水泥改性冷再生沥青混合料设计与耐久性试验

代 科，潘 瑞

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

随着我国道路基础工程的飞快发展，目前绝大多数道路已经进入改扩建阶段，在此阶段势必会产生大量废弃路面材料[1-2]。为了保护环境和节约工程造价，应该合理利用这些旧路面材料。我国大多采用半刚性路面基层，这种基层虽具有较高的强度和承载力[3]，但由于采用水泥稳定碎石等水硬性材料，势必造成其收缩能力差，易产生反射裂缝等[4]。此外，工程试验和相关研究显示，半刚性基层抗水损害能力不足，渗水性很差[5]。因此，本文拟以水泥作为稳定剂来制备水泥改性冷再生沥青混合料，并将其应用于路面基层，期望可以改善半刚性基层的抗裂性能及长期耐久性，同时对于旧沥青混合料（RAP）的再利用也具有很大的经济社会效益[6]。

1 原材料性能检测

1.1 水泥

本试验所用水泥为绿杨牌P·O42.5 水泥，经检测，其性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），检测结果见表1。

表1 水泥性能检测结果

1.2 旧沥青混合料（RAP）

本试验所用的旧沥青混合料是将城市道路改扩建过程中产生的废弃路面材料，经上中下面层同时铣刨后得到的。经测量，旧沥青混合料（废旧沥青路面铣刨所得材料，需对该材料的油石比和级配进行分析）的油石比为4.4%。对抽提后的旧沥青混合料进行筛分试验，结果见表2。由表2 可知，旧沥青混合料整体级配通过率偏高，骨料出现细化现象，必须添加适量粗骨料来完善骨架结构。

表2 旧沥青混合料筛分结果

1.3 新集料

采用1#（20～30 mm）、2#（10～20 mm）、3#（5～10 mm）3 档石灰岩集料来改善混合料级配。各档石灰岩集料通过率见表3。

表3 新集料筛分结果

2 水泥改性再生沥青混合料配合比设计

本研究水泥掺量设置为3%、4%、5%，通过标准击实试验来确定不同旧沥青混合料掺量下的水泥改性冷再生沥青混合料配合比，并采用7 d 无侧限抗压强度来研究不同旧沥青混合料掺量所对应的最佳水泥掺量。

2.1 级配选择

本研究以《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）为设计依据，以混合料级配曲线接近规范中值为原则进行配合比设计。0%、30%、40%、50%旧沥青混合料掺量下的混合料级配见表4。

表4 不同旧沥青混合料掺量下的混合料级配调整

2.2 标准击实试验

按照文献[7]进行标准击实试验。水泥改性冷再生沥青混合料击实试验结果见表5。

由表5 可知，对于RAP 掺量相同、水泥掺量不同的水泥改性冷再生沥青混合料而言，其最佳含水量均随着水泥掺量的增加而增加，这是由于增加了水泥用量，水泥水化所需用水量也必然增加；对于水泥掺量相同、RAP 掺量不同的水泥改性冷再生沥青混合料而言，其最佳含水量随RAP 掺量的增加而减小，这是由于旧沥青混合料中的集料被沥青裹附，集料难以与水分接触，所以混合料最佳含水量随RAP掺量的增加而减小。

表5 水泥改性冷再生沥青混合料标准击实试验结果

另外，在相同RAP 掺量下，水泥改性冷再生沥青混合料的最大干密度随水泥掺量增加而增加；在相同水泥掺量下，其最大干密度随RAP 掺量的增加而降低，原因可能是旧沥青混合料中的旧沥青密度远小于新骨料，随着旧沥青混合料掺量的增加，旧沥青含量增加，新集料含量减小，所以混合料最大干密度随着RAP 掺量的增加而减小。

2.3 无侧限抗压强度测试

现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）规定，中等交通量下，水泥稳定类材料7 d 无侧限抗压强度代表值应大于3 MPa。本研究按照规范相关要求，对水泥掺量和RAP 掺量不同的水泥改性冷再生沥青混合料进行7 d 无侧限抗压强度测试，试验结果见图1。

由图1 可知，无论RAP 掺量多大，水泥改性冷再生沥青混合料的7 d 无侧限抗压强度均随着水泥掺量的增加呈现出一种近乎线性增长的趋势。在中等交通量下，即使水泥掺量为最低的3%，混合料7 d无侧限抗压强度也已满足规范大于3 MPa 的要求。考虑到过多的水泥掺量会增加工程建设成本，也会导致基层材料过度收缩，因此确定水泥的最佳掺量为3%。

图1 不同水泥掺量下，水泥改性冷再生沥青混合料无侧限抗压强度与P AP 掺量的关系

由图1 还可看到，同一水泥掺量下，混合料的7 d无侧限抗压强度随着RAP 掺量的增加呈现先增大后减小的变化趋势。因此，最佳的RAP 掺量为40%。

3 水泥改性冷再生沥青混合料耐久性研究

本文以水稳定系数和冻融强度比为技术指标[8]，采用干湿循环试验和冻融循环试验来研究水泥改性再生沥青混合料的耐久性能。所用试件均养护28 d。

3.1 干湿循环试验

本试验所需试件的制作及成型均按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）严格执行。试件在标准养护室养护28 d 后，以浸水1 d、风干2 d，继续浸水1 d 为1 个干湿循环。如此反复进行5 个干湿循环后，测试其无侧限抗压强度。经过5 个干湿循环试件和未经干湿循环试件的无侧限抗压强度试验结果见表6。

表6 干湿循环试验结果

由表6 可知，随着RAP 掺量增加，干湿循环后试件的无侧限抗压强度先增大后减小，当RAP 掺量为40%时，干湿循环后试件的无侧限抗压强度达到最大值，与试件7 d 无侧限抗压强度变化规律一致。从水稳定性系数角度分析，相比于不掺RAP 的混合料，RAP 的掺加有效提升了混合料的水稳定性，并且RAP 掺量越大，水稳定性的提升效果越明显。

3.2 冻融循环试验

以冻融循环前后试件的无侧限抗压强度比值BDR 作为评价混合料抗冻性能的指标，设置2 组正交试验：（1） 最佳水泥掺量3%，RAP 掺量为0%、30%、40%、50%；（2）最佳RAP 掺量40%，水泥掺量为3%、4%、5%。试验结果见表7、表8。

表7 最佳水泥掺量下冻融循环试验结果

表8 最佳RAP 掺量下冻融循环试验结果

由表7 可知，在控制水泥掺量不变的情况下，当RAP 掺量为0%时，水泥改性冷再生沥青混合料的BDR 值最小，抗冻性能最差；RAP 的掺加在不同程度上改善了水泥改性冷再生沥青混合料的抗冻性能，其中40%掺量RAP 的提升效果最为明显。原因可能是再生沥青混合料中骨料内部空隙被旧沥青填充，并且随着水泥水化的进行，骨料空隙被进一步填充。

由表8 可知，在RAP 掺量不变的情况下，无论是冻融前后，随着水泥掺量的增加，试件的无侧限抗压强度均在不断提升，抗冻性能也在不断增大，说明水泥有助于再生沥青混合料抗冻性能的提升，且水泥掺量越大，对于再生沥青混合料抗冻性能的改善越明显。

4 结语

（1）通过7 d 无侧限抗压强度试验，得到水泥改性冷再生沥青混合料的最佳水泥掺量为3%，最佳RAP 掺量为40%。

（2）RAP 掺量为40%时，水泥改性冷再生沥青混合料的干湿循环无侧限抗压强度达到最大值；RAP的掺加有效提升了水泥改性冷再生沥青混合料的水稳定性，并且RAP 掺量越大，提升效果越明显。

（3）水泥有助于再生沥青混合料抗冻性能的提升，且水泥掺量越大，对于水泥改性冷再生沥青混合料抗冻性能的改善越明显。