就地冷再生技术在高速公路养护工程中的应用研究

杨振海，徐 亚，蔡海泉，王鸿森，朱浩然

（1. 江苏宁宿徐高速公路有限公司，江苏 宿迁223814；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京211112；3.新型道路材料国家工程实验室，江苏 南京211112）

1 概 述

随着我国基础设施建设的迅猛发展，公路事业逐步从建养护并重进入以养为主的新时期。传统的铣刨重铺技术，旧料被大量废弃，造成了资源浪费，也带来了严重的环境污染。路面再生技术凭借特有的优势应运而生，其中，就地冷再生技术因其能够100%循环利用废料，节约资源，缩短工期，且交通影响小，节省投资等优点，已应用于部分公路的养护工程中。

目前工程案例中绝大部分冷再生技术应用于基层，应用于面层的研究仍较少。本文结合S49 新扬高速公路养护工程，开展就地冷再生技术在沥青层的应用研究，提出混合料设计的关键指标要求，并对路用性能进行验证，分析其经济社会效益，为就地冷再生技术在高速公路养护工程中推广应用提供借鉴和参考。

2 旧路状况评价及再生方案

2.1 旧路状况评价

乳化沥青就地冷再生技术应用于S49 新扬高速新扬方向，试验段共计3.7 km，原路面采用“4 cm AC-16I+5 cm AC-25I+7 cm AC-25Ⅱ”三层普通沥青的结构形式，2019 年年平均日交通量达到22 774 veh/d，依据相关规范对交通荷载分级规定，交通荷载等级为重。路面使用性能状况如下，其中车辙状况较差，中面层车辙贡献度为47.06%，同时，汉堡车辙试验结果显示中面层混合料高温性能已经出现衰减，见表1、表2。

表1 原路面使用性能状况

表2 原路面中面层状况

2.2 再生方案

基于旧路状况评价结果，试验段中面层状况较差，需处理至中面层。由于就地冷再生施工后混合料密度（约2.15×103kg/m3）较热拌低，再生层厚度较原面层厚度有所增加，为保持原路面标高一致，因此在养护路段采用先铣刨1 cm 上面层后，再生3 cm AC-16I+5cm AC-25I 后整体加铺罩面4 cmSMA-13 的方案，再生层作为中面层使用，见图1。

图1 就地冷再生路面结构形式

3 混合料设计及性能评价

3.1 原材料性能

原材料主要包括乳化沥青、RAP 料、水泥、矿粉和水。采用慢裂改性乳化沥青以提高再生混合料的质量，改性乳化沥青的技术指标及要求见表3，水泥满足相应技术标准见表4。

表3 乳化沥青试验结果

RAP 料为铣刨料，主要包括：0～9.5 mm 细铣刨料和9.5～26.5 mm 粗铣刨料。无新料添加，各项指标均能满足要求，水泥采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5。RAP、水泥和矿粉筛分结果见表5。

3.2 混合料设计

（1）级配组成

参考相关规范的级配范围以及工程案例经验，初选的再生混合料的配合比为粗铣刨料∶细铣刨料∶水泥∶矿粉=35.4%∶60.1%∶1.5%∶3%，合成级配见表6。

表4 水泥基本技术指标

（2）确定最佳含水率、最佳乳化沥青用量

在级配设计的基础上，参考《公路沥青路面再生技术规范》确定再生混合料的最佳含水量及最佳乳化沥青含量。首先拟定乳化沥青掺量为4.0%，分别选择不同的含水量进行拌合试验，对应的最佳含水率为2.6%，在最佳含水率的基础上，以预估的沥青用量为中值，变化不同的乳化沥青用量，进行空隙率、15℃劈裂强度试验，结果见图2、图3，确定最佳乳化沥青用量为3.8%。

图2 拌和试验结果

表5 原材料筛分试验结果

表6 合成级配表

图3 马歇尔试验、劈裂试验结果

（3）性能验证

在混合料设计的基础上，对乳化沥青再生混合料的高温及抗水损害性能进行验证，水稳定性采用冻融劈裂试验、高温稳定性采用动稳定度试验分别验证，结果表明：冻融劈裂强度比能够满足要求，抗水损害能力较好；同时，动稳定度达到2 758 次/mm，表明乳化沥青再生混合料的抗车辙能力较强，能够用于中面层，见表7。

表7 试验验证结果

3.3 路用性能研究

3.3.1 高温性能

本文研究采用动态蠕变试验、重复三轴试验评价再生混合料的高温性能。

（1）动态蠕变试验

采用UTM-25 设备进行动态蠕变试验，温度为50℃，旋转压实30 次成型，试件尺寸为直径100 mm、高150 mm。考虑到乳化沥青冷再生混合料的材料性质，采用围压为138 kPa，偏应力为700 kPa。试验结果表明再生混合料的累积应变经历了较为明显的三阶段，高温稳定性较好，见表8、图4。

表8 动态蠕变试验结果

图4 动态蠕变试验结果

（2）重复三轴试验

采用旋转压实30 次成型，试件尺寸为φ100 mm×150 mm，试验温度为50℃。为了较好的反映路面的实际工作状态，分析试件在pc：pa（围压：偏应力+ 接触应力） 为1∶1、1∶2、1∶3 三种应力状态下的永久变形和回弹模量的变化规律，再生混合料的剪切试验结果见表9～表11 和图5，分析结果表明：在不同的应力状态下，永久变形、回弹模量与围压均有较好的线性相关性，同时再生混合料的破坏应力较大且破坏应变较小，具有较优的抗剪切性能。

表9 永久变形与围压的相关性

表10 回弹模量与围压的相关性

表11 剪切试验结果

图5 重复三轴试验结果

3.3.2 低温性能

采用低温弯曲破坏试验评价再生混合料低温性能，试验温度为-10℃，加载速率为50 mm/min，尺寸符合长250±2 mm、宽30±2 mm 和高35±2 mm。低温弯曲试验结果表明：再生混合料的低温性能表现较好，抗弯拉强度较高，结合国内的研究成果[1]，确定当乳化沥青冷再生混合料用作沥青面层时，其破坏应变应不小于2 000 με，见表12。

表12 低温弯曲试验结果

3.3.3 力学性能

本文研究采用劲度模量试验、单轴压缩试验评价再生混合料的力学性能。

（1）劲度模量试验

采用再生混合料进行间接拉伸劲度模量试验，试件直径100 mm，高63.5±2.0 mm，试验温度分别5℃、15℃和25℃，应力水平分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。泊松比在再生混合料充分养生的基础上采用热拌沥青混合料的泊松比，试验结果表明：应力水平、温度与劲度模量均具有较好的线性相关性。同时，随着应力水平的增加，模量逐渐减小；随着温度的升高，模量逐渐降低，见表13 和图6。

表13 泊松比

图6 劲度模量试验结果

（2）单轴压缩试验

采用旋转压实30 次成型φ100 mm×100 mm 的圆柱体试件，试验设备采用MTS。按照相应规范中的试验方法测定再生混合料15℃和20℃时的抗压回弹模量与无侧限抗压强度，试验结果表明：随着温度的升高，抗压强度下降0.39 MPa，抗压回弹模量降低约22%，见表14。

表14 单轴压缩试验结果

3.3.4 疲劳性能

采用间接拉伸试验评价混合料的疲劳性能，试验温度为15℃，加载恒定水平应力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa，试件尺寸为直径100 mm、高63.5±2 mm，由于缺乏对冷再生混合料材料性质的认知，拟定竖向变形达到10 mm 作为疲劳破坏的标准，记录荷载作用的次数。试验结果表明：混合料的疲劳寿命较高，同时，在高应力水平300 kPa 和400 kPa（应力比约0.4 和0.55）的条件下表现出一定的脆性，见表15、图7。

表15 间接拉伸疲劳试验结果

图7 疲劳试验结果（lg Nf - σ）

3.3.5 抗松散性能

松散是目前再生混合料应用于路面后的主要问题之一。本文采用国外普遍采用的抗松散仪评价混合料的抗松散能力，依据规程ASTM D 7196-06，旋转压实30 次，养生温度为25℃，养生时间4 h±5 min。试验结果表明：再生混合料的松散损失率为1.5%，满足不大于2%的要求，表现出较好的抗松散性能。

4 经济社会效益分析

4.1 经济性分析

根据当地的经济状况和材料价格，对乳化沥青就地冷再生、铣刨重铺两种方案的经济性进行对比分析。S49 新扬高速就地冷再生层厚度8 cm，对比同样厚度的铣刨重铺技术，结果表明，乳化沥青就地冷再生方案，相比于铣刨重铺技术减少了集料、沥青等原材料及相关运输费用，成本降低了70%，见表16。

表16 两种方案造价对比 单位：元/m2

4.2 环境效益分析

本文基于寿命周期评价（LCA）选择能耗、碳排放作为测算指标，计算结果表明：乳化沥青就地冷再生技术相较于铣刨重铺技术，能源消耗减少约72%，二氧化碳当量排放减少约64%，见表17。

表17 环境效益对比

5 结 论

本文得到如下结论：

（1）混合料设计采用马歇尔设计方法，通过拌和试验、干湿劈裂强度试验确定乳化沥青再生混合料的最佳含水量、最佳乳化沥青用量分别为2.6%、3.8%。

（2）基于设计结果进行高温性能、低温性能、力学性能、抗疲劳性能等路用性能验证，满足我国再生规范中各技术指标要求。

（3）就地冷再生技术相比于传统的铣刨重铺技术，费用减少约70%，能源消耗节约72%，二氧化碳当量排放减少约64%，具有显著的经济效益和社会效益。