改性乳化瀝青冷再生技術的路用性能研究

符 適,趙 軒

(1. 江蘇高速公路工程養護有限公司，淮安 223001；2. 東南大學，南京 211189)

乳化瀝青就地冷再生技術是指將原路面的瀝青面層進行銑刨，添加水泥、水和乳化瀝青等再生材料進行均勻拌和，將再生混合料攤鋪壓實以消除原路面病害，延長路面使用壽命的綠色養護技術[1]。乳化瀝青就地冷再生技術具有100%利用舊料、常溫施工、無須運輸和一體化施工等優點[2]。國內外普遍將乳化瀝青就地冷再生技術應用于低等級公路的中下面層或高速公路的上基層，根據長期的路面觀測，冷再生層作為低等級公路的中下面層，路面使用性能良好，無明顯病害，具有良好的環境效益。工程實踐中常用的再生劑為普通乳化瀝青，而使用普通乳化瀝青得到的冷再生混合料早期強度較低，各項路用性能較熱拌瀝青混合料均有較大差距，因此乳化瀝青就地冷再生技術未能大規模運用于更高等級道路和更高層位。改性乳化瀝青是在乳化瀝青的基礎上通過添加改性材料制備所得，其兼具改性材料和乳化瀝青兩者的優點，具有優良的黏結、耐高低溫、耐久和防水等性能[3]，因此，使用改性乳化瀝青制備冷再生混合料可提升其路用性能[4]，改善乳化瀝青冷再生混合料在中面層的路用效果。

針對冷再生混合料的路用性能，研究者進行了大量研究[5-7]。Babagoli等[8]通過馬歇爾穩定度試驗、動態蠕變試驗和車轍試驗研究了不同SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、水泥和石灰含量對乳化瀝青冷再生混合料高溫穩定性的影響，結果表明SBS、水泥和石灰均能提高其高溫性能，減少其永久變形，且SBS對其高溫性能影響更顯著。李鋒等[9]基于半圓彎曲試驗和低溫彎曲試驗評價乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能，結果表明，添加少量水泥后，冷再生混合料的低溫性能得到顯著改善，隨著水泥劑量的增加，其低溫抗裂性能得到增強，若繼續添加水泥劑量，則會提高冷再生混合料的脆性，反而降低其低溫性能。Gao等[10]基于路面實際的溫度場和應力場設計了一種新的循環動態蠕變試驗，對比了不同水泥摻量的冷再生混合料作為下面層的整體高溫性能，結果表明，水泥摻量從1.5%增至2.0%時，冷再生混合料的高溫性能得到顯著改善。

本文采用多序列局部加載動態蠕變試驗和半圓彎曲試驗評價乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能、中低溫抗裂性能和疲勞性能，對比改性乳化瀝青冷再生混合料和普通乳化瀝青混合料的路用性能，同時將其與兩種中面層常用的熱拌瀝青混合料AC-20和Sup-20進行對比，以驗證改性乳化瀝青冷再生混合料在高速公路中面層的適用性。

1 原材料與級配設計

1.1 乳化瀝青冷再生混合料

乳化瀝青冷再生混合料由RAP(再生瀝青路面)料、乳化瀝青、水泥和水組成，根據乳化瀝青不同，制備了兩種乳化瀝青冷再生混合料，一種為普通乳化瀝青冷再生混合料，簡稱CEAM，另一種為改性乳化瀝青冷再生混合料，簡稱MCEAM。

本試驗的RAP料由某高速公路的上中面層通過大型銑刨機銑刨獲得，所得RAP料經過烘干后測定其篩分級配，避免由于水分過多造成細集料黏結聚團現象。RAP料篩分級配如表1所示。

表1 RAP料篩分級配

乳化瀝青分為兩種，一種為普通乳化瀝青，另一種為添加3%SBR(丁苯橡乳)的改性乳化瀝青。冷再生乳化瀝青技術指標如表2所示，其技術要求參考《乳化瀝青就地冷再生技術應用指南及施工技術規程》(交公養〔2010〕405號)。試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，檢測結果表明兩種乳化瀝青技術指標均合格。

表2 冷再生乳化瀝青技術指標

水泥試驗技術指標如表3所示，水泥標號為P.O 42.5。

表3 水泥試驗技術指標

兩種乳化瀝青冷再生混合料均按照2%水泥、2.79%外摻水量和3.5%乳化瀝青的摻量配比設計進行成型，使用旋轉壓實儀壓實30次制作成型。成型結束后按照自然養生12 h，60 ℃鼓風烘箱養生48 h，自然冷卻12 h的方式進行養生。

1.2 熱拌瀝青混合料

本試驗使用AC-20和Sup-20熱拌瀝青混合料與乳化瀝青冷再生混合料進行對比，熱拌瀝青混合料合成級配曲線如圖1所示。石料和礦粉分別為石灰巖集料和石灰巖礦粉，瀝青采用SBS改性瀝青(PG76-22)，油石比4.2%，配好的石料保溫4 h，在180 ℃條件下拌和成型。

(a) AC-20

2 性能試驗

2.1 高溫性能試驗

2.1.1 試驗方法

采用多序列局部加載動態蠕變(MSRL)試驗[11-13]進行高溫性能評價，該試驗可以分析混合料在實際路面荷載水平下的高溫抗永久變形能力，分為預加載階段和多序列加載階段，試驗溫度為60 ℃。預加載階段：荷載級別0.7 MPa，單個加載周期1 s，應力脈沖時間0.1 s，分層試件加載500次，整體試件加載1 000次。多序列加載階段：共包含30個加載序列，分層試件加載應力幅值為0.5～1.0 MPa，整體試件加載應力幅值為0.6～1.1 MPa，兩個階段均分為6個荷載等級，每等級提高0.1 MPa。分層試件每種荷載等級下脈沖時長的作用次數為50次，整體試件每種荷載等級下脈沖時長的作用次數為100次，單個加載周期時長固定為1 s。

由于冷再生瀝青混合料導熱系數較小，在實際路面結構中，其混合料內部的溫度較普通瀝青混合料低，根據對實際路面溫度場的模擬，得到各種混合料的試驗參數，分層蠕變試驗參數如表4所示。

表4 分層蠕變試驗參數

2.1.2 試驗指標

根據多序列局部加載動態蠕變試驗提出復合平均應變率(CASR)和復合蠕變勁度模量(CCSM)兩個指標。復合平均應變率也可以認為是在每個加載序列中累積應變的斜率。通過計算每個加載序列在整個多序列加載中所占的比例，并乘以對應加載序列的應力級別，然后疊加，即可得到材料的復合平均應變率。復合蠕變勁度模量的計算需要用到試件在多序列局部加載試驗中受到的等效應力。與復合平均應變率不同的是，復合蠕變勁度模量的計算既包含了多序列加載產生的累積永久應變，也包括了試件在預加載階段產生的累積應變。計算公式見式(1)。

(1)

2.2 中低溫抗裂性能

2.2.1 試驗方法

采用半圓彎曲(SCB)斷裂試驗評價瀝青混合料的中低溫抗裂性能。SCB斷裂試驗具有試件制備簡單、操作方便、可重復性強等特點。試驗試件是直徑為15 cm、厚度為4～5 cm的半圓，兩個支座間的距離為12 cm。SCB試件分為切縫和不切縫兩種，對試件進行預切縫是為了控制試件的起裂點在中心位置，便于計算力學參數；但是每個試件預切縫的切縫長度和切縫位置難以精準控制，會對試驗結果造成較大影響，同時預切縫尖部的材料屬性難以控制也會影響試驗數據。本試驗選擇不切縫的SCB試件評價瀝青混合料的中低溫抗裂性能。中溫和低溫溫度分別選擇典型的15 ℃ 和-10 ℃，加載速率為50 mm/min。

2.2.2 試驗指標

選用強度和裂能兩個角度評價瀝青混合料的抗裂性能。強度指標為峰值力和抗裂強度，峰值力為力位移曲線中最高點對應的Y值Fmax，SCB試件的底部存在一個純彎拉區域，Molenaar等[11]研究得出SCB試件底部支點距離為試件直徑0.8倍時的抗裂強度公式：σt=4.8Fmax/BD，B和D分別為試件的厚度和直徑。裂能指標包括峰前斷裂功Wc、峰后斷裂功Wcf和斷裂能。峰前斷裂功Wc是峰值力Fmax的峰前力-位移曲線與x軸圍成的面積，峰后斷裂功Wcf是峰后力為Fmax/2時，力-位移曲線圍成的面積，二者均由積分的方式求得，斷裂能是總斷裂功與斷裂面積的比值，斷裂能越大，試件在發生斷裂破壞時，單位面積上所需能量越大，抗裂性能就越好。

2.3 疲勞性能

采用SCB試驗評價瀝青混合料的疲勞性能。SCB試驗基于斷裂試驗，根據斷裂試驗中的最大應力，確定不同的應力比對瀝青混合料進行加載。應力水平的大小對疲勞試驗影響顯著。應力過大會導致疲勞試驗快速結束，無法準確測定混合料的疲勞性能；應力過小則試驗時間過長，甚至試件不會破壞。為了控制疲勞壽命在千次到萬次的范圍內，選取疲勞試驗的應力比為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4，加載方式為控制應力模式，試驗溫度為15 ℃，荷載頻率為10 Hz，荷載波形為半正弦波，無間歇時間，結束條件以試件完全斷裂為標準。

3 試驗結果

3.1 高溫性能試驗結果

通過MSRL試驗可得4種不同類型瀝青混合料的累積微應變曲線，累積微應變曲線如圖2所示。

圖2 累積微應變曲線

由圖2可知：

(1) 4種瀝青混合料的累積微應變均未超過20 000 με，仍處于蠕變穩定階段，產生的累積微應變依次為：CEAM>MCEAM>AC-20>Sup-20，表明普通乳化瀝青冷再生混合料的抗高溫變形能力較差，Sup-20熱拌瀝青混合料抗高溫變形能力最優。

(2) 2種冷再生混合料與熱拌瀝青混合料相比，在蠕變遷移階段產生的應變快速增加，永久應變快速積累，但是應變發展速率逐漸降低。這是由于冷再生混合料的空隙率較大，約為10%，熱拌瀝青混合料的空隙率約為4%，在施加荷載的初始階段產生較大變形。

(3) 加載結束后，與CEAM相比，MCEAM累積微應變約減少25%，表明SBR膠乳可以顯著改善冷再生瀝青混合料的高溫性能；MCEAM與AC-20曲線較為接近，且蠕變發展速率小于AC-20，表明改性乳化瀝青冷再生層作為高速公路中面層具有良好的高溫抗變形能力。

高溫蠕變參數如表5所示。MCEAM與AC-20、Sup-20熱拌瀝青混合料的復合蠕變速率均為2.2～2.4 με/次，遠小于普通乳化瀝青的3.52 με/次，表明改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能。復合蠕變勁度模量因為考慮了預加載階段的累積應變，所以對于蠕變遷移階段變形較大的冷再生混合料，其勁度模量均小于熱拌瀝青混合料。

表5 高溫蠕變參數

3.2 中低溫抗裂性能試驗結果

斷裂參數對比如圖3所示。

(a) 抗裂強度

由圖3可知，與CEAM相比，MCEAM在中低溫條件下的抗裂強度和斷裂能均有提升，中溫條件下MCEAM的抗裂強度提高了35%，低溫條件下MCEAM的抗裂強度提高了16%，性能改善顯著。隨著溫度降低，4種瀝青混合料的抗裂強度逐漸增大，這是因為同一混合料在較低溫度下，瀝青的復合蠕變勁度模量增大，膠漿和集料的整體工作能力增強，承受荷載能力增強。在能量指標方面，SBR改善冷再生混合料的效果更加顯著，但性能提升后的冷再生混合料仍與熱拌瀝青混合料的抗裂性能存在較大差距，這是由于乳化瀝青冷再生混合料的早期抗裂強度主要由RAP料間嵌擠的內摩阻力和水泥提供，后期抗裂強度還包括乳化瀝青破乳后瀝青的黏聚力和瀝青與RAP料的黏附力，但熱拌瀝青混合料是在170 ℃條件下拌和壓實而成，在該溫度下，瀝青與礦料的黏結效果較好，且礦料骨架間的嵌擠力和摩阻力較高，整體強度較高。

3.3 疲勞性能試驗結果

SCB試驗的變異性相對較大，因此每種類型的試件至少進行3組平行試驗，對疲勞壽命離散程度較大的數據進行剔除，并補充新的平行試驗，最后結果取均值，得到瀝青混合料不同應力比條件下的疲勞壽命，疲勞試驗結果如表6所示。

表6 疲勞試驗結果

將4種瀝青混合料的疲勞壽命數據在雙對數坐標系下，采用式(2)和式(3)，對表6中應力比-疲勞壽命和應力幅值-疲勞壽命數據進行擬合。

lgNf=k-nlgt

(2)

lgNf=k-nlgσ

(3)

式中，Nf為疲勞壽命，次；t為應力比；σ為應力幅值；k、n為待擬合的回歸系數，參數n反映了疲勞壽命對應力水平的敏感程度。

疲勞性能對比如圖4所示。

由圖4可知：

(a) 應力比-疲勞壽命

(1) 4種瀝青混合料的疲勞壽命隨著應力比和應力幅值的增加呈下降趨勢，且兩者均在雙對數坐標系下擬合效果良好，相關性指數均大于0.9。

(2) 在相同的應力比或應力幅值條件下，改性冷再生混合料的疲勞性能比普通冷再生混合料提升效果顯著。應力比敏感程度的參數斜率n由-6.663升至-4.671，表明SBR有效降低冷再生瀝青混合料對應力的敏感程度，改善其耐久性能。

(3) 消除混合料本身強度對抗疲勞性能的影響，改性瀝青冷再生混合料的應力比-疲勞壽命方程與AC-20和Sup-20非常接近，斜率n和截距k差距較小，說明在相同的應力比條件下，改性乳化瀝青冷再生混合料的抗疲勞性能與熱再生瀝青混合料差距較小。普通乳化瀝青冷再生混合料與熱再生瀝青混合料的應力比-疲勞壽命方程在應力比為0.22處相交，這表明在低應力比條件下，普通乳化瀝青冷再生混合料表現出更好的抗疲勞性能。

(4) 雖然改性乳化瀝青冷再生混合料抗裂強度較未改性之前提高了約30%，但其強度與熱再生瀝青混合料相比仍存在一定差距。在相同的應力幅值條件下，AC-20和Sup-20的疲勞壽命顯著高于冷再生瀝青混合料，但是改性乳化瀝青冷再生混合料對應力的敏感程度降低，疲勞壽命的差距并未隨著應力的增大繼續擴大。

4 結論

本文對改性乳化瀝青冷再生混合料的路用性能進行了全面研究，從高溫性能、中低溫抗裂性能和疲勞性能3個角度，將改性乳化瀝青冷再生混合料與普通乳化瀝青冷再生混合料進行對比，并且與兩種中面層常用的熱再生瀝青混合料進行性能對比，得到如下結論。

(1) 采用基于實際路面狀況的多序列局部動態蠕變試驗分析混合料的高溫性能，發現MCEAM與AC-20、Sup-20熱拌瀝青混合料的復合蠕變速率均為2.2～2.4 με/次，遠小于普通乳化瀝青的3.52 με/次，改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能。

(2) 從強度和能量兩個角度發現添加SBR后的乳化瀝青冷再生混合料的中低溫抗裂強度顯著提升；與熱再生瀝青混合料相比，MCEAM的中低溫抗裂性能仍存在差距。

(3) 4種瀝青混合料在應力比-疲勞壽命和應力幅值-疲勞壽命的雙對數坐標系中均表現出良好的線性關系；SBR有效降低冷再生瀝青混合料對應力的敏感程度，改善其耐久性能。

綜合來看，SBR改性后的乳化瀝青冷再生混合料在高溫性能、中低溫抗裂性能和疲勞性能方面全面提升，高溫性能達到熱拌瀝青混合料的水平，疲勞性能在相同的應力比下表現優良，但是在中低溫抗裂方面和熱拌瀝青混合料存在一定差距。然而，對于高速公路中面層，所受的彎拉應力較小，病害主要為高溫下的豎向變形，改性乳化瀝青冷再生混合料的綜合性能表現可以為高速公路中面層材料的應用提供科學參考。