乳化沥青冷再生混合料配比设计方法优化分析

2022-12-19■梁刚

福建交通科技 2022年9期

■梁刚

（山西省公路局临汾分局，临汾 041000）

随着我国经济总量不断扩大，能源需求与消耗逐年攀升，环境污染问题日益凸显，资源环境成为各行各业关注的焦点问题。公路交通长期消耗大量国家能源，公路交通行业的可持续发展势必顺应绿色发展理念，务必处理好资源利用、生态安全与公路交通发展的关系。乳化沥青冷再生技术是将旧路面铣刨、翻挖、回收得到的RAP 进行二次破碎、筛分，再按一定比例掺加乳化沥青、新集料和水，经拌和、摊铺和碾压等工艺，得到满足一定路用性能的技术[1]。

近年来，大量学者对乳化沥青冷再生混合料的成型、设计方法及其性能做了相关研究并取得了相应成果[3-7]，谢宝山[8]研究了不同水泥用量及掺和顺序对混合料的早期性能影响，发现水泥用量较低时，水泥用量与混合料的劈裂强度、高温稳定性及水稳定性呈正相关性；先掺沥青后掺水泥将抑制混合料的早期强度，但对其水稳定性具有一定促进作用；王志刚[1]通过加速加载、SCB 以及间接拉伸疲劳试验研究了冷再生混合料掺入纤维后的抗裂性及抗剪切变形能力，同时利用SEM 试验分析了混合料破坏界面的细微观形貌，分析了纤维对其路用性能的影响机理，并对所用纤维的掺量进行了推荐。总而言之，对于乳化沥青冷再生技术，大量学者已对乳化沥青掺量、水泥掺量及其掺和顺序，或纤维等改性后的混合料的各项性能都进行了较为全面的分析与评价。但随着国内乳化沥青冷再生技术的日渐成熟、应用范围不断拓宽以及工程实例的增加，原土工击实法结合马歇尔击实法的设计方法较难满足对混合料配比设计要求。故本文依托山西省临汾市国省道路面改造项目，结合山西省临夏线改造工程的实际情况，分别采用Superpave 设计法和马歇尔设计法对混合料的配比设计方法进行了分析，并总结提出适用于本次干线公路改造工程的击实体积校验综合设计方法。

1 配比方法优化设计

依成型方式不同，乳化沥青冷再生混合料的设计方法包括马歇尔设计方法和旋转压实设计方法[9]。本节将对比分析不同设计过程中存在的差异性以及关键参数的影响，设计出一套更适用、更精准的配比优化方案。

1.1 现行设计方法研究

马歇尔试验法考虑了混合料的密实度和空隙特性，通过调控两者性质以获得具有良好耐久性能的混合料。此外，马歇尔试验方法其试验检测仪器简便易携，容易操作，但该试验方法中击实成型的原理不能很好地模拟实体工程应用中在搓揉压实作用下形成的路面压实情况，故其稳定度指标并不够充分。马歇尔试件在成型的过程中存在较明显的集料破碎现象。为探究集料的破碎情况及查验试件成型效果，采用扫描电子显微镜观察马歇尔试件剖面的形貌，分析试件内部集料的破损情况，观测结果如图1 所示。

图1 试件剖面形貌像

从图1 可看出，沥青与集料直接的粘结状况良好，但RAP 破碎现象严重，混合料级配细化，不能真实反映混合料的再生效果。此外，其成型得到的试件上下两面的集料也表现出较为明显的松散破损现象，如图2 所示。

图2 试件松散效果图

为探究采用2 种不同设计方法得到的混合料强度的差异，研究对掺量不同的4 种乳化沥青冷再生混合料，在相同试验条件下对比试件的干劈强度和浸水劈裂强度（湿劈强度），试验结果如图3、4所示。

图3 25℃干劈强度比较

从图3、4 可见，不同乳化沥青用量下，旋转压实设计方法下成型的试件的干劈强度、湿劈强度均更优异；由图3 可知，采用旋转压实设计方法其试件干劈强度变化更明显，且其对乳化沥青用量的变化更为敏感，有利于确定混合料的最佳沥青用量。

图4 25℃湿劈强度比较

不同国家和机构对最大的密实度和强度、最佳的沥青裹附状态以及混合料的最佳施工和易性等的要求不同，确定最佳含水率的方法也不同。以沥青最佳裹附状态以及施工和易性作为主要因素依赖于经验性的判断，指标难以量化且具有较强的主观性；最大密实度为可量化的评价指标，有别于主观判断，在实际应用中更加可靠。目前可通过最佳流体含量和最佳含水率2 种方法确定最大干密度，前者是将设计及控制过程中乳化沥青、外加水以及矿料中的水的总和定义为总流体含量；而后者则将设计及控制过程中乳化沥青中的水、外加水以及矿料中的水的总和定义为总含水率。对比2 种设计方法，前者强化了乳化沥青润滑作用，而后者忽略了乳化沥青润滑作用。而单从混合料拌和过程中干湿效果来看，乳化沥青微粒对混合料的润滑作用不如水优异。

1.2 配比设计优化

结合现行再生规范设计流程，同时考虑到乳化沥青微粒的影响，对原设计流程进行改进，通过预估—验证的方式确定混合料的最佳含水量。先通过JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的设计流程确定最佳乳化沥青用量，并以此为基础，进一步通过改变含水量测试混合料的劈裂强度，根据强度测试结果确定最佳含水量，将该最佳含水量与土工击实确定的最佳含水量对比，若差值不超过±1%，则认为该配比设计准确。若超出该范围，则在此基础上，通过改变乳化沥青用量重新确定最佳用量，然后改变含水量再次进行试验，直至两次试验含水量结果的差值不超过±1%。在优化设计过程中，考虑水的润滑作用以及乳化沥青微粒对混合料的影响，分析了马歇尔法和Superpave 体积设计法的优点，提出了乳化沥青冷再生混合料设计的击实体积校验综合设计法，具体试验流程如图5 所示。

图5 改进的配合比设计流程

2 原材料及配合比设计

根据优化后的配比设计方法，通过室内试验验证该设计方法的可行性。

2.1 原材料

2.1.1 RAP

RAP 是采用WIRTGEN-W 205 铣刨机从山西省临夏线旧沥青路面铣刨得到。由于铣刨得到的RAP 存在超粒径情况，故采用小型鄂破机对粒径大于19 mm 的RAP 进行二次破碎。破碎后的RAP 筛分结果如表1 所示。

表1 RAP 筛分结果

2.1.2 矿粉、水泥和水

本文所用矿粉的表观密度为2.722 g/cm3，亲水系数为0.63，含水量为0.1%，均符合规范要求；所用水泥为威迪牌PC42.5 水泥，其基本物理特性如表2所示；水为洁净的自来水。

表2 水泥基本物理特性

2.1.3 乳化沥青

采用乳化沥青为非改性慢裂阳离子型，基本物理特性如表3 所示。

表3 乳化沥青基本物理特性

2.2 配合比设计

2.2.1 级配设计

根据规范设计要求，同时提高铣刨料利用率，通过调整各原材掺量得到初拟级配，初拟级配为RAP10～20 mm∶RAP0～10 mm∶矿粉∶水泥=30%∶65%∶3.5%∶1.5%，级配曲线如图6 所示。

图6 级配曲线图

2.2.2 击实试验

对上述所得级配，通过土工击实法预估最佳含水量，击实试验结果如图7 所示，确定了该配比下的最佳含水率为3.7%。

图7 击实试验结果

2.2.3 乳化沥青用量

由于土工击实法得到的预估最佳含水率为3.7%，故选用不同用量比例的乳化沥青和预拌水量进行组合并成型标准马歇尔试件，乳化沥青用量以及预掺水量均通过旋转压实法确定，成型旋转次数为30 r。排除流体含量与铣刨料配伍性较差的组合，以土工击实法预测的最佳含水量为基础，按1.0%等梯度改变乳化沥青用量，确定了4 个组合方案，试验结果如表4 所示，劈裂强度和空隙率的变化如图8 所示。

表4 各方案试验结果

图8 劈裂强度及空隙率变化图

根据以上所得结果，采用旋转压实法进行配合比设计时，以3.2%±0.2%的沥青用量作为最佳沥青用量进行配合比设计，再生混合料劈裂强度约为0.81 MPa（15℃），空隙率约为9.8%，均满足乳化沥青冷再生混合料设计要求。

2.2.4 最佳乳化沥青用量及最佳含水量验证

最佳乳化沥青用量确定后，通过密度试验以及15℃劈裂强度试验，对最佳预掺水量进行验证。通过试拌小样，采用1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%等不同预掺水量进行试验，试验结果如图9 所示。

图9 外掺水量对劈裂强度和空隙率影响图

据图9 所示，当该级配设计的乳化沥青用量为3.2%（外掺）时，混合料可获得最佳的15℃劈裂强度，相应的外掺水量为2.5%，总含水量为3.62%，满足预估最佳含水量3.7%±1.0%的要求，且混合料的15℃劈裂强度为0.89 MPa 以及空隙率为10.35%，均满足设计要求。

通过配比设计及验证，确定了最佳配合比为RAP10～20mm∶RAP0～10mm∶矿粉∶水泥=30%∶65%∶3.5%∶1.5%，乳化沥青的用量为3.2%±0.2%，预掺水量2.5%±0.5%（外掺）。

3 混合料性能评价

为检验该设计方法是否合理，通过再生混合料的性能试验来评价该级配设计法。

3.1 混合料早期性能评价

乳化沥青再生混合料在压实后不久，其粘结力较低，集料间的嵌挤作用和摩擦力较低，采用修正的肯塔堡飞散试验对混合料的初期抗松散性进行评价，试验结果表明，试件损失质量的平均值约6.7%。以相同的材料采用马歇尔击实法成型试件，试件在初期养生条件下脱模时就存在松散现象，进行肯塔堡飞散试验时试件质量损失严重，说明了击实体积校验综合设计法在试件抗松散性能上的优越性。