不同RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料配合比設計*

肖劉路, 黃晚清, 謝華明, 曹明明, 鄒逸文

(1.西南交通大學 土木工程學院 道路工程四川省重點實驗室， 四川 成都 610031；2.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041；3.四川興蜀公路建設發展有限責任公司， 四川 成都 610041)

乳化瀝青冷再生技術因舊料利用率高、能耗低、污染少，具有較高的經濟和環境效益，在各等級路面養護及改擴建中應用日漸廣泛。國外冷再生混合料設計方法大致分為經驗公式法和試驗測試法兩類，經驗公式法根據瀝青混合料回收料(RAP)的性能指標預估最佳乳化瀝青含量，代表方法有美國瀝青協會設計法、俄勒岡州設汁法；試驗測試法以再生混合料試件的馬歇爾穩定度、劈裂強度比及最大相對密度為主要指標確定最佳乳化瀝青用量，代表方法有AASHTO修正的馬歇爾法、加利福尼亞州設計法。中國主要采用修正馬歇爾試驗法，該方法存在諸多不足或不便，如所建議的級配范圍存在局限、最佳含水率試驗方法稍顯復雜、最佳乳化瀝青用量確定指標單一、路用性能配合比檢驗不充分等。以RAP摻量控制級配進行配合比設計也鮮有報道。該文基于室內試驗，對不同RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料進行配合比設計。

1 原材料

1.1 RAP

RAP采用G544線川九路段九寨溝縣境內路面銑刨料，按粒徑大小分為3檔，其技術指標見表1、表2。

表1 RAP瀝青含量與含水率

表2 RAP回收瀝青的技術指標

1.2 乳化瀝青

采用某種慢裂型陽離子乳化瀝青，其技術指標測試結果見表3。

表3 乳化瀝青的技術指標

1.3 其他原材料

試驗采用10～20 mm石灰巖碎石，其各項指標均滿足規范要求。礦粉指標也滿足規范要求。采用P.C.42.5復合硅酸鹽水泥，其性能測試結果見表4。

表4 P.C42.5水泥的技術指標

2 配合比設計

2.1 級配設計

未抽提的RAP用作黑色集料，分別調試不同RAP摻量的級配，得到98%、88%和80%RAP摻量3種級配，分別記作1#、2#、3#級配，摻配比例見表5，合成級配見表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配

2.2 最佳含水率

北美地區的公路工程常采用裹附試驗，通過目測分散情況確定最佳用水量，該方法完全依據工程經驗，沒有量化指標，缺乏科學性。中國規范要求采用重型擊實試驗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試驗。根據相關研究和工程經驗，水泥用量初擬為1.5%。試驗過程中保持混合料乳化瀝青含量和水泥用量不變，變化總用水量進行重型擊實試驗與馬歇爾擊實(雙面擊實100次)試驗，3種級配混合料的試驗結果見圖1、圖2。

圖1 不同級配乳化瀝青冷再生混合料重型擊實試驗結果

圖2 不同級配乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試驗結果

由圖1、圖2可知：通過重型擊實試驗與馬歇爾擊實試驗得到的3種級配乳化瀝青冷再生混合料的最佳含水率均在4.5%左右，表明馬歇爾擊實試驗在確定最佳含水率方面具有良好的準確性；相同含水率條件下，馬歇爾擊實試驗所得干密度比重型擊實試驗所得結果大，表明馬歇爾雙面擊實100 次試驗的擊實功過大，可酌情減少擊實次數。

2.3 最佳乳化瀝青用量

針對1#、2#、3#級配，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50次成型標準馬歇爾試件，連同試模放入60 ℃烘箱中養生48 h后取出，立即雙面各擊實25次，置于室溫12 h后脫模，測試空隙率并進行干、濕劈裂試驗，結果見圖3、圖4。

圖3 不同乳化瀝青用量再生混合料空隙率試驗結果

圖4 不同乳化瀝青用量再生混合料干、濕劈裂試驗結果

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減小；增加乳化瀝青用量，集料與瀝青的裹附效果增強，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、濕劈裂強度及干濕劈裂強度比均隨著乳化瀝青用量的增加先增大后減小，1#、2#、3#級配分別在乳化瀝青用量為3.4%、3.5%和3.6%時達到峰值，說明乳化瀝青用量超過最佳用量時，自由瀝青含量過高，過多的瀝青會阻礙集料間的嵌擠，使混合料強度降低。3) 綜合空隙率及強度，1#、2#、3#級配冷再生混合料分別在乳化瀝青用量為3.4%、3.5%和3.6%時強度最大，浸水強度損失最小，空隙率較小，且均滿足技術要求。

2.4 最佳水泥摻量

針對1#、2#、3#級配，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%，進行15 ℃干、濕劈裂試驗，試驗結果見圖5。

圖5 不同水泥摻量乳化瀝青再生混合料干、濕劈裂試驗結果

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、濕劈裂強度逐漸增大，說明水泥通過水化反應吸收混合料的水分，混合料的整體強度提高，未水化的水泥充當活性礦粉的作用，提高了瀝青與集料間的黏附性。但隨著水泥摻量的增加，干濕劈裂強度比先增加后減小，需限制水泥摻量。綜合考慮，1#、2#、3#級配的水泥摻量分別為1.7%、1.5%、1.3%時，冷再生混合料具有較高的力學性能，為最佳水泥摻量。

3 配合比檢驗與設計方法修正建議

3.1 配合比檢驗

根據確定的配合比，分別通過車轍試驗、低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗進行高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性驗證，試驗結果見表7。

表7 摻RAP乳化瀝青再生混合料配合比檢驗結果

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穩定度迅速減小，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，同時集料間嵌擠強度逐漸降低，因而高溫穩定性能迅速降低。但98%RAP摻量的動穩定度仍大于規范下限，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定性要求，也驗證了水泥對其高溫穩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JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》，普通瀝青混合料低溫彎曲最大彎拉應變≥2 000 με，80%RAP摻量再生混合料的最大彎拉應變小于該控制指標。3) 隨著RAP摻量的增加，凍融劈裂強度比先增加后減小，說明過多或過少摻加粗集料都不利于乳化瀝青冷再生混合料的水穩定性能。RAP摻量過少，混合料整體瀝青含量較低，黏結性不足，其抗水損壞能力較差；RAP摻量過多，集料間嵌擠強度降低，內摩阻力減小，水穩定性能降低。

從經濟和環保效益方面考慮，希望盡可能提高RAP利用率。RAP摻量98%時，完全不摻加粗集料，只摻加2%礦粉，RAP被充分利用。此時，高溫穩定性最差，但仍滿足技術要求；低溫破壞應變最大，且≥2 000 με；水穩定性能指標滿足規范要求。

3.2 設計方法修正建議

根據配合比檢驗結果，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，對應的1#合成級配的13.2 mm篩孔通過率超過級配上限，但路用性能合格，表明規范建議的級配范圍有待商榷。結合試驗過程，建議對乳化瀝青冷再生配合比設計方法作以下修正和補充：

(1) 級配范圍結合實際工程需求予以調整，只需路用性能滿足即可。

(2) 采用馬歇爾擊實試驗替代重型擊實試驗確定最佳含水率，雙面擊實次數不超過100次。

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

(4) 通過路用性能試驗進行配合比檢驗時，規范僅需檢驗高溫穩定性和水穩定性，建議添加低溫抗裂性能檢驗，以滿足低溫地區路用性能需要。

4 結論

(1) 設計98%、88%和80%RAP摻量的乳化瀝青冷再生混合料配合比，通過馬歇爾擊實(雙面擊實100次)試驗和重型擊實試驗，得到3種級配的最佳含水率為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，添加低溫抗裂性能指標用于配合比檢驗。RAP摻量80%時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%時具有較好的路用性能。

(3) 對乳化瀝青冷再生配合比設計方法予以修正和補充：級配范圍隨工程需求變動，可適當調整；含水率確定方法采用馬歇爾擊實試驗替代重型擊實試驗，雙面擊實次數不超過100次；添加空隙率指標確定最佳乳化瀝青用量，使室內試驗與現場鉆芯技術指標接近；配合比檢驗添加低溫性能試驗指標。