高掺量冷再生沥青混合料对交通荷载和环境条件的响应分析

陈攀 高奥东 许斌 张泽

[1.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071799；2.中路高科（北京）公路技术有限公司，北京 100000]

一、背景

目前，我国的公路网正从大规模施工阶段过渡到养护维护阶段，可以考虑将沥青混合料的回收与再生利用作为旧沥青混凝土路面修复的解决途径。在沥青混凝土路面施工过程中，冷拌再生因无需加热，避免了沥青燃烧造成的污染问题。尽管冷再生混合料固化需要时间，其性能也略低于热再生混合料，但由于可以降低能耗损失、污染排放、运输成本，使得冷再生混合料用于再生沥青路面（RAP）具有较高的经济利益。

目前，行业内尚无国际通用的冷再生沥青混合料设计方法。将冷再生沥青混合料应用于轻型和中型交通时，其面层冷拌方法通常需要采用封层或热沥青混凝土覆盖层作为表面保护层；用作基层时，则适用于各种交通类型的道路中。由于掺拌乳化剂的冷再生混合料技术首先需用水将集料预湿，然后添加一定量的乳化剂，并在常温（23℃～25℃）下完成混合料的生产拌和、摊铺和压实。因此，在生产过程中既不需要加热沥青乳液，也不需要加热集料。

本文通过研究冷再生混合料的性能，提出了最佳预混合水量和最佳乳液含量的配合比设计步骤，并通过间接拉伸强度、抗车辙和水敏感性3种试验，对再生混合料的性能进行了评价。

二、材料特性

（一）集料

该项目中使用的新集料的物理特性如表1所示。普通硅酸盐水泥（OPC）通常在冷再生混合料中用作填料，以提供更好的黏结性，它能够随着时间的推移提高混合料的力学性能。普通硅酸盐水泥的性能如表2所示。

表1 新集料的物理性能

表2 普通硅酸盐水泥的物理化学性质

（二）旧路沥青混合料

本文从旧路面中回收旧路沥青混合料，并根据ASTM D 2172的沥青回收试验进行旧沥青回收，结果表明其沥青的含量为3.97%。由于RAP的比表面积远小于新集料的比表面积，这影响了RAP与新集料的结合。因此，在充分破碎RAP的情况下，添加新骨料和填料可减少RAP的聚集，并可通过改善RAP与新骨料之间的黏结来提高冷再生沥青混合料的强度。

（三）乳化沥青

乳化沥青是阳离子低黏度慢速固化剂（CSS-1），非常适合冷再生沥青混合料的设计。因此，本文采用的乳化沥青类型是阳离子慢凝型。

三、冷再生混合料级配

本文采用的冷再生沥青混合料的配合比如表3所示。

表3 冷再生沥青混合料配合比

估算初始沥青残留量如式（1）所示。

式中P为初始残余沥青含量占总混合物质量的百分比（%）；A为未通过2.36mm筛孔的矿物集料百分比（%）；B为通过2.36mm筛孔且未通过0.075mm筛孔的集料的百分比（%）；C为通过0.075mm筛孔的矿物集料百分比（%）。

RAP中沥青的含量如式（2）所示。

式中，r为新集料在冷再生沥青混合料中所占的百分比；Psb为RAP中沥青的含量。

根据计算可知，本文所采用的最佳预湿水为骨料重量的3.0%，最佳残余沥青含量为骨料重量的6.0%，RAP含量为90%。通过将RAP和新骨料按比例混合，最终形成混合料；然后将混合的骨料用水预湿，并再次进行均匀混合。随后，添加优选的乳化沥青并进一步拌和5分钟，直到乳化沥青在常温下均匀地包裹在骨料上。最后，在马歇尔模具中压实混合料。在对样品进行压实时，应采用双面锤击75次。压实后，将试样在常温下的模具中养护一天，然后将其取出放入40℃的环境中固化。

四、间接拉伸强度试验

间接拉伸强度试验用于研究沥青混凝土的拉伸特性，可以用于表征路面的开裂特性。根据ASTM D 6931，间接拉伸强度试验还可以帮助确定水泥乳化沥青混合料（cement asphalt emulsion mixture,简称CAEM）的强度特性。在冷再生沥青混合料固化步骤中的主要变化是水分从CAEM混合料中蒸发或流失，因此，通过在1天、7天、14天和28天连续测量其重量，可以监测CAEM中的水分流失情况，如图1所示。试验结果表明，CAEM混合料的力学性能随混合料中的水分蒸发或流失而不断提高。结果还表明，水泥对CAEM混合料的力学性能方面起到了积极的作用，尤其是在早期阶段。

五、抗水损坏试验

本文采用AASHTO T283中所示的方法来研究饱和度和动水压力对CAEM混合料的性能影响。结果表明，RAP含量的增加提高了冷再生沥青混合料的间接抗拉强度。这是由于水在硅酸盐水泥水化过程中起到了固化的作用。水化是一个连续的过程，当用足够的水进行水泥固化时，水泥可以获得完全水化所需的所有水，从而获得更高的强度。

六、抗车辙性能试验

本文采用BS EN 12697-22:2003中车辙实验的方法，使用车轮跟踪装置，通过车辙深度计算永久变形，用以研究高温下的路面抗车辙性能。试验过程中以每分钟26次的速度施加700N的总载荷，并在试验结束时记录总车辙深度。AASHTO T-324采用的试验温度为40℃和60℃。试验结果显示，随着养护时间的增加，车辙深度在逐渐减小。

七、结语

冷再生沥青混合料的强度随着养护时间的延长而增加。在RAP中使用一定比例的沥青，并使用水泥作为填料，可减少水分对混合料的破坏。间接抗拉强度试验结果表明，在冷拌沥青混合料中加入硅酸盐水泥可提高其抗拉强度，并降低其空隙率。车辙试验结果表明，在重载和高温条件下，冷再生沥青混合料的永久变形有所改善。因此，将冷再生混合料用于RAP，具有较高的综合效益。