改性乳化沥青冷再生技术的路用性能研究

符 适,赵 轩

(1. 江苏高速公路工程养护有限公司，淮安 223001；2. 东南大学，南京 211189)

乳化沥青就地冷再生技术是指将原路面的沥青面层进行铣刨，添加水泥、水和乳化沥青等再生材料进行均匀拌和，将再生混合料摊铺压实以消除原路面病害，延长路面使用寿命的绿色养护技术[1]。乳化沥青就地冷再生技术具有100%利用旧料、常温施工、无须运输和一体化施工等优点[2]。国内外普遍将乳化沥青就地冷再生技术应用于低等级公路的中下面层或高速公路的上基层，根据长期的路面观测，冷再生层作为低等级公路的中下面层，路面使用性能良好，无明显病害，具有良好的环境效益。工程实践中常用的再生剂为普通乳化沥青，而使用普通乳化沥青得到的冷再生混合料早期强度较低，各项路用性能较热拌沥青混合料均有较大差距，因此乳化沥青就地冷再生技术未能大规模运用于更高等级道路和更高层位。改性乳化沥青是在乳化沥青的基础上通过添加改性材料制备所得，其兼具改性材料和乳化沥青两者的优点，具有优良的黏结、耐高低温、耐久和防水等性能[3]，因此，使用改性乳化沥青制备冷再生混合料可提升其路用性能[4]，改善乳化沥青冷再生混合料在中面层的路用效果。

针对冷再生混合料的路用性能，研究者进行了大量研究[5-7]。Babagoli等[8]通过马歇尔稳定度试验、动态蠕变试验和车辙试验研究了不同SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、水泥和石灰含量对乳化沥青冷再生混合料高温稳定性的影响，结果表明SBS、水泥和石灰均能提高其高温性能，减少其永久变形，且SBS对其高温性能影响更显著。李锋等[9]基于半圆弯曲试验和低温弯曲试验评价乳化沥青冷再生混合料的低温性能，结果表明，添加少量水泥后，冷再生混合料的低温性能得到显著改善，随着水泥剂量的增加，其低温抗裂性能得到增强，若继续添加水泥剂量，则会提高冷再生混合料的脆性，反而降低其低温性能。Gao等[10]基于路面实际的温度场和应力场设计了一种新的循环动态蠕变试验，对比了不同水泥掺量的冷再生混合料作为下面层的整体高温性能，结果表明，水泥掺量从1.5%增至2.0%时，冷再生混合料的高温性能得到显著改善。

本文采用多序列局部加载动态蠕变试验和半圆弯曲试验评价乳化沥青冷再生混合料的高温性能、中低温抗裂性能和疲劳性能，对比改性乳化沥青冷再生混合料和普通乳化沥青混合料的路用性能，同时将其与两种中面层常用的热拌沥青混合料AC-20和Sup-20进行对比，以验证改性乳化沥青冷再生混合料在高速公路中面层的适用性。

1 原材料与级配设计

1.1 乳化沥青冷再生混合料

乳化沥青冷再生混合料由RAP(再生沥青路面)料、乳化沥青、水泥和水组成，根据乳化沥青不同，制备了两种乳化沥青冷再生混合料，一种为普通乳化沥青冷再生混合料，简称CEAM，另一种为改性乳化沥青冷再生混合料，简称MCEAM。

本试验的RAP料由某高速公路的上中面层通过大型铣刨机铣刨获得，所得RAP料经过烘干后测定其筛分级配，避免由于水分过多造成细集料黏结聚团现象。RAP料筛分级配如表1所示。

表1 RAP料筛分级配

乳化沥青分为两种，一种为普通乳化沥青，另一种为添加3%SBR(丁苯橡乳)的改性乳化沥青。冷再生乳化沥青技术指标如表2所示，其技术要求参考《乳化沥青就地冷再生技术应用指南及施工技术规程》(交公养〔2010〕405号)。试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，检测结果表明两种乳化沥青技术指标均合格。

表2 冷再生乳化沥青技术指标

水泥试验技术指标如表3所示，水泥标号为P.O 42.5。

表3 水泥试验技术指标

两种乳化沥青冷再生混合料均按照2%水泥、2.79%外掺水量和3.5%乳化沥青的掺量配比设计进行成型，使用旋转压实仪压实30次制作成型。成型结束后按照自然养生12 h，60 ℃鼓风烘箱养生48 h，自然冷却12 h的方式进行养生。

1.2 热拌沥青混合料

本试验使用AC-20和Sup-20热拌沥青混合料与乳化沥青冷再生混合料进行对比，热拌沥青混合料合成级配曲线如图1所示。石料和矿粉分别为石灰岩集料和石灰岩矿粉，沥青采用SBS改性沥青(PG76-22)，油石比4.2%，配好的石料保温4 h，在180 ℃条件下拌和成型。

(a) AC-20

2 性能试验

2.1 高温性能试验

2.1.1 试验方法

采用多序列局部加载动态蠕变(MSRL)试验[11-13]进行高温性能评价，该试验可以分析混合料在实际路面荷载水平下的高温抗永久变形能力，分为预加载阶段和多序列加载阶段，试验温度为60 ℃。预加载阶段：荷载级别0.7 MPa，单个加载周期1 s，应力脉冲时间0.1 s，分层试件加载500次，整体试件加载1 000次。多序列加载阶段：共包含30个加载序列，分层试件加载应力幅值为0.5～1.0 MPa，整体试件加载应力幅值为0.6～1.1 MPa，两个阶段均分为6个荷载等级，每等级提高0.1 MPa。分层试件每种荷载等级下脉冲时长的作用次数为50次，整体试件每种荷载等级下脉冲时长的作用次数为100次，单个加载周期时长固定为1 s。

由于冷再生沥青混合料导热系数较小，在实际路面结构中，其混合料内部的温度较普通沥青混合料低，根据对实际路面温度场的模拟，得到各种混合料的试验参数，分层蠕变试验参数如表4所示。

表4 分层蠕变试验参数

2.1.2 试验指标

根据多序列局部加载动态蠕变试验提出复合平均应变率(CASR)和复合蠕变劲度模量(CCSM)两个指标。复合平均应变率也可以认为是在每个加载序列中累积应变的斜率。通过计算每个加载序列在整个多序列加载中所占的比例，并乘以对应加载序列的应力级别，然后叠加，即可得到材料的复合平均应变率。复合蠕变劲度模量的计算需要用到试件在多序列局部加载试验中受到的等效应力。与复合平均应变率不同的是，复合蠕变劲度模量的计算既包含了多序列加载产生的累积永久应变，也包括了试件在预加载阶段产生的累积应变。计算公式见式(1)。

(1)

2.2 中低温抗裂性能

2.2.1 试验方法

采用半圆弯曲(SCB)断裂试验评价沥青混合料的中低温抗裂性能。SCB断裂试验具有试件制备简单、操作方便、可重复性强等特点。试验试件是直径为15 cm、厚度为4～5 cm的半圆，两个支座间的距离为12 cm。SCB试件分为切缝和不切缝两种，对试件进行预切缝是为了控制试件的起裂点在中心位置，便于计算力学参数；但是每个试件预切缝的切缝长度和切缝位置难以精准控制，会对试验结果造成较大影响，同时预切缝尖部的材料属性难以控制也会影响试验数据。本试验选择不切缝的SCB试件评价沥青混合料的中低温抗裂性能。中温和低温温度分别选择典型的15 ℃ 和-10 ℃，加载速率为50 mm/min。

2.2.2 试验指标

选用强度和裂能两个角度评价沥青混合料的抗裂性能。强度指标为峰值力和抗裂强度，峰值力为力位移曲线中最高点对应的Y值Fmax，SCB试件的底部存在一个纯弯拉区域，Molenaar等[11]研究得出SCB试件底部支点距离为试件直径0.8倍时的抗裂强度公式：σt=4.8Fmax/BD，B和D分别为试件的厚度和直径。裂能指标包括峰前断裂功Wc、峰后断裂功Wcf和断裂能。峰前断裂功Wc是峰值力Fmax的峰前力-位移曲线与x轴围成的面积，峰后断裂功Wcf是峰后力为Fmax/2时，力-位移曲线围成的面积，二者均由积分的方式求得，断裂能是总断裂功与断裂面积的比值，断裂能越大，试件在发生断裂破坏时，单位面积上所需能量越大，抗裂性能就越好。

2.3 疲劳性能

采用SCB试验评价沥青混合料的疲劳性能。SCB试验基于断裂试验，根据断裂试验中的最大应力，确定不同的应力比对沥青混合料进行加载。应力水平的大小对疲劳试验影响显著。应力过大会导致疲劳试验快速结束，无法准确测定混合料的疲劳性能；应力过小则试验时间过长，甚至试件不会破坏。为了控制疲劳寿命在千次到万次的范围内，选取疲劳试验的应力比为0.2、0.25、0.3、0.35、0.4，加载方式为控制应力模式，试验温度为15 ℃，荷载频率为10 Hz，荷载波形为半正弦波，无间歇时间，结束条件以试件完全断裂为标准。

3 试验结果

3.1 高温性能试验结果

通过MSRL试验可得4种不同类型沥青混合料的累积微应变曲线，累积微应变曲线如图2所示。

图2 累积微应变曲线

由图2可知：

(1) 4种沥青混合料的累积微应变均未超过20 000 με，仍处于蠕变稳定阶段，产生的累积微应变依次为：CEAM>MCEAM>AC-20>Sup-20，表明普通乳化沥青冷再生混合料的抗高温变形能力较差，Sup-20热拌沥青混合料抗高温变形能力最优。

(2) 2种冷再生混合料与热拌沥青混合料相比，在蠕变迁移阶段产生的应变快速增加，永久应变快速积累，但是应变发展速率逐渐降低。这是由于冷再生混合料的空隙率较大，约为10%，热拌沥青混合料的空隙率约为4%，在施加荷载的初始阶段产生较大变形。

(3) 加载结束后，与CEAM相比，MCEAM累积微应变约减少25%，表明SBR胶乳可以显著改善冷再生沥青混合料的高温性能；MCEAM与AC-20曲线较为接近，且蠕变发展速率小于AC-20，表明改性乳化沥青冷再生层作为高速公路中面层具有良好的高温抗变形能力。

高温蠕变参数如表5所示。MCEAM与AC-20、Sup-20热拌沥青混合料的复合蠕变速率均为2.2～2.4 με/次，远小于普通乳化沥青的3.52 με/次，表明改性乳化沥青冷再生混合料具有良好的抗车辙性能。复合蠕变劲度模量因为考虑了预加载阶段的累积应变，所以对于蠕变迁移阶段变形较大的冷再生混合料，其劲度模量均小于热拌沥青混合料。

表5 高温蠕变参数

3.2 中低温抗裂性能试验结果

断裂参数对比如图3所示。

(a) 抗裂强度

由图3可知，与CEAM相比，MCEAM在中低温条件下的抗裂强度和断裂能均有提升，中温条件下MCEAM的抗裂强度提高了35%，低温条件下MCEAM的抗裂强度提高了16%，性能改善显著。随着温度降低，4种沥青混合料的抗裂强度逐渐增大，这是因为同一混合料在较低温度下，沥青的复合蠕变劲度模量增大，胶浆和集料的整体工作能力增强，承受荷载能力增强。在能量指标方面，SBR改善冷再生混合料的效果更加显著，但性能提升后的冷再生混合料仍与热拌沥青混合料的抗裂性能存在较大差距，这是由于乳化沥青冷再生混合料的早期抗裂强度主要由RAP料间嵌挤的内摩阻力和水泥提供，后期抗裂强度还包括乳化沥青破乳后沥青的黏聚力和沥青与RAP料的黏附力，但热拌沥青混合料是在170 ℃条件下拌和压实而成，在该温度下，沥青与矿料的黏结效果较好，且矿料骨架间的嵌挤力和摩阻力较高，整体强度较高。

3.3 疲劳性能试验结果

SCB试验的变异性相对较大，因此每种类型的试件至少进行3组平行试验，对疲劳寿命离散程度较大的数据进行剔除，并补充新的平行试验，最后结果取均值，得到沥青混合料不同应力比条件下的疲劳寿命，疲劳试验结果如表6所示。

表6 疲劳试验结果

将4种沥青混合料的疲劳寿命数据在双对数坐标系下，采用式(2)和式(3)，对表6中应力比-疲劳寿命和应力幅值-疲劳寿命数据进行拟合。

lgNf=k-nlgt

(2)

lgNf=k-nlgσ

(3)

式中，Nf为疲劳寿命，次；t为应力比；σ为应力幅值；k、n为待拟合的回归系数，参数n反映了疲劳寿命对应力水平的敏感程度。

疲劳性能对比如图4所示。

由图4可知：

(a) 应力比-疲劳寿命

(1) 4种沥青混合料的疲劳寿命随着应力比和应力幅值的增加呈下降趋势，且两者均在双对数坐标系下拟合效果良好，相关性指数均大于0.9。

(2) 在相同的应力比或应力幅值条件下，改性冷再生混合料的疲劳性能比普通冷再生混合料提升效果显著。应力比敏感程度的参数斜率n由-6.663升至-4.671，表明SBR有效降低冷再生沥青混合料对应力的敏感程度，改善其耐久性能。

(3) 消除混合料本身强度对抗疲劳性能的影响，改性沥青冷再生混合料的应力比-疲劳寿命方程与AC-20和Sup-20非常接近，斜率n和截距k差距较小，说明在相同的应力比条件下，改性乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能与热再生沥青混合料差距较小。普通乳化沥青冷再生混合料与热再生沥青混合料的应力比-疲劳寿命方程在应力比为0.22处相交，这表明在低应力比条件下，普通乳化沥青冷再生混合料表现出更好的抗疲劳性能。

(4) 虽然改性乳化沥青冷再生混合料抗裂强度较未改性之前提高了约30%，但其强度与热再生沥青混合料相比仍存在一定差距。在相同的应力幅值条件下，AC-20和Sup-20的疲劳寿命显著高于冷再生沥青混合料，但是改性乳化沥青冷再生混合料对应力的敏感程度降低，疲劳寿命的差距并未随着应力的增大继续扩大。

4 结论

本文对改性乳化沥青冷再生混合料的路用性能进行了全面研究，从高温性能、中低温抗裂性能和疲劳性能3个角度，将改性乳化沥青冷再生混合料与普通乳化沥青冷再生混合料进行对比，并且与两种中面层常用的热再生沥青混合料进行性能对比，得到如下结论。

(1) 采用基于实际路面状况的多序列局部动态蠕变试验分析混合料的高温性能，发现MCEAM与AC-20、Sup-20热拌沥青混合料的复合蠕变速率均为2.2～2.4 με/次，远小于普通乳化沥青的3.52 με/次，改性乳化沥青冷再生混合料具有良好的抗车辙性能。

(2) 从强度和能量两个角度发现添加SBR后的乳化沥青冷再生混合料的中低温抗裂强度显著提升；与热再生沥青混合料相比，MCEAM的中低温抗裂性能仍存在差距。

(3) 4种沥青混合料在应力比-疲劳寿命和应力幅值-疲劳寿命的双对数坐标系中均表现出良好的线性关系；SBR有效降低冷再生沥青混合料对应力的敏感程度，改善其耐久性能。

综合来看，SBR改性后的乳化沥青冷再生混合料在高温性能、中低温抗裂性能和疲劳性能方面全面提升，高温性能达到热拌沥青混合料的水平，疲劳性能在相同的应力比下表现优良，但是在中低温抗裂方面和热拌沥青混合料存在一定差距。然而，对于高速公路中面层，所受的弯拉应力较小，病害主要为高温下的竖向变形，改性乳化沥青冷再生混合料的综合性能表现可以为高速公路中面层材料的应用提供科学参考。