冷再生瀝青路面舊料性能評價

夏澤沛

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川　成都　610017)

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冷再生瀝青路面舊料性能評價

夏澤沛

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川成都610017)

摘要：為了評價瀝青路面冷再生工藝中使用的舊料性能，文章從舊料級配、瀝青含量及性能、含水量、殘余強度等方面對冷再生工藝中使用的舊銑刨料性能進行了系統研究。結果表明：舊料中細料含量由于瀝青粘結等原因含量較低，瀝青含量顯著下降；舊料中含水量較高達到2.5%；舊料有一定的粘結強度，但低于熱再生的混合料強度；舊料顆粒團的劈裂強度相對較低，為0.62 MPa。

關鍵詞：道路工程；再生瀝青路面；冷再生；性能評價；三軸剪切試驗

0引言

瀝青路面以其良好的連續性，行駛平穩舒適，噪聲小，維修方便等優點，在我國高等級公路中等到了廣泛的應用。隨著通車里程的增加，目前很多瀝青路面已陸續進入大、中修期。按照瀝青路面設計壽命15～20年算，從現在起全國每年有10%的瀝青路面需要翻修，舊瀝青層的廢棄量將達到每年200萬噸之

巨。如能加以利用，每年可節省材料費3億元以上。而這個數字是以每年15%的速度增長的，10年以后，瀝青路面大、中修產生的舊瀝青混合料每年將超過1 000萬噸，屆時再生利用每年將可節約材料費15億元。為了妥善利用這些舊瀝青混合料，再生技術的推廣應用是大勢所趨。因此，隨著路面養護市場的逐步擴大，再生技術將得到越來越廣泛的應用[1-2]。

瀝青路面再生技術是將原有的路面材料，以不同方式加以再生或重復使用的一種路面養護維修技術。按照不同的工藝，可以分為熱再生技術和冷再生技術。熱再生技術包括就地熱再生和廠拌熱再生，冷再生技術包括廠拌冷再生和就地冷再生[3]。

經過長期使用的瀝青路面，當對其進行養護維修時，需對舊瀝青路面進行回收，目前常用的回收方式為挖除和銑刨[4]。挖除所獲得的舊料能最大限度地保留舊料的各種性能，特別是對舊料原有級配的影響較小，但挖除時對路面標高及平整度的控制較難。目前大規模維修工程中，最常使用的舊料回收方式是銑刨，銑刨工藝可以較好地控制銑刨量和舊路標高。銑刨工藝雖然施工速度快，舊路標高控制精確，但由于銑刨過程中，銑刨機的機械切削對舊路中的集料會產生很大的沖擊，因此銑刨后的混合料級配會與原路面的級配產生很大的變化。同時，公路等級、使用年限、最初使用的原材料性質、銑刨方式等均會影響殘留的性能，因此在對舊料進行再生利用前，必須對舊料的基本性能進行研究[5-7]。本文主要從舊料級配、瀝青含量及性能、含水量、殘余強度等方面對冷再生工藝中使用的舊銑刨料性能進行了系統研究。

1舊料級配變化

此次的研究是采用冷再生技術，經過銑刨破碎的舊混合料成分比較復雜，包括粗集料、細集料和老化的瀝青塊等，其中集料是被瀝青裹附而成塊狀。在實際冷再生應用中，舊瀝青是作為黑石頭，和原有材料作為整體考慮，忽略其瀝青的含量及性質。

首先需要對銑刨破碎的舊混合料進行原始狀態的分析。銑刨破碎的舊混合料最大粒徑一般在30 mm以下，對于未徹底粉碎的混合料，應該人工粉碎或剔除。由于舊料中舊瀝青的存在，因此不能在高溫下對瀝青進行烘干，高溫會使舊料中的瀝青軟化、松散而影響其級配。為了將RAP的級配變異性控制到最小，首先將RAP篩分為三檔，以16 mm和2.36 mm篩孔為界，將篩分好的三檔RAP按照四分法取樣，在40 ℃通風烘箱內烘干至恒重，按照規范要求篩分。銑刨料由于瀝青的裹附作用，改變了其實際級配。對銑刨料進行瀝青的抽提，將瀝青裹附的礦粉等重新釋放出來。同時將由瀝青粘附的破碎集料重新恢復原來的級配。對比銑刨料的級配以及抽提后的級配，其通過率曲線如圖1所示。

圖1　抽提前后級配對比曲線圖

從圖1中可以看出，銑刨料在抽提前后的總體級配較為接近，總體表現為單峰形式，峰值出現在粒徑為4.75 mm的顆粒；大量4.75 mm顆粒的產生，一方面與原有級配的構成特點有關，另一方面與銑刨過程中的機械破碎作用有關，大量生成的4.75 mm顆粒有助于后期再生混合料中骨架結構的構成。

同時對比抽提前后的級配曲線可以看出，兩者的主要差別表現在>19 mm和<0.15 mm的顆粒。通過抽提可以發現，舊料中原有的>19 mm顆粒基本消失，而大量生成了<0.15 mm的顆粒。也即在銑刨料中原有的>19 mm的顆粒基本上可以認為是多個不同粒徑顆粒所組成的顆粒團，各顆粒間仍依靠舊瀝青起到粘結作用。而銑刨料中<0.15 mm的顆粒基本上都粘結在各個粒徑的顆粒上，共同組成顆粒團。因此，當使用舊料進行再生利用時，再生混合料的性能不僅取決于所添加的新膠結料，也將在很大程度上取決于舊料顆粒團內的老化膠結料的性能。

2銑刨料中的瀝青含量

取自然晾曬干狀態下的銑刨料，將舊混合料放入60 ℃士5 ℃的烘箱烘干，待舊混合料軟化后將銑刨料破碎，在室內使用瀝青混合料自動抽提儀進行銑刨料抽提試驗，試驗采用的溶劑為常規的三氯乙烯。銑刨料的抽提試驗分為兩步：(1)銑刨料在溶劑三氯乙烯的沖刷下，舊料與瀝青分離，各檔粗細集料留在振動篩上繼續進行篩分試驗，同時進行礦粉質量的測定；(2)對舊瀝青與三氯乙烯的混合溶液進行蒸餾實驗，通過高溫蒸餾和冷凝回收三氯乙烯同時得到舊瀝青。由于抽提儀有最大的抽提質量限值，故而抽提時每份質量取大約1 kg左右。瀝青含量見表1。

表1　舊料瀝青含量表

由表1可以，舊料中的瀝青含量是較低的，一方面是由于銑刨料中包含了中下面層的混合料，其中的油石比較低，另一方面是由于瀝青路面在長期使用中，由于水分的沖刷作用，造成了部分瀝青的流失。

在冷再生過程中，舊料中的老化瀝青基本處于惰性狀態，在再生過程中，老化瀝青不參與再生混合料的重新膠結過程，因此老化瀝青的性能對冷再生來講并不是很重要。但對老化瀝青性能的測試，有助于對瀝青的老化程度進行評判；同時由于在舊料中存在大量舊料顆粒團，在顆粒團中顆粒的膠結仍主要依靠原有的老化瀝青，因此對瀝青老化程度的評判，也有助于對舊料顆粒團的性能做出基本判斷。

3舊料中的含水量

含水量采用《公路工程集料試驗規程JTG E42-2005》中T0305“粗集料含水率試驗”測定。在進行含水量的測定過程中，取三份舊料進行測定，取平均值。其含水量的數據見表2。均值為2.50%。

表2　銑刨料含水量表

可以看出，舊料中的含水量是較高的，造成舊料含水量較高的原因較多。一方面舊路在長期使用過程中，由于路表的開裂及空隙，造成雨水下滲。另一方面由于銑刨后的舊料通常需要堆放一段時間，由于雨水和空氣濕度的作用，也會造成舊料含水量的增加。工程經驗表明，含水量的增加對于瀝青路面的再生利用，會產生較明顯的負面影響。主要原因是大量水分的存在會使乳化瀝青冷再生時，實際加水量增加，影響再生路面的碾壓效果；同時過大的含水量將導致舊料在堆放時，不同層位的含水量不一致，從而增加再生施工中的變異性。因此，為降低舊料的含水量，瀝青路面的銑刨工作不應在雨天或雨后進行；而對于舊料的存放，也應進行必要的遮蓋，以減少雨水的影響。

4舊料殘余強度研究

舊料來源于原路面的銑刨料，雖然經過了銑刨破碎，但舊料中仍存在大量的瀝青和集料，特別是舊料中的顆粒團，其內部狀態仍然是由瀝青起著膠結作用。所以在舊料中仍保留著部分來源于舊路面的殘余強度，這部分強度的大小及構成特點，直接影響著再生后的混合料性能，因此有必要進行深入的研究。本文采用三軸剪切試驗測試舊料殘余粘聚力，采用劈裂試驗測試舊料顆粒團的強度。

4.1舊料殘余粘聚力的三軸剪切試驗

三軸剪切試驗是一種較為經典的試驗方法，其模擬了材料中一點的受力狀態，與實際路面中的三向受力情況相符合，可以得到混合料的抗剪參數、應力應變特性、抗壓強度、破壞能量等。所用試件是高為150 mm、直徑為100 mm的圓柱體。對舊料分成五組來進行，分別是60 ℃加熱10 h、60 ℃加熱24 h、120 ℃加熱16 h、未加熱的舊料和經抽提后的舊料。每組5 500 g，經過靜壓成型。

參考國外研究經驗，三軸試驗中加載速率取1.27 mm/min，圍壓取68 kPa、136 kPa，因為抽提后的材料中不含瀝青，粘結力c為零，所以只需做一組圍壓即可。所用的三軸剪切試驗裝置如圖2所示。

圖2　三軸剪切試驗裝置圖

經測試，各試件的內部粘聚力和內摩擦角如表3所示。

表3　三軸測試結果表

由上表可知，舊料經抽提后，其混合料中僅剩下各種不同粒徑的集料，由三軸測試結果可以看出，此時各集料間由于沒有了瀝青膜的阻隔，所以具有最大的內摩擦角，此時的混合料更接近于級配碎石。

而將舊料不經加熱直接靜壓成型試件的三軸試驗結果可以看出，其試件內部已經開始具有了一定的粘聚力，此部分粘聚力是由舊集料表面的老化瀝青膜提供的；由于沒有經過加熱，因此老化瀝青膜不能在成型過程中，重新裹附分布，而完全是依靠靜壓成型過程中，顆粒間的擠壓而形成了新的瀝青膜粘結力。雖然此粘結力較新拌瀝青混合料中的粘聚力小得多，但已從跟不上改變了試件的強度構成機理；使其有上面類似級配碎石的松散材料變為一種整體性材料。在國外資料中經常將RAP成為“黑石”，即其性質主要是由集料決定的，殘留的瀝青經是改變了集料的表面顏色，而對性能基本不起作用。有上述試驗結果可以看出，“黑石”的論點并不充分，殘留的瀝青即使在冷再生條件下也可發揮一定量的粘結作用。也即，對于銑刨所獲得的舊料，在再生利用過程中，如果能加強碾壓，使各顆粒間能夠借助舊料表面殘留的老化瀝青膜重新起到粘結作用，將有助于提高再生混合料的強度。

對比表4中的第2組和第3組試驗結果可以看出，低溫加熱對舊料強度的提高作用并不明顯。第4組的試驗結果中，粘聚力明顯增加，可能和長時間加熱后瀝青膜的老化導致黏度提高有一段的關系。第5組試驗中，120 ℃的加熱溫度接近于熱再生時舊料的加熱溫度，可以看出此時試件內部的粘聚力大幅度增加，表明此時舊瀝青經過重新分布和裹附，起到了更好的粘結效果，使試件的整體性進一步提升。因此，從充分發揮和利用舊瀝青殘留的粘結力效果角度來講，熱再生的效果要明顯好于冷再生。

4.2舊料顆粒團強度的測試

由上述已有研究可以看出，在銑刨料中含有大量的舊料顆粒團，當進行冷再生時，舊料顆粒團也是以整體型式存在于再生混合料中。當再生混合料受力時，舊料顆粒團作為一個獨立單元體，其分擔荷載的能力主要來源于顆粒團內部的原有強度；因此舊料顆粒團內殘留強度的大小直接決定了再生混合料的強度。

舊料顆粒團是由舊路面經銑刨而形成的，其顆粒大小不等、形狀各異，目前還沒有較為適宜的方法直接測試其強度，為此本文探索采用了砂漿膠結法。即采用固定配比的水泥砂漿，將不同比例的舊料顆粒團膠結在一起，并測試試件的劈裂強度，依據強度測試結果外推，以水泥砂漿量為零時的強度來表征舊料顆粒團的強度。

試驗中按水∶水泥∶砂=1∶2∶3比例配置水泥砂漿，銑刨料只取2.36～16 mm粒徑。分別按重量比，砂漿∶舊料=100∶0、70∶30、60∶40、50∶50制作馬歇爾試件，試件振搗成型。試件首先在室溫下養生2 d(第一天脫模，對試件影響較大)，每隔一段時間灑水潮濕養護。脫模后，放在水泥混凝土養護室養護3 d。第五天測試件強度。強度測試結果如圖3所示。

圖3　水泥砂漿舊料顆粒團的強度曲線圖

由圖3可以看出，雖然由于舊料顆粒團具有較明顯的離散性，所以導致試驗結果的回歸相關性并不高，但仍可以看出，隨著砂漿比例的提高，試件的強度明顯提高，也即試件的強度隨舊料顆粒團含量的提高而下降。將回歸曲線外推，可以獲得當水泥摻量為零時，試件顆粒團的劈裂強度為0.62 MPa。可以看出，按此方法所確定的顆粒團的強度雖然較低，但與現行規范中冷再生混合料的劈裂強度較為接近；這在一定程度上表明了現行規范中對冷再生混合料確定的規定是有一定依據的。由冷再生混合料中舊料顆粒團的比表面積所占比例和強度的測試結果可以看出，由于在冷再生混合料中，舊料顆粒團的強度偏低而所占比例又偏高，因此冷再生混合料的強度不可能很高，也就不能對冷再生材料的強度提出過高要求。由于冷再生混合料是由舊料顆粒團構成，因此其強度構成明顯不同于傳統的道路工程材料；舊料顆粒團的固有強度在很大程度上限制了冷再生混合料的強度。

5結語

(1)對于舊料，其細料部分由于瀝青的粘結等原因，其細料含量偏少，在進行級配設計時需要加入新的細集料作為細料的補充。在級配設計時，因瀝青的裹附，其級配與設計級配有很大的差別，因此設計級配時要充分考慮級配的骨架結構。

(2)舊料中瀝青含量下降，含水量較高。

(3)三軸試驗研究表明，即使在常溫下，通過適當的壓實，RAP中的老化瀝青仍可以起到粘結作用，從而有助于提高再生混合料的性能；但其粘結強度，遠低于熱再生效果。

(4)冷再生混合料中RAP顆粒團所占比例較高，同時室內模擬試驗表明，RAP顆粒團的強度降低，這在很大程度上限制了再生混合料的總體強度。

綜上對于冷再生技術來講，重要的不是對其強度提出過高的要求，而是針對其強度構成特性，獲取優良的綜合性能，同時根據其性能特點進行針對性的結構設計。

參考文獻

[1]楊建明，楊仕教，熊韶峰，等.舊瀝青路面再生研究的現狀與工藝[J].南華大學學報：理工版，2003(1)：11-15.

[2]倪小軍，陳仕周，凌天清.瀝青路面再生利用技術綜述[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2004(5)：39-42.

[3]拾方治，孫大權，呂偉民.瀝青路面再生技術簡介[J].石油瀝青，2004(5)：56-59.

[4]張建，肖維，黃曉明.瀝青路面再生中舊瀝青的回收與再生研究[J].湖南交通科技，2006(4)：11-13.

[5]郝合瑞.舊瀝青路面材料冷再生技術研究[D].西安：長安大學，2004.

[6]王欣，何文鋒，劉先淼.舊瀝青路面混合料檢測及其性能評價[J].廣東公路交通，2003(3)：1-4.

[7]李艷春，陳朝霞，閻峰，等.舊路面材料的冷再生利用及力學性能分析[J].公路交通科技，2001(5)：15-16.

Performance Evaluation for Old Materials of Cold Reclaimed Asphalt Pavement

XIA Ze-pei

(Sichuan Communication Surveying and Design Institute，Chengdu，Sichuan，610017)

Abstract：To evaluate the properties of old materials used in asphalt pavement cold-regeneration process，the article conducted the systematical study on the properties of old milling material used in cold regeneration process from the aspects of old material gradation，asphalt content and properties，moisture content，and residual strength.The results showed that：the fine aggregate content in old mate-rials is low due to the asphalt binding and other reasons，and the asphalt content decreases significantly；the moisture content in old materials is high up to 2.5%；the old material has a certain bonding strength，but lower than the strength of hot-regeneration mixtures；the splitting strength of old material particle group is relatively low at 0.62 MPa.

Keywords：Road engineering；RAP；Cold regeneration；Performance evaluation；Triaxial shear test

收稿日期：2015-12-12

文章編號：1673-4874(2016)01-0018-06

中圖分類號：U414

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.005

作者簡介

夏澤沛(1963—)，高級工程師，主要從事監理及技術質量管理工作。