乳化瀝青冷再生技術在公路改造中的應用研究

崔元龍

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西 孝義 032300）

隨著我國公路網的進一步完善，公路建設未來對于公路養護、公路改造升級等方面的需求將進一步增加[1]。據相關數據顯示，截至2020年底，我國公路總里程達519.81萬km，其中高速總里程16.10萬km，公路養護里程514.4萬km，在公路里程中占比99%[2].大規模的公路養護、改造工程將會廢棄掉巨大的廢舊瀝青混合料資源[3]，而且對這些廢舊材料的處置也會造成環境污染。“十四五”規劃提出，要求對廢舊資源循環再生利用效率進一步提高[4]。如何運用合理的新技術、新材料、新工藝，更科學地實施公路養護、改造，提升公路使用品質，延長路面使用壽命，是目前亟需解決的重點問題。

乳化瀝青冷再生是指通過將瀝青乳化，無需加熱即可賦予其流動性、拌和工作性，與廢舊回收料、新料、水、水泥等進行拌和、鋪筑成型新結構層，并恢復路面使用性能的技術[5]。乳化瀝青冷再生技術作為一種兼具社會、經濟和環境效益的綠色道路維修養護技術，應用于工程中可降低公路建設成本、合理利用資源，對于公路建設意義重大。

本文依托山西某省道改造項目，通過配伍性試驗進行乳化瀝青選型，開展混合料配合比設計及性能研究，總結提煉冷再生路面施工工藝，并進行施工質量控制研究。

1 乳化瀝青配伍性

乳化瀝青的選型對于乳化瀝青冷再生技術尤為關鍵[6]，通過采用配伍性試驗進行比選，以保證乳化瀝青的活性與石料本身的惰性具有一定的匹配性、相容性。防止兩者化學反應致使混合料拌和工作性差、裹覆不完全，或者兩者不易結合導致混合料膠結過慢，影響后續施工及養生成型。因此，在冷再生層開工前期需對乳化瀝青配伍性開展大量工作，以確保后期工序順利進行。

1.1 拌和裹覆試驗

初選 4種不同配方的乳化瀝青 E1、E2、E3、E4，按照經驗選取3.0%、3.5%、4.0%三個乳化瀝青用量作為平行試驗對4種乳化瀝青進行評價，在每種乳化瀝青、各用量條件下與待穩定的混合料分別進行試拌，待拌和完成后，每隔1 h觀察并記錄混合料的拌和裹覆情況、混合料的顏色及漿態。結果見表1。

表1 拌和裹覆試驗結果

根據拌和試驗結果，乳化瀝青與石料拌和后表面顏色與乳化瀝青本身顏色基本一致，呈褐色狀態，剛拌和完成的再生混合料裹覆較均勻，基本無花白料。隨著放置時間延長，乳化瀝青E1、E2拌和裹覆狀態、工作性最好，E3乳化瀝青與石料間結合性差，存在漿體流淌現象，出現了花白料，E4乳化瀝青破乳較快，出現了早期部分黏結，不易于施工控制。

1.2 早期強度試驗

選擇E1、E2兩組乳化瀝青配方，采用旋轉壓實法制作試件，然后放置于25℃溫度環境下養生4 h。采用黏結力試驗、磨耗試驗分別來評價冷再生混合料內部和表面的黏聚力成型情況，以判定其早期強度[7-8]。早期強度試驗結果見表2。

表2 黏結力和磨耗試驗結果

根據黏結力、磨耗試驗結果來看，采用乳化瀝青E1時磨耗損失率較采用E2時更小，僅為0.68%，且黏結力更大，實測值為218.7 g/cm2。說明采用E1的再生混合料表面和內部整體的早期黏聚力形成狀況更好，在鋪筑成型早期開放交通的條件下，再生層表面和內部抵抗荷載破壞作用能力較強一些[9]。

本文通過乳化瀝青配伍性試驗比選，最終選擇乳化瀝青E1進一步開展配合比設計及相關應用研究。

2 配合比設計

2.1 級配設計

瀝青路面在運營期間會受到交通荷載的作用，集料會存在一定程度的磨損及破碎，養護維修階段在對舊路面銑刨過程中由于刀頭的破碎作用，也會使得銑刨回收料級配細化。由于瀝青的膠結作用，銑刨回收料中細料大部分仍然會黏附于粗料顆粒中，因此在RAP級配中細料也存在欠缺。所以，銑刨回收料RAP在級配上最終會表現為粗細料均不足，而中間檔的集料較多。

本文中采用的銑刨回收料RAP由山西某省道改造項目原路面瀝青層銑刨獲取，并經過破碎篩分，按10～30 mm、5～10 mm、0～5 mm三檔規格進行級配控制。為提高舊料的重復利用率及再生混合料的穩定性，新加集料選擇10～20 mm、0～5 mm兩種規格。同時添加礦粉以減小空隙率、改善拌和工作性，添加水泥來提高早期強度、調節乳化瀝青破乳速度[10]。根據設計文件及規范要求，冷再生混合料級配采用AC-20的級配范圍進行配合比設計。

各原材料的比例為 10～20 mm∶10～20 mm（RAP）∶5～10 mm（RAP）∶0～5 mm（RAP）∶0～5 mm∶礦粉∶水泥=12%∶27%∶20%∶19%∶18.5%∶2%∶1.5%.各規格銑刨料、礦料及水泥的篩分結果見表3，混合料的合成級配曲線如圖1。

表3 篩分試驗結果

圖1 級配曲線

2.2 最佳含水率

雖然乳化瀝青呈液態，但想要更好地將其與集料拌和裹覆均勻依然存在難度，一般在拌和過程中會添加一定的預濕水量。拌和用水的添加可以使集料表面的摩擦力減小，易于混合料拌和，同時可使乳化瀝青拌和分散更均勻，冷再生混合料碾壓成型后更密實，性能更好。本文中采用的預估乳化瀝青用量為3.8%，通過變化拌和用水量，根據規范（JTG E40—2007）T0131中試驗方法開展室內擊實試驗，確定最佳含水率。擊實曲線如圖2。

圖2 擊實曲線

由擊實試驗數據分析，可以計算出混合料的最佳用水量，根據關系曲線圖可得出最佳拌和用水為3.0%，最大干密度為2.228 g/cm3。此外，計算混合料的最佳含水率時還應將乳化瀝青中的水及各檔原材料本身的含水率考慮在內。擊實試驗前對各檔原材料進行了測定，原材料幾乎不含水，可忽略不計。乳化瀝青經檢測固含量為60%，因此最佳含水率結果為3.0%+3.8%×（1-60%）=4.52%.

2.3 確定最佳瀝青用量

根據已經確定的乳化瀝青、混合料配比及最佳含水率，每間隔0.3%選定5個乳化瀝青用量（3.2%、3.5%、3.8%、4.1%、4.4%）進行拌和成型試件。首先分別計算出各乳化瀝青用量下對應的拌和預濕水量，然后準確稱量好各檔干料與水泥一起倒入拌和設備中攪拌30 s；按計算結果分別加入拌和用水，攪拌1 min，最后邊加入乳化瀝青邊進行攪拌，乳化瀝青添加結束后再攪拌1 min。

將試件放置在60℃鼓風烘箱進行養生40 h后，再雙面各擊實25次，置于室溫環境12 h后脫模，然后分別對各組試件進行干、濕劈裂試驗。干劈裂試驗：15℃水浴 2 h劈裂試驗；濕劈裂試驗：25℃浸泡22 h+15℃水浴2 h劈裂試驗。按照再生規范（JTG/T 5521—2019）附錄F中的步驟及要求開展試驗，試驗結果見圖3。

圖3 劈裂試驗

由干、濕劈裂試驗數據分析可知，乳化瀝青用量的提高，試件的劈裂強度結果會出現先升高后降低的過程，ITSR與乳化瀝青的關系曲線存在峰值。根據再生混合料的試驗數據及規范中對干劈裂強度≥0.60 MPa、強度比≥80%的要求，本文中最終確定最佳乳化瀝青用量為3.8%，此時干劈裂強度結果為0.71 MPa，ITSR結果為91.5%，均可達到規范中提出的要求范圍。

2.4 性能檢驗

由于冷再生混合料拌和成型過程中都有水的參與，后期水分消耗也必然會導致混合料內部空隙產生[11]，乳化瀝青再生混合料試件空隙率的要求范圍為8%～13%.內部空隙不密實將影響路面的使用性能，尤其是想要將冷再生用于面層時，需要對其凍融劈裂強度比和動穩定度指標進行檢驗。性能檢驗結果見表4。

表4 性能檢驗結果

由試驗數據計算分析可知，冷再生混合料試件的凍融劈裂強度比結果為82.5%，動穩定度檢測結果為6 012次/mm，均滿足規范中TSR≥75%，60℃動穩定度≥2 000次/mm的要求。

3 工程應用

依托山西某省道改造項目，通過運用乳化瀝青廠拌冷再生技術對舊路改造升級。由于超限、超載車輛多，重載交通運輸需求較大，導致原路面破損嚴重，而且路面處于超齡服役、瀝青老化，已造成瀝青路面產生坑槽、網裂、推移等諸多病害，行車安全性差。該次改造方案為銑刨8 cm原瀝青路面，對下承層病害處理后，采用4 cm改性瀝青混凝土+8 cm特種改性乳化瀝青廠拌冷再生進行修復。

3.1 施工工藝

該路面改造工程中特種改性乳化瀝青冷再生下面層施工工藝如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖

a）舊路銑刨 回收舊料前需要先封閉交通，然后銑刨原破損路面，銑刨過程中速度一般控制在4～6 m/min，具體根據銑刨回收料的級配進行調整，以提高廢舊料的再生利用率。該項目前期采集了不同速度下的篩分結果，將最終銑刨速度選定為6 m/min。過程中通過勻速、穩定作業，保證了銑刨回收料級配的穩定。

b）舊料篩分 將舊路面銑刨回收料運送至拌和站，篩分后分檔分別堆放。銑刨料堆放不超過3 m，避免內部黏結成塊，并采取覆蓋遮擋處理。舊料篩分見圖5。

圖5 舊料篩分

c）配合比設計 對銑刨回收料開展配合比設計試驗，確定乳化瀝青用量等相關參數。

d）現場準備 現場施工前封閉交通，進行下承層表面的清理，采用稀漿封層達到密水效果。

e）拌和、攤鋪 采用專用冷再生拌和站進行兩級拌和，見圖 6。將新料 10～20 mm、RAP（10～20 mm、5～10 mm）加入部分水、乳化瀝青進行一級拌和，然后添加0～5 mm、水泥、礦粉、水及乳化瀝青二級拌和，確保混合料拌和裹覆均勻。將拌制好的冷再生混合料運送至施工現場，運輸過程中覆蓋嚴密防止水分損失。采用福格勒2100攤鋪機進行冷再生混合料的現場攤鋪，速度為2～3 m/min，攤鋪中防止發生離析。冷再生層現場攤鋪見圖7。

圖6 冷再生拌和站

圖7 冷再生層攤鋪

f）碾壓 在初壓過程中采用13 t雙鋼輪振動壓路機，前靜后振碾壓兩遍，以保證混合料不會出現推移、輪跡等現象，碾壓速度控制在1.5～3 km/h；復壓采用2臺30 t輪胎壓路機進行揉壓，確保冷再生混合料碾壓密實，頻次為6遍到8遍，速度為2～4 km/h；終壓采用2臺鋼輪壓路機碾壓，直至消除輪跡，確保路面冷再生層平整度，速度為2～3 km/h。現場碾壓見圖8。

圖8 冷再生層碾壓

g）養生 碾壓結束后自然養生，養生時間一般為7 d。至少應封閉交通養生24 h后，再根據現場需要適當限制重型車輛通行。若遇雨天應及時覆蓋冷再生層，避免雨水沖刷、浸泡對冷再生層強度成型造成影響。

3.2 施工質量控制

a）室內檢測 乳化瀝青冷再生混合料拌和裹覆均勻，拌和站出料正常后，在料車上均勻取料成型試件，進行室內相關試驗檢測，與配合比設計階段混合料性能對比，判定拌和站拌料、出料是否正常。檢測結果見表5。

表5 室內檢測結果

由表5可知，乳化瀝青冷再生混合料的各項性能均能很好地滿足相關規范中的技術要求。與配合比設計階段結果相比，劈裂強度、TSR、動穩定度會略低一些，可能是由拌和站計量不夠精準、取料過程水分蒸發、試驗操作、溫度變化等因素造成的，但均滿足要求，再生混合料性能良好。

b）室外檢測 對冷再生層厚度、壓實度、滲水系數、鉆芯空隙率等進行了檢測控制。冷再生層壓實結束后采用灌砂法檢測了壓實度，見圖9。由于冷再生層用于下面層，密水性對其路用性能及耐久性影響尤為重要，對冷再生下面層滲水系數進行了抽檢。養生7 d后進行了現場鉆芯，見圖10，評價芯樣完整性，并檢測了芯樣的空隙率、劈裂強度。檢測結果見表6。

圖9 壓實度檢測

圖10 鉆取芯樣

表6 室外檢測結果

根據現場試驗結果，冷再生下面層室外檢測各項指標均能滿足規范中提出的要求。通過現場施工控制質量，乳化瀝青冷再生層鋪筑厚度均勻，碾壓密實，密水性良好，鉆取的芯樣密實、完整。將乳化瀝青冷再生技術應用于省道改造下面層工程可完全滿足其使用性能。

4 結語

本文中通過對乳化瀝青冷再生的相關試驗及工程應用研究，可以總結出以下結論：

a）采用配伍性試驗可進行乳化瀝青選型，保證乳化瀝青與石料之間的匹配性和相容性。乳化瀝青E1拌和后裹覆全面、和易性好、漿體不流淌，表面磨耗損失為0.68%、內部黏聚力為218.7 g/cm2，冷再生混合料拌和效果及早期黏聚力、強度成型更佳。

b）通過冷再生混合料配合比設計及性能驗證，確定各檔原材料配比，最佳含水率結果為4.52%，最佳乳化瀝青用量為3.8%，凍融劈裂強度比為82.5%，動穩定度為6 012次/mm，冷再生下面層高溫抗車轍性及抗水損害性良好。

c）總結提煉乳化瀝青冷再生下面層施工工藝，并進行質量控制。現場壓實度檢測平均值99.4%，空隙率11.1%，冷再生層鋪筑厚度均勻，碾壓密實，密水性良好，芯樣密實、完整。乳化瀝青冷再生下面層各項指標性能均良好，可完全滿足其使用性能。