勢應運而生，其中，就地冷再生技術(shù)因其能夠100%循環(huán)利用廢料，節(jié)約資源，縮短工期，且交通影響小，節(jié)省投資等優(yōu)點，已應用于部分公路的養(yǎng)護工程中。

目前工程案例中絕大部分冷再生技術(shù)應用于基層，應用于面層的研究仍較少。本文結(jié)合S49 新?lián)P高速公路養(yǎng)護工程，開展就地冷再生技術(shù)在瀝青層的應用研究，提出混合料設(shè)計的關(guān)鍵指標要求，并對路用性能進行驗證，分析其經(jīng)濟社會效益，為就地冷再生技術(shù)在高速公路養(yǎng)護工程中推廣應用提供借鑒和參考。

2 舊路狀況評價及再生方案

2.1 舊路狀況評價

乳化瀝青就地冷再生技術(shù)應用于S49 新?lián)P高速新?lián)P方向，試驗段共計3.7 km，原路面采用“4 cm AC-16I+5 cm AC-25I+7 cm AC-25Ⅱ”三層普通瀝青的結(jié)構(gòu)形式，2019 年年平均日交通量達到22 774 veh/d，依據(jù)相關(guān)規(guī)范對交通荷載分級規(guī)定，交通荷載等級為重。路面使用性能狀況如下，其中車轍狀況較差，中面層車轍貢獻度為47.06%，同時，漢堡車轍試驗結(jié)果顯示中面層混合料高溫性能已經(jīng)出現(xiàn)衰減，見表1、表2。

表1 原路面使用性能狀況

表2 原路面中面層狀況

2.2 再生方案

基于舊路狀況評價結(jié)果，試驗段中面層狀況較差，需處理至中面層。由于就地冷再生施工后混合料密度（約2.15×103kg/m3）較熱拌低，再生層厚度較原面層厚度有所增加，為保持原路面標高一致，因此在養(yǎng)護路段采用先銑刨1 cm 上面層后，再生3 cm AC-16I+5cm AC-25I 后整體加鋪罩面4 cmSMA-13 的方案，再生層作為中面層使用，見圖1。

圖1 就地冷再生路面結(jié)構(gòu)形式

3 混合料設(shè)計及性能評價

3.1 原材料性能

原材料主要包括乳化瀝青、RAP 料、水泥、礦粉和水。采用慢裂改性乳化瀝青以提高再生混合料的質(zhì)量，改性乳化瀝青的技術(shù)指標及要求見表3，水泥滿足相應技術(shù)標準見表4。

表3 乳化瀝青試驗結(jié)果

RAP 料為銑刨料，主要包括：0～9.5 mm 細銑刨料和9.5～26.5 mm 粗銑刨料。無新料添加，各項指標均能滿足要求，水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。RAP、水泥和礦粉篩分結(jié)果見表5。

3.2 混合料設(shè)計

（1）級配組成

參考相關(guān)規(guī)范的級配范圍以及工程案例經(jīng)驗，初選的再生混合料的配合比為粗銑刨料∶細銑刨料∶水泥∶礦粉=35.4%∶60.1%∶1.5%∶3%，合成級配見表6。

表4 水泥基本技術(shù)指標

（2）確定最佳含水率、最佳乳化瀝青用量

在級配設(shè)計的基礎(chǔ)上，參考《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》確定再生混合料的最佳含水量及最佳乳化瀝青含量。首先擬定乳化瀝青摻量為4.0%，分別選擇不同的含水量進行拌合試驗，對應的最佳含水率為2.6%，在最佳含水率的基礎(chǔ)上，以預估的瀝青用量為中值，變化不同的乳化瀝青用量，進行空隙率、15℃劈裂強度試驗，結(jié)果見圖2、圖3，確定最佳乳化瀝青用量為3.8%。

圖2 拌和試驗結(jié)果

表5 原材料篩分試驗結(jié)果

表6 合成級配表

圖3 馬歇爾試驗、劈裂試驗結(jié)果

（3）性能驗證

在混合料設(shè)計的基礎(chǔ)上，對乳化瀝青再生混合料的高溫及抗水損害性能進行驗證，水穩(wěn)定性采用凍融劈裂試驗、高溫穩(wěn)定性采用動穩(wěn)定度試驗分別驗證，結(jié)果表明：凍融劈裂強度比能夠滿足要求，抗水損害能力較好；同時，動穩(wěn)定度達到2 758 次/mm，表明乳化瀝青再生混合料的抗車轍能力較強，能夠用于中面層，見表7。

表7 試驗驗證結(jié)果

3.3 路用性能研究

3.3.1 高溫性能

本文研究采用動態(tài)蠕變試驗、重復三軸試驗評價再生混合料的高溫性能。

（1）動態(tài)蠕變試驗

采用UTM-25 設(shè)備進行動態(tài)蠕變試驗，溫度為50℃，旋轉(zhuǎn)壓實30 次成型，試件尺寸為直徑100 mm、高150 mm。考慮到乳化瀝青冷再生混合料的材料性質(zhì)，采用圍壓為138 kPa，偏應力為700 kPa。試驗結(jié)果表明再生混合料的累積應變經(jīng)歷了較為明顯的三階段，高溫穩(wěn)定性較好，見表8、圖4。

表8 動態(tài)蠕變試驗結(jié)果

圖4 動態(tài)蠕變試驗結(jié)果

（2）重復三軸試驗

采用旋轉(zhuǎn)壓實30 次成型，試件尺寸為φ100 mm×150 mm，試驗溫度為50℃。為了較好的反映路面的實際工作狀態(tài)，分析試件在pc：pa（圍壓：偏應力+ 接觸應力） 為1∶1、1∶2、1∶3 三種應力狀態(tài)下的永久變形和回彈模量的變化規(guī)律，再生混合料的剪切試驗結(jié)果見表9～表11 和圖5，分析結(jié)果表明：在不同的應力狀態(tài)下，永久變形、回彈模量與圍壓均有較好的線性相關(guān)性，同時再生混合料的破壞應力較大且破壞應變較小，具有較優(yōu)的抗剪切性能。

表9 永久變形與圍壓的相關(guān)性

表10 回彈模量與圍壓的相關(guān)性

表11 剪切試驗結(jié)果

圖5 重復三軸試驗結(jié)果

3.3.2 低溫性能

采用低溫彎曲破壞試驗評價再生混合料低溫性能，試驗溫度為-10℃，加載速率為50 mm/min，尺寸符合長250±2 mm、寬30±2 mm 和高35±2 mm。低溫彎曲試驗結(jié)果表明：再生混合料的低溫性能表現(xiàn)較好，抗彎拉強度較高，結(jié)合國內(nèi)的研究成果[1]，確定當乳化瀝青冷再生混合料用作瀝青面層時，其破壞應變應不小于2 000 με，見表12。

表12 低溫彎曲試驗結(jié)果

3.3.3 力學性能

本文研究采用勁度模量試驗、單軸壓縮試驗評價再生混合料的力學性能。

（1）勁度模量試驗

采用再生混合料進行間接拉伸勁度模量試驗，試件直徑100 mm，高63.5±2.0 mm，試驗溫度分別5℃、15℃和25℃，應力水平分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。泊松比在再生混合料充分養(yǎng)生的基礎(chǔ)上采用熱拌瀝青混合料的泊松比，試驗結(jié)果表明：應力水平、溫度與勁度模量均具有較好的線性相關(guān)性。同時，隨著應力水平的增加，模量逐漸減小；隨著溫度的升高，模量逐漸降低，見表13 和圖6。

表13 泊松比

圖6 勁度模量試驗結(jié)果

（2）單軸壓縮試驗

采用旋轉(zhuǎn)壓實30 次成型φ100 mm×100 mm 的圓柱體試件，試驗設(shè)備采用MTS。按照相應規(guī)范中的試驗方法測定再生混合料15℃和20℃時的抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果表明：隨著溫度的升高，抗壓強度下降0.39 MPa，抗壓回彈模量降低約22%，見表14。

表14 單軸壓縮試驗結(jié)果

3.3.4 疲勞性能

采用間接拉伸試驗評價混合料的疲勞性能，試驗溫度為15℃，加載恒定水平應力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa，試件尺寸為直徑100 mm、高63.5±2 mm，由于缺乏對冷再生混合料材料性質(zhì)的認知，擬定豎向變形達到10 mm 作為疲勞破壞的標準，記錄荷載作用的次數(shù)。試驗結(jié)果表明：混合料的疲勞壽命較高，同時，在高應力水平300 kPa 和400 kPa（應力比約0.4 和0.55）的條件下表現(xiàn)出一定的脆性，見表15、圖7。

表15 間接拉伸疲勞試驗結(jié)果

圖7 疲勞試驗結(jié)果（lg Nf - σ）

3.3.5 抗松散性能

松散是目前再生混合料應用于路面后的主要問題之一。本文采用國外普遍采用的抗松散儀評價混合料的抗松散能力，依據(jù)規(guī)程ASTM D 7196-06，旋轉(zhuǎn)壓實30 次，養(yǎng)生溫度為25℃，養(yǎng)生時間4 h±5 min。試驗結(jié)果表明：再生混合料的松散損失率為1.5%，滿足不大于2%的要求，表現(xiàn)出較好的抗松散性能。

4 經(jīng)濟社會效益分析

4.1 經(jīng)濟性分析

根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)濟狀況和材料價格，對乳化瀝青就地冷再生、銑刨重鋪兩種方案的經(jīng)濟性進行對比分析。S49 新?lián)P高速就地冷再生層厚度8 cm，對比同樣厚度的銑刨重鋪技術(shù)，結(jié)果表明，乳化瀝青就地冷再生方案，相比于銑刨重鋪技術(shù)減少了集料、瀝青等原材料及相關(guān)運輸費用，成本降低了70%，見表16。

表16 兩種方案造價對比 單位：元/m2

4.2 環(huán)境效益分析

本文基于壽命周期評價（LCA）選擇能耗、碳排放作為測算指標，計算結(jié)果表明：乳化瀝青就地冷再生技術(shù)相較于銑刨重鋪技術(shù)，能源消耗減少約72%，二氧化碳當量排放減少約64%，見表17。

表17 環(huán)境效益對比

5 結(jié) 論

本文得到如下結(jié)論：

（1）混合料設(shè)計采用馬歇爾設(shè)計方法，通過拌和試驗、干濕劈裂強度試驗確定乳化瀝青再生混合料的最佳含水量、最佳乳化瀝青用量分別為2.6%、3.8%。

（2）基于設(shè)計結(jié)果進行高溫性能、低溫性能、力學性能、抗疲勞性能等路用性能驗證，滿足我國再生規(guī)范中各技術(shù)指標要求。

（3）就地冷再生技術(shù)相比于傳統(tǒng)的銑刨重鋪技術(shù)，費用減少約70%，能源消耗節(jié)約72%，二氧化碳當量排放減少約64%，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。