路用乳化沥青冷再生混合料最佳合成级配设计研究

陈文¹、李莹璐²

(水电水利规划设计总院有限公司，北京 100020）

0 引言

乳化沥青冷再生技术有助于提高原有道路品质，消除路面病害，减少反射裂缝，并具备良好的经济、环保效益。在“双碳”目标背景下，乳化沥青冷再生技术能有效实现良好的资源重复利用，符合绿色循环经济的发展目标。但实际应用工程中，冷再生混合料常出现施工和易性不好，早期强度形成慢，后期服役性能差等诸多难题。该文结合乳化沥青冷再生技术现状，对路用乳化沥青冷再生混合料最佳合成级配设计进行了研究。

1 原材料技术分析

1.1 RAP 集料性能分析

1.1.1 粗、细集料基本性能试验

选取同一条路同一批次铣刨料的粗集料、细集料，各项主要指标如表1 所示[1-3]。

表1 冷再生RAP 集料基本性能

1.1.2 沥青含量检测

采用抽提仪进行离心分离实验测定旧料沥青含量，再用旋转蒸馏实验法回收沥青，测该批次铣刨料沥青含量在3.5%～3.8% 之间，平均沥青含量为3.6%。

1.1.3 含水量测定

含水量会随着储存环境与时间的变化而变化。若试验持续时间长则隔一段时间进行跟踪监测，调整最佳含水量；试验通过烘箱前后质量差异测定RAP平均含水量为1.2%。

1.2 添加料的选择与要求

新集料指标分粗细三档料如下：新1#料（20～25mm）、新2#料（15～20mm）、新6#料（0～4.75mm）。研究采用矿粉0.3mm 筛孔通过率为100%，表观密度2.688，采用42.5 标号的普通硅酸盐水泥。乳化沥青技术标准参照《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）（简称《再生规范》）规定[4-5]。

1.3 矿料级配分析

对铣刨料中零星杂料及大于26.5 的石块进行剔除，用四分法取样分析，旧料与其他新料等矿料分为不同档次：粗铣刨料（9.5～26.5mm）、细铣刨料（0～9.5mm）、新1#料（20～25mm）、新2#料（15～20mm）、新6#料（0～4.75mm）以及水泥、矿粉[6]。

2 初拟级配

结合旧料级配分析，为充分利用旧料，对照再生规范设计级配，按照AC-20 中粒式级配要求设计；分别考虑RAP 材料抽提前后的筛分结果，初步选择三个级配：其中级配1 不考虑RAP 料抽提筛分结果，级配2 同时考虑RAP 料抽提和不抽提的筛分结果，级配3 只考虑RAP 的抽提筛分级配。旧料利用率皆为75%，各级配每档料的掺配比例及合成级配分别见表2 和图1[7]。

图1 三种级配曲线图

表2 各级配矿料比例

由合成级配曲线图可以看出，设计的三组级配都在工程技术要求范围内，且级配曲线基本沿着工程要求，级配中值趋势形成圆滑曲线，符合常规应用级配技术要求。但各级配对RAP 考虑抽提筛分方式不同，混合料材料组成比例有所区别。

3 最佳含水率确定

参照再生规范及大量试验对比分析，研究以“总含水率=乳化沥青中的水+外加水+旧料含水”来控制冷再生混合料流体含量。

将乳化沥青含量定为4.0%，分别以0.5 个百分点变化外掺水量2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5% 来进行试验，分别采用重型击实法进行最佳含水率试验，并绘制曲线，图2 中最大干密度对应的含水量即最佳含水率OWC。级配1、2、3 对RAP 考虑抽提筛分方式不同，调整级配设计时添加新料也不同，合成级配的差异也导致最佳含水率有所不同，三种级配拟定旧料掺量皆为75%，而旧料含水率经检测取平均值1.2%，乳化沥青中的水占35%，则对应外掺水量与实际含水率关系[8]：

图2 三种级配外加水量与干密度关系曲线图

实际含水率=外掺水率+75%×1.2%×100+4%×35%×100。

经试验分析，级配调整的差异也会影响最大干密度与最佳外掺水量。三种级配外掺水量与干密度分别为：级配1 最大干密度为2.239g/cm3，最佳含水率为5.30%；级配2 最大干密度为2.231g/cm3，最佳含水率为5.80%；级配3 最大干密度为2.198g/cm3，最佳含水率为6.30%。

4 最佳乳化沥青用量确定

参照再生规范采用的马歇尔设计方法，各级配保持最佳含水率不变，拟定4%的乳化沥青用量为基准，以0.5%的间隔上下浮动变化乳化沥青含量，分组成型再生混合料马歇尔试件（先击实50 次，60℃养护48h 后再击实25 次，然后侧放在地面上，室温冷却12h后脱模），级配1、2、3 分别以各自的最佳含水率不变来控制外掺水量，以试件空隙率、15℃劈裂强度指标来确定相应的最佳乳化沥青用量。经试验分析，三组级配在不同最佳含水率条件下的最佳乳化沥青含量均在4.5%左右，但级配3 的空隙率明显大于级配1 和级配2，虽然级配1 混合料密实度与级配2 相近，但强度指标却比级配2 要小，故综合空隙率与强度指标，级配2 较优[9]。

5 各级配下路用性能验证

由以上试验结果可得出各级配的配合比，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），分别就各级配相应配比下进行路用性能验证，考虑到冷再生的应用层次，研究通过冻融劈裂试验验证再生混合料的水稳定性能、车辙试验验证高温抗车辙能力、小梁弯曲试验验证低温抗裂性能。验证结果见表3-5[10]。

表3 冻融劈裂试验结果（双面击实50 次）

表4 高温车辙试验结果

表5 小梁弯曲试验结果

6 结论

第一，级配1 混合料在配合比设计时，只考虑了RAP 材料未抽提情况下的级配，并没有考虑其抽提以后的级配，导致混合料整体偏细，缺乏粗集料的骨架支撑，高温性能偏差，动稳定度＜2000（次/mm），虽然其水稳定性能较好，低温性能也能满足要求，但在高温及重交通情况下，容易出现车辙。

第二，级配2 混合料在进行配合比设计时，综合考虑了RAP 材料未抽提情况下的级配，整体骨料组成协调，抗高温能力强，水稳定性能较好，低温抗裂性能优良，符合高性能乳化沥青冷再生混合料组成，满足各类轻重交通应用需要。

第三，级配3 混合料在进行配合比设计时，只考虑了RAP 材料抽提情况下的级配，而抽提后集料偏细，在加入粗集料调整的情况下，整体骨料偏粗，容易造成松散、离析。

虽然因自身骨料支撑能力的影响，高温性能勉强满足要求，但其水稳定性、低温性能都较差，在多雨、重交路况下易造成水损坏及开裂等病害。

综合分析，在冷再生混合料级配合成设计时，必须对级配进行验证与调整，因为再生混合料的特殊性，仅考虑空隙率、强度、水稳定性等指标是不够的，还应该对高温抗车辙能力、低温抗裂性能提出要求，避免早期强度满足但后期服役时容易出现车辙与裂缝的情况发生。