结合RAP性能的泡沫沥青冷再生混合料配合比设计及性能分析

王新生

（河南中原高速公路股份有限公司，郑州 450002）

截至2019年底，我国高速公路通车总里程达到14.96万km，位居世界第一. 然而，随着通车运行年限的增长，高速公路路面陆续出现裂缝、坑槽、沉陷、沥青层老化等病害，已经难以满足车辆的行驶要求［1-2］，部分建成时间较早的高速公路沥青路面进入了大中修时期［3］. 在道路的大中修和改扩建施工中，舍弃铣刨、挖除的路面旧料将造成巨大的浪费，也对周围的环境造成很大的破坏［4］. 而将旧路面材料再生利用到新铺筑路面结构中不仅恢复了原有道路服务能力，又实现了物质的循环利用，降低了公路建设成本［5-6］，对环境保护也起到了积极的作用. 目前沥青路面再生材料的稳定方式主要采用水泥稳定再生和泡沫沥青（或乳化沥青）冷再生两种方式［7］. 泡沫沥青冷再生技术近年来正广泛应用于沥青路面大中修工程中［8-10］. 在向热沥青中加入精确计量的水时会产生泡沫这大大增加了沥青的体积和表面活力［11］. 在整个发泡过程中，沥青的体积急剧膨胀，黏度下降且保持一定黏聚力和稳定性，可以更好地与集料裹覆在一起形成混合料［12］. 以泡沫沥青作为稳定剂的路面再生技术因其具有环保、经济、实用、施工速度快等优势，近年来在路面维修养护过程中得到了广泛应用［13-14］.

本文在对RAP性能研究的基础上，通过在漯驻高速公路改扩建工程中的实践，确定了两种不同类型泡沫沥青冷再生混合料配合比，并对比分析了两种泡沫沥青冷再生混合料力学性能，为泡沫沥青冷再生混合料工程应用提供理论依据.

1 工程概况

京港澳高速公路漯河至驻马店段自2001年9月建成通车至2015年已近14年，路基基本稳定，路面病害较多，主要体现为纵、横向裂缝、龟裂、坑槽、局部沉陷等. 通过采用ZOYON-RTM 车载智能路面自动检测车、LTD-2000型地质雷达等仪器对路面现状进行调查，结果显示：漯驻高速公路总体上行车道的破损程度比超车道严重，西半幅破损程度比东半幅严重. 该路段在改扩建施工拼宽部位中面层沥青路面施工完毕后，2015年对旧路病害进行处治，处治完毕后统一加铺上面层沥青路面.

为彻底治理旧路病害，提高路面使用功能，漯驻高速改扩建工程将该路段旧路病害分为路面病害和路基病害处治两大种类. 而对路面病害的处治，又拟定了路面连续病害处治和局部病害处治两种方案. 对于路面连续病害达到下面层的路段采用就地冷再生处治方案，路面连续病害处于中、上面层的路段采用铣刨后回铺热拌沥青混合料的处治方案.

本研究结合漯驻高速公路就地冷再生处治旧路病害实际情况，通过对RAP性能进行检测，实现确定泡沫沥青冷再生混合料在实际施工中各项指标目标的应用方案的研究.

2 原材料及其性能检测

配合比设计采用维特根420 型就地冷再生成套设备对连续病害路段旧路沥青层铣刨产生的RAP 回收料、机制砂、PC 32.5硅酸盐水泥、70号A级道路石油沥青.

1）RAP性能检测

铣刨料的质量是保证再生料性能的前提［15］，RAP 级配是目前冷再生技术使用最广泛的级配概念，并作为目前配合比设计时采用的级配，然而RAP矿料级配是RAP中集料真实的组成比例［16］. 而由于受到铣刨设备等因素的影响，会导致铣刨料级配不易控制.

现场取料后对回收料进行水洗筛分［17］和燃烧水洗筛分试验，结果如表1所示.

表1 RAP级配组成Tab.1 RAP gradation composition

以往的研究普遍认为泡沫沥青混合料性能对0.075 mm以下的颗粒含量较为敏感［18］，从表1结果来看，较之水洗法，燃烧法筛分得到的各筛孔下含量均有所增加，尤其是0.075～9.5 mm之间，增加幅度在3.3%～9.5%.

2）机制砂筛分

对机制砂进行水洗筛分试验，结果如表2所示.

表2 机制砂筛分结果Tab.2 Screening results of machine-made sand

3）沥青发泡试验

选用道路石油70号A级基质沥青，采用维特根发泡试验机制备泡沫沥青，不同发泡温度和用水量条件下泡沫沥青膨胀率和半衰期如表3所示.

表3 基质沥青发泡试验结果Tab.3 Results of foaming test of matrix asphalt

数据表明，随着用水量的增加，不同温度下膨胀率呈现增大趋势，半衰期逐渐减小. 2%用水量下，膨胀率随着温度升高持续增加，由160 ℃的15倍增加至170 ℃的18倍；2.5%用水量下，165 ℃膨胀率最高，达到24倍；3%用水量下温度对膨胀率影响较小. 针对半衰期，同一用水量条件下，随着温度变化，半衰期先增大后减小，三组用水量均在165 ℃发泡条件下达到各组最大半衰期.

根据试验数据绘制曲线图（图1），研究用水量与温度对发泡膨胀率及半衰期的影响.

图1 不同温度和用水量下泡沫沥青膨胀率和半衰期Fig.1 Expansion rate and half-life period of foamed asphalt at different temperatures and water consumption

从图1中可以看出，随温度的增加，发泡时沥青的膨胀率有增大的趋势、半衰期则有变小的趋势，这是因为温度高时产生泡沫的直径较大，降低了沥青薄膜的厚度和弹性，此时沥青泡沫趋于不稳定而衰落速度加快，从而导致了半衰期减小. 从表中数据来看，当发泡温度为165 ℃，发泡用水量为2.5%时，沥青膨胀率为24倍，半衰期为8.5 s，可满足规范技术要求. 因此，综合考虑泡沫沥青的膨胀率和半衰期，确定发泡温度为165 ℃，发泡用水量为2.5%.

3 不同类型冷再生沥青混合料配合比设计

3.1 配合比设计

当RAP里矿料作为再生沥青骨料进行生产配合比调试时，其水洗筛分结果调整级配如表4所示.

表4 未掺加机制砂级配调整Tab.4 Gradation adjustment of asphalt mixture unmixed machine-made sand

当把RAP视为“黑色集料”进行再生沥青生产配合比调试时，其级配调整结果如表5所示.

表5 掺加机制砂级配调整结果Tab.5 Gradation adjustment of asphalt mixture mixed machine-made sand

由图2、图3可以看出，掺加机制砂与未掺加机制砂的两种类型级配调整结果均满足《公路沥青路面再生技术规范》［19］中泡沫沥青冷再生技术要求.

图2 未掺加机制砂再生沥青混合料级配Fig.2 Gradation of recycled asphalt mixture without machine-made sand

图3 掺加机制砂再生沥青混合料级配Fig.3 Gradation of recycled asphalt mixture with machine-made sand

3.2 最佳含水量确定

将风干的旧沥青路面铣刨料、碎石、机制砂按比例混合，将沥青用量固定为3%，变化用水量拌和进行重型击实试验，确定再生混合料的最佳含水量. 根据重型击实试验结果，绘制出含水率与最大干密度曲线（图4～图5）.

图4 未掺加机制砂含水率与最大干密度关系曲线Fig.4 The relationship between moisture content sand and maximum dry density of asphalt mixture unmixed machine-made sand

图5 掺加机制砂含水率与最大干密度关系曲线Fig.5 The relationship curve between moisture content and maximum dry density of asphalt mixture mixed machine-made sand

由图4、图5可以看出，随着含水量的增加，无论是否掺加机制砂，干密度均呈现先增大后减小的趋势，按照关系曲线图可直接确定未掺加机制砂类混合料最佳含水量为5.5%，此处最大干密度值为2.110 g/cm3；掺加机制砂类混合料最佳含水量为6.1%，此处最大干密度数值为2.126 g/cm3.

3.3 最佳泡沫沥青用量确定

按《沥青路面再生应用技术规范》（JTG F41—2008）［19］中的成型和养生方法，在漯驻高速公路改扩建施工前，从进场材料中选择5种不同的泡沫沥青用量与合成级配按最佳含水量进行拌和后成型标准马歇尔试件，成型好的试件连同试模一起侧放在60 ℃通风烘箱养生不少于40 h，养生完成后将试件取出冷却，12 h后脱模. 将各组油石比试件分成两组，一组在15 ℃条件下直接测定劈裂强度，另一组完全浸泡25 ℃水浴23 h后，再在15 ℃水浴完全浸泡1 h后，立即在15 ℃条件下测定劈裂强度. 不同沥青用量下混合料的劈裂强度试验和浸水劈裂强度试验结果如表6、表7.

由表6、表7可知，掺加机制砂与未掺加机制砂的两种类型冷再生混合料干湿劈裂强度随着沥青用量的增加呈现先增加后减小的趋势，在沥青用量为2.5%时达到峰值，强度和水稳定性较好，沥青膜裹覆均匀. 确定未掺加机制砂泡沫沥青混合料的水泥用量为1.5%、最佳拌和用水量为5.5%，最佳油石比为2.5%；掺加机制砂的泡沫沥青混合料的水泥用量为1.5%、最佳拌和用水量为6.1%，最佳油石比为2.5%.

表6 未掺加机制砂劈裂试验结果Tab.6 Splitting test results of asphalt mixture unmixed machine-made sand

表7 掺加机制砂劈裂试验结果Tab.7 Splitting test results of asphalt mixture mixed machine-made sand

4 不同类型冷再生沥青混合料强度特性研究

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［20］（JTG E20—2011）中沥青混合料劈裂试验方法（T 0716—2011）进行了劈裂试验，试验结果如表8所示.

表8 芯样劈裂试验结果Tab.8 Core sample split test results

由表8可得，掺加机制砂的再生沥青混合料干劈裂强度和湿劈裂强度均大于未掺加机制砂再生沥青混合料，这是因为被旧沥青膜包裹的RAP颗粒表面较为光滑，混合料的棱角性变差，颗粒间摩阻力减小，不利于泡沫沥青砂浆微粒在集料表面的黏结，降低了再生混合料的强度. 两种再生沥青混合料技术指标均满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41—2008）要求，且差别不大，在实际施工过程中为简便施工可以考虑不掺加新料.

5 结论与展望

1）通过试验研究不同发泡温度和用水量条件下泡沫沥青膨胀率和半衰期，综合考虑确定泡沫沥青发泡温度为165 ℃，发泡用水量为2.5%.

2）将风干的旧沥青路面铣刨料、碎石、机制砂按比例混合，将沥青用量固定为3%，变化用水量拌和进行重型击实试验，确定掺加机制砂与未掺加机制砂两种类型再生混合料的最佳含水量：未掺加机制砂类型混合料最佳含水量确定为5.5%，掺加机制砂的确定为6.1%.

3）掺加机制砂与未掺加机制砂的两种不同类型冷再生混合料干湿劈裂强度随着沥青用量的增加呈现先增加后减小的趋势，在沥青用量为2.5%时达到峰值，强度和水稳定性较好，沥青膜裹覆均匀. 确定未掺加机制砂泡沫沥青混合料的水泥用量为1.5%、最佳油石比为2.5%；掺加机制砂的泡沫沥青混合料的水泥用量为1.5%、最佳油石比为2.5%.

4）根据混合料劈裂强度试验结果，掺加机制砂的泡沫沥青再生混合料干劈裂强度和湿劈裂强度均大于未掺加机制砂泡沫沥青再生混合料，但差别不大，在实际施工过程中可根据现场情况考虑掺加或不掺加新料.

泡沫沥青作为稳定剂的沥青冷再生混合料施工方便、快速，减少了废旧沥青混合料对环境的污染和场地的占用，节省了大量的原材料，同时减少了废旧材料和热拌成品料的运输费用，为漯驻改扩建工程节省了大量建设成本. 建成通车5 年来，使用泡沫沥青冷再生技术处治过的路段路面沥青层稳定，未出现严重车辙、沉陷、坑槽等路面病害，达到了预期的目标，创造了良好的经济和社会效益.