乳化沥青冷再生在沥青路面改善工程中的应用

仝 佳

（山西交通职业技术学院，山西 太原 030031）

乳化沥青冷再生混合料具有良好的路用性能，将其应用于沥青路面改善工程中符合绿色、环保设计理念的要求。目前国内对乳化沥青冷再生技术已取得了一定成果，例如湖南大学肖杰[1]通过室内试验研究乳化沥青的路用性能，并与普通热拌沥青混合料进行对比，指出乳化沥青冷再生混合料的优势；吴超凡、董党锋[2-3]对比分析了不同乳化沥青冷再生混合料配合比设计方法确定最佳乳化沥青用量的差别，最终提出乳化沥青用量宜控制在3.8%～5.0%之间；严金海[4]通过Cooper试验机对乳化沥青冷再生混合料的劲度模量及间接拉伸疲劳性能进行研究，指出其疲劳破坏属于塑性破坏；吴晓春[5]结合九景高速公路路况调查，对乳化沥青冷再生基层路面病害特征进行分析，指出强度不足是引起路面车辙、裂缝病害的主要原因。

本文结合实体工程，根据旧路面状况评价结果提出采用乳化沥青冷再生基层的改善方案，在对回收沥青路面材料（RAP料）分析基础上进行混合料配合比设计及性能研究，并对施工效果进行检测评价，为以后的工程设计及研究提供参考。

1 工程概况

该路段为一级公路，养护桩号为K20+100—K25+600，双向四车道，2002年建成通车。原路面为沥青混凝土路面结构类型，4 cm的AC-13细粒式沥青混凝土+6 cm的AC-20粗粒式沥青混凝土+25 cm的水泥稳定碎石+25 cm的10%灰土+25 cm 6%灰土，其下为土基。路面顶设计弯沉为28（0.01 mm）。该路段交通量较大（达6.2万pcu/d）、大型车比重较高（拖挂车比重达28%），原设计路面结构承载能力远远不能适应当前重载交通需求，路面病害严重，严重突出的病害有坑洞和车辙，给地方公路管养部门造成极大的压力。委托检测单位对该路段的路表状况及弯沉进行检测，通过路面结构强度指数PSSI与路面状况在技术PCI进行评价，检测结果见表1。

表1 结构强度与路面状况评价结果

从表1可以看出，该路段上行的路面状况要优于下行，路面状况评价等级基本为良；上、下行路面结构强度相当，评价等级都在次及以下，说明该路段路面结构较差。现场钻芯取样表明，局部路段基层水泥稳定碎石破损严重，二灰土基本完好无损。分析原因主要是因为沥青面层破损严重，路面水下渗蓄积在路面结构内部，在重载作用下动水压力较大，引发大量水损害。因此，拟决定铣刨全路段沥青路面，根据基层破损状况进行局部维修；全路段铺筑乳化沥青冷再生上基层后再加铺4 cm SMA-13与6 cm AC-20，路表设计弯沉为 23.5（0.1 mm）。

2 配合比设计

2.1 原材料检测

原材料检测主要包括RAP料、新集料、乳化沥青、外掺剂的检测。

2.1.1 RAP料

采用四分法对RAP料进行取样，为了保证乳化沥青冷再生混合料级配的稳定性，将RAP料分为0～5、5～10、10～30三档。将各档 RAP料放入 50 ℃烘箱中烘干后进行筛分试验，确定各档料的级配，结果见表2。

表2 RAP料级配组成

2.1.2 新集料和矿粉

RAP料中粗骨料含量较少，为改善乳化沥青冷再生混合料的骨架结构，防治裂缝病害，需添加10%的新集料；同时添加少量矿粉，以填补粗骨料间的空隙，增强基层密实性。

2.1.3 乳化沥青

本工程采用中裂型乳化沥青，乳化沥青蒸发残留物含量为62.5%，其蒸发残留物的各项性能指标见表3。

表3 乳化沥青蒸发残留物性能指标

2.1.4 外掺剂与水

为增加乳化沥青冷再生混合料的强度与刚度，提高路面结构强度，选用普通硅酸盐水泥作为外加剂。乳化沥青冷再生混合料用水符合饮用水要求即可。

2.2 级配设计

由于RAP料中含有大量的粉料，吸水能力较强，同时以水泥作为外掺剂，若含水量较大极易导致干缩开裂，因此在进行配合比设计时应适当提高5～10、10～30两档RAP料添加比例，尽量使级配曲线处于级配中值下方，具体设计结果见表4，级配曲线如图1所示。

表4 级配设计结果

图1 级配曲线

2.3 最佳含水率（OWC）的确定

根据《公路沥青路面再生技术规范》JTG F41—2008[6]中乳化沥青冷再生配合比设计方法，采用重型击实确定混合料的最佳含水率，初始乳化沥青用量为3.5%，以0.5%为间隔改变含水率，通过最佳干密度确定最佳含水率。为保证含水率测试的准确性，先将RAP料在50%烘箱中恒温24 h，待完全干燥后进行击实试验，试验结果见表5，最大干密度随含水率变化规律如图2所示。

表5 重型击实后各组试件的含水率与密度值

图2 干密度随含水率关系曲线

根据表5与图2确定出最佳含水率为4.0%，最大干密度为2.224 g/cm3。

2.4 最佳乳化沥青用量的确定

在保证总含水率不变的前提下，以0.5%为间隔，采用5个乳化沥青用量，根据《公路沥青路面再生技术规范》JTG F41—2008中二次击实方法成型标准马歇尔试件，测试其体积参数，并通过劈裂试验测试劈裂强度与24 h浸水劈裂残留强度比，结果见表6，空隙率、劈裂强度随乳化沥青用量变化规律如图3所示。

表6 不同乳化沥青用量的马歇尔试件的体积参数

图3 空隙率与劈裂强度随乳化沥青变化规律

从图3可以看出，空隙率随着乳化沥青用量的增加而减小，而浸水劈裂强度比基本呈逐渐增大的趋势。当乳化沥青用量在3.5%～4.0%之间时混合料的15℃劈裂强度与浸水劈裂强度最大，而且浸水劈裂强度相对较高。《公路沥青路面再生技术规范》JTG F41—2008[6]规定作为基层与下面层的乳化沥青冷再生混合料劈裂强度不得小于0.4 MPa与0.5 MPa，因此采用3.5%的乳化沥青用量能够满足要求。

3 路用性能研究

由于本工程中乳化沥青冷再生作为上基层，因此对其水稳性及高温抗车辙性能要求较高。

3.1 水稳定性

采用3.5%乳化沥青用量与4.0%含水率，成型标准马歇尔试件，通过浸水马歇尔与冻融劈裂试验测试乳化沥青冷再生混合料的浸水马歇尔残留稳定度与冻融劈裂强度比，对其水稳定性进行研究，其中浸水马歇尔试验水浴温度为40℃。试验结果见表7。

表7 冻融循环劈裂试验结果

从表7中可以看出，乳化沥青冷再生混合料的冻融劈裂残留稳定度满足规范不小于70%的技术要求；浸水马歇尔稳定度更是高达6.11 kN；同时马歇尔稳定度也能够满足超过5 kN的要求。虽然乳化沥青孔隙率较大，但由于以水硬性材料水泥作为外掺剂，能够起到抗剥落剂的作用，提高乳化沥青冷再生混合料的水稳定性。因此，乳化沥青冷再生混合料能够满足基层材料的要求。

3.2 高温性能

成型30 cm×30 cm×5 cm的标准车辙板试件，养生48 h后放入60℃的恒温箱中恒温4 h，然后进行车辙试验，试验温度为60℃，橡胶轮胎压为0.7 MPa，碾压速率为 42次/min，试验时间为60 min，试验结果见表8。

表8 高温稳定性检验结果

从表8可知，乳化沥青冷再生混合料车辙试验的车辙深度均在4 mm以内，动稳定度指标均超过8 500次/mm，远远超过规范1 500次/mm的技术要求。这主要是因为RAP料中老化沥青的温度敏感性低，高温性能较好；60℃条件下老化沥青的黏度较高，混合料的抗剪切变形能力较强。再者，硅酸盐水泥作为一种水硬性材料，能够有效提高冷再生混合料强度与抗变形能力，改善高温性能。

4 实体工程效果评价

将上述配合比应用到实体工程中铺筑沥青路面上基层，混合料拌和过程严格控制混合料级配、乳化沥青用量、含水率及水泥用量等关键参数；通过理论计算确定合理的摊铺速度，并根据试验段试铺效果确定合理的碾压遍数及速度。

施工过程中采用灌砂法测试压实度，现场钻芯测试劈裂强度；施工完毕后，对乳化沥青冷再生上基层的平整度、弯沉进行检测，检测结果见表9。

从表9可以看出，该路段上、下行乳化沥青冷再生上基层现场芯样劈裂强度、压实度及平整度都能够满足规范要求，说明现场施工质量易于控制；全路段代表弯沉都能够满足设计要求，说明乳化沥青冷再生混合料上基层具有良好的结构强度。沥青面层铺筑完成开放交通后，对该路段进行跟踪观测，结果表明通车两年后路表没有出现反射裂缝，说明乳化沥青冷再生作为柔性基层，能够有效防治反射裂缝，延长路面使用寿命。

5 结语

本文以某一级公路沥青路面改善工程为依托，对乳化沥青冷再生混合料的设计、性能及使用效果进行研究。首先，根据旧路面结构强度不足、路面状况较差的特征提出采用乳化沥青冷再生混合料作为上基层的改善方案；其次，将RAP料分为0～5、5～10、10～30三档，以1.5%水泥为外掺剂，添加10%新矿料进行混合料级配设计，并根据劈裂强度最大原则确定最佳乳化沥青用量为3.5%；再者，室内试验表明乳化沥青冷再生混合料具有良好的强度及水稳定性，动稳定度指标超过8 500次/mm；最后，实体工程检测与评价表明乳化沥青冷再生上基层施工质量易于控制，具有良好的结构强度，能够有效防止反射裂缝，延长路面使用寿命。