路用乳化瀝青冷再生混合料最佳合成級配設(shè)計研究

陳文1、李瑩璐2

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院有限公司，北京 100020）

0 引言

乳化瀝青冷再生技術(shù)有助于提高原有道路品質(zhì)，消除路面病害，減少反射裂縫，并具備良好的經(jīng)濟、環(huán)保效益。在“雙碳”目標背景下，乳化瀝青冷再生技術(shù)能有效實現(xiàn)良好的資源重復(fù)利用，符合綠色循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展目標。但實際應(yīng)用工程中，冷再生混合料常出現(xiàn)施工和易性不好，早期強度形成慢，后期服役性能差等諸多難題。該文結(jié)合乳化瀝青冷再生技術(shù)現(xiàn)狀，對路用乳化瀝青冷再生混合料最佳合成級配設(shè)計進行了研究。

1 原材料技術(shù)分析

1.1 RAP 集料性能分析

1.1.1 粗、細集料基本性能試驗

選取同一條路同一批次銑刨料的粗集料、細集料，各項主要指標如表1 所示[1-3]。

表1 冷再生RAP 集料基本性能

1.1.2 瀝青含量檢測

采用抽提儀進行離心分離實驗測定舊料瀝青含量，再用旋轉(zhuǎn)蒸餾實驗法回收瀝青，測該批次銑刨料瀝青含量在3.5%～3.8% 之間，平均瀝青含量為3.6%。

1.1.3 含水量測定

含水量會隨著儲存環(huán)境與時間的變化而變化。若試驗持續(xù)時間長則隔一段時間進行跟蹤監(jiān)測，調(diào)整最佳含水量；試驗通過烘箱前后質(zhì)量差異測定RAP平均含水量為1.2%。

1.2 添加料的選擇與要求

新集料指標分粗細三檔料如下：新1#料（20～25mm）、新2#料（15～20mm）、新6#料（0～4.75mm）。研究采用礦粉0.3mm 篩孔通過率為100%，表觀密度2.688，采用42.5 標號的普通硅酸鹽水泥。乳化瀝青技術(shù)標準參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）（簡稱《再生規(guī)范》）規(guī)定[4-5]。

1.3 礦料級配分析

對銑刨料中零星雜料及大于26.5 的石塊進行剔除，用四分法取樣分析，舊料與其他新料等礦料分為不同檔次：粗銑刨料（9.5～26.5mm）、細銑刨料（0～9.5mm）、新1#料（20～25mm）、新2#料（15～20mm）、新6#料（0～4.75mm）以及水泥、礦粉[6]。

2 初擬級配

結(jié)合舊料級配分析，為充分利用舊料，對照再生規(guī)范設(shè)計級配，按照AC-20 中粒式級配要求設(shè)計；分別考慮RAP 材料抽提前后的篩分結(jié)果，初步選擇三個級配：其中級配1 不考慮RAP 料抽提篩分結(jié)果，級配2 同時考慮RAP 料抽提和不抽提的篩分結(jié)果，級配3 只考慮RAP 的抽提篩分級配。舊料利用率皆為75%，各級配每檔料的摻配比例及合成級配分別見表2 和圖1[7]。

圖1 三種級配曲線圖

表2 各級配礦料比例

由合成級配曲線圖可以看出，設(shè)計的三組級配都在工程技術(shù)要求范圍內(nèi)，且級配曲線基本沿著工程要求，級配中值趨勢形成圓滑曲線，符合常規(guī)應(yīng)用級配技術(shù)要求。但各級配對RAP 考慮抽提篩分方式不同，混合料材料組成比例有所區(qū)別。

3 最佳含水率確定

參照再生規(guī)范及大量試驗對比分析，研究以“總含水率=乳化瀝青中的水+外加水+舊料含水”來控制冷再生混合料流體含量。

將乳化瀝青含量定為4.0%，分別以0.5 個百分點變化外摻水量2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5% 來進行試驗，分別采用重型擊實法進行最佳含水率試驗，并繪制曲線，圖2 中最大干密度對應(yīng)的含水量即最佳含水率OWC。級配1、2、3 對RAP 考慮抽提篩分方式不同，調(diào)整級配設(shè)計時添加新料也不同，合成級配的差異也導(dǎo)致最佳含水率有所不同，三種級配擬定舊料摻量皆為75%，而舊料含水率經(jīng)檢測取平均值1.2%，乳化瀝青中的水占35%，則對應(yīng)外摻水量與實際含水率關(guān)系[8]：

圖2 三種級配外加水量與干密度關(guān)系曲線圖

實際含水率=外摻水率+75%×1.2%×100+4%×35%×100。

經(jīng)試驗分析，級配調(diào)整的差異也會影響最大干密度與最佳外摻水量。三種級配外摻水量與干密度分別為：級配1 最大干密度為2.239g/cm3，最佳含水率為5.30%；級配2 最大干密度為2.231g/cm3，最佳含水率為5.80%；級配3 最大干密度為2.198g/cm3，最佳含水率為6.30%。

4 最佳乳化瀝青用量確定

參照再生規(guī)范采用的馬歇爾設(shè)計方法，各級配保持最佳含水率不變，擬定4%的乳化瀝青用量為基準，以0.5%的間隔上下浮動變化乳化瀝青含量，分組成型再生混合料馬歇爾試件（先擊實50 次，60℃養(yǎng)護48h 后再擊實25 次，然后側(cè)放在地面上，室溫冷卻12h后脫模），級配1、2、3 分別以各自的最佳含水率不變來控制外摻水量，以試件空隙率、15℃劈裂強度指標來確定相應(yīng)的最佳乳化瀝青用量。經(jīng)試驗分析，三組級配在不同最佳含水率條件下的最佳乳化瀝青含量均在4.5%左右，但級配3 的空隙率明顯大于級配1 和級配2，雖然級配1 混合料密實度與級配2 相近，但強度指標卻比級配2 要小，故綜合空隙率與強度指標，級配2 較優(yōu)[9]。

5 各級配下路用性能驗證

由以上試驗結(jié)果可得出各級配的配合比，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），分別就各級配相應(yīng)配比下進行路用性能驗證，考慮到冷再生的應(yīng)用層次，研究通過凍融劈裂試驗驗證再生混合料的水穩(wěn)定性能、車轍試驗驗證高溫抗車轍能力、小梁彎曲試驗驗證低溫抗裂性能。驗證結(jié)果見表3-5[10]。

表3 凍融劈裂試驗結(jié)果（雙面擊實50 次）

表4 高溫車轍試驗結(jié)果

表5 小梁彎曲試驗結(jié)果

6 結(jié)論

第一，級配1 混合料在配合比設(shè)計時，只考慮了RAP 材料未抽提情況下的級配，并沒有考慮其抽提以后的級配，導(dǎo)致混合料整體偏細，缺乏粗集料的骨架支撐，高溫性能偏差，動穩(wěn)定度＜2000（次/mm），雖然其水穩(wěn)定性能較好，低溫性能也能滿足要求，但在高溫及重交通情況下，容易出現(xiàn)車轍。

第二，級配2 混合料在進行配合比設(shè)計時，綜合考慮了RAP 材料未抽提情況下的級配，整體骨料組成協(xié)調(diào)，抗高溫能力強，水穩(wěn)定性能較好，低溫抗裂性能優(yōu)良，符合高性能乳化瀝青冷再生混合料組成，滿足各類輕重交通應(yīng)用需要。

第三，級配3 混合料在進行配合比設(shè)計時，只考慮了RAP 材料抽提情況下的級配，而抽提后集料偏細，在加入粗集料調(diào)整的情況下，整體骨料偏粗，容易造成松散、離析。

雖然因自身骨料支撐能力的影響，高溫性能勉強滿足要求，但其水穩(wěn)定性、低溫性能都較差，在多雨、重交路況下易造成水損壞及開裂等病害。

綜合分析，在冷再生混合料級配合成設(shè)計時，必須對級配進行驗證與調(diào)整，因為再生混合料的特殊性，僅考慮空隙率、強度、水穩(wěn)定性等指標是不夠的，還應(yīng)該對高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能提出要求，避免早期強度滿足但后期服役時容易出現(xiàn)車轍與裂縫的情況發(fā)生。