就地冷再生技術在高速公路養護工程中的應用研究

楊振海，徐 亞，蔡海泉，王鴻森，朱浩然

（1. 江蘇寧宿徐高速公路有限公司，江蘇 宿遷223814；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京211112；3.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京211112）

1 概 述

隨著我國基礎設施建設的迅猛發展，公路事業逐步從建養護并重進入以養為主的新時期。傳統的銑刨重鋪技術，舊料被大量廢棄，造成了資源浪費，也帶來了嚴重的環境污染。路面再生技術憑借特有的優勢應運而生，其中，就地冷再生技術因其能夠100%循環利用廢料，節約資源，縮短工期，且交通影響小，節省投資等優點，已應用于部分公路的養護工程中。

目前工程案例中絕大部分冷再生技術應用于基層，應用于面層的研究仍較少。本文結合S49 新揚高速公路養護工程，開展就地冷再生技術在瀝青層的應用研究，提出混合料設計的關鍵指標要求，并對路用性能進行驗證，分析其經濟社會效益，為就地冷再生技術在高速公路養護工程中推廣應用提供借鑒和參考。

2 舊路狀況評價及再生方案

2.1 舊路狀況評價

乳化瀝青就地冷再生技術應用于S49 新揚高速新揚方向，試驗段共計3.7 km，原路面采用“4 cm AC-16I+5 cm AC-25I+7 cm AC-25Ⅱ”三層普通瀝青的結構形式，2019 年年平均日交通量達到22 774 veh/d，依據相關規范對交通荷載分級規定，交通荷載等級為重。路面使用性能狀況如下，其中車轍狀況較差，中面層車轍貢獻度為47.06%，同時，漢堡車轍試驗結果顯示中面層混合料高溫性能已經出現衰減，見表1、表2。

表1 原路面使用性能狀況

表2 原路面中面層狀況

2.2 再生方案

基于舊路狀況評價結果，試驗段中面層狀況較差，需處理至中面層。由于就地冷再生施工后混合料密度（約2.15×103kg/m3）較熱拌低，再生層厚度較原面層厚度有所增加，為保持原路面標高一致，因此在養護路段采用先銑刨1 cm 上面層后，再生3 cm AC-16I+5cm AC-25I 后整體加鋪罩面4 cmSMA-13 的方案，再生層作為中面層使用，見圖1。

圖1 就地冷再生路面結構形式

3 混合料設計及性能評價

3.1 原材料性能

原材料主要包括乳化瀝青、RAP 料、水泥、礦粉和水。采用慢裂改性乳化瀝青以提高再生混合料的質量，改性乳化瀝青的技術指標及要求見表3，水泥滿足相應技術標準見表4。

表3 乳化瀝青試驗結果

RAP 料為銑刨料，主要包括：0～9.5 mm 細銑刨料和9.5～26.5 mm 粗銑刨料。無新料添加，各項指標均能滿足要求，水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。RAP、水泥和礦粉篩分結果見表5。

3.2 混合料設計

（1）級配組成

參考相關規范的級配范圍以及工程案例經驗，初選的再生混合料的配合比為粗銑刨料∶細銑刨料∶水泥∶礦粉=35.4%∶60.1%∶1.5%∶3%，合成級配見表6。

表4 水泥基本技術指標

（2）確定最佳含水率、最佳乳化瀝青用量

在級配設計的基礎上，參考《公路瀝青路面再生技術規范》確定再生混合料的最佳含水量及最佳乳化瀝青含量。首先擬定乳化瀝青摻量為4.0%，分別選擇不同的含水量進行拌合試驗，對應的最佳含水率為2.6%，在最佳含水率的基礎上，以預估的瀝青用量為中值，變化不同的乳化瀝青用量，進行空隙率、15℃劈裂強度試驗，結果見圖2、圖3，確定最佳乳化瀝青用量為3.8%。

圖2 拌和試驗結果

表5 原材料篩分試驗結果

表6 合成級配表

圖3 馬歇爾試驗、劈裂試驗結果

（3）性能驗證

在混合料設計的基礎上，對乳化瀝青再生混合料的高溫及抗水損害性能進行驗證，水穩定性采用凍融劈裂試驗、高溫穩定性采用動穩定度試驗分別驗證，結果表明：凍融劈裂強度比能夠滿足要求，抗水損害能力較好；同時，動穩定度達到2 758 次/mm，表明乳化瀝青再生混合料的抗車轍能力較強，能夠用于中面層，見表7。

表7 試驗驗證結果

3.3 路用性能研究

3.3.1 高溫性能

本文研究采用動態蠕變試驗、重復三軸試驗評價再生混合料的高溫性能。

（1）動態蠕變試驗

采用UTM-25 設備進行動態蠕變試驗，溫度為50℃，旋轉壓實30 次成型，試件尺寸為直徑100 mm、高150 mm。考慮到乳化瀝青冷再生混合料的材料性質，采用圍壓為138 kPa，偏應力為700 kPa。試驗結果表明再生混合料的累積應變經歷了較為明顯的三階段，高溫穩定性較好，見表8、圖4。

表8 動態蠕變試驗結果

圖4 動態蠕變試驗結果

（2）重復三軸試驗

采用旋轉壓實30 次成型，試件尺寸為φ100 mm×150 mm，試驗溫度為50℃。為了較好的反映路面的實際工作狀態，分析試件在pc：pa（圍壓：偏應力+ 接觸應力） 為1∶1、1∶2、1∶3 三種應力狀態下的永久變形和回彈模量的變化規律，再生混合料的剪切試驗結果見表9～表11 和圖5，分析結果表明：在不同的應力狀態下，永久變形、回彈模量與圍壓均有較好的線性相關性，同時再生混合料的破壞應力較大且破壞應變較小，具有較優的抗剪切性能。

表9 永久變形與圍壓的相關性

表10 回彈模量與圍壓的相關性

表11 剪切試驗結果

圖5 重復三軸試驗結果

3.3.2 低溫性能

采用低溫彎曲破壞試驗評價再生混合料低溫性能，試驗溫度為-10℃，加載速率為50 mm/min，尺寸符合長250±2 mm、寬30±2 mm 和高35±2 mm。低溫彎曲試驗結果表明：再生混合料的低溫性能表現較好，抗彎拉強度較高，結合國內的研究成果[1]，確定當乳化瀝青冷再生混合料用作瀝青面層時，其破壞應變應不小于2 000 με，見表12。

表12 低溫彎曲試驗結果

3.3.3 力學性能

本文研究采用勁度模量試驗、單軸壓縮試驗評價再生混合料的力學性能。

（1）勁度模量試驗

采用再生混合料進行間接拉伸勁度模量試驗，試件直徑100 mm，高63.5±2.0 mm，試驗溫度分別5℃、15℃和25℃，應力水平分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。泊松比在再生混合料充分養生的基礎上采用熱拌瀝青混合料的泊松比，試驗結果表明：應力水平、溫度與勁度模量均具有較好的線性相關性。同時，隨著應力水平的增加，模量逐漸減小；隨著溫度的升高，模量逐漸降低，見表13 和圖6。

表13 泊松比

圖6 勁度模量試驗結果

（2）單軸壓縮試驗

采用旋轉壓實30 次成型φ100 mm×100 mm 的圓柱體試件，試驗設備采用MTS。按照相應規范中的試驗方法測定再生混合料15℃和20℃時的抗壓回彈模量與無側限抗壓強度，試驗結果表明：隨著溫度的升高，抗壓強度下降0.39 MPa，抗壓回彈模量降低約22%，見表14。

表14 單軸壓縮試驗結果

3.3.4 疲勞性能

采用間接拉伸試驗評價混合料的疲勞性能，試驗溫度為15℃，加載恒定水平應力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa，試件尺寸為直徑100 mm、高63.5±2 mm，由于缺乏對冷再生混合料材料性質的認知，擬定豎向變形達到10 mm 作為疲勞破壞的標準，記錄荷載作用的次數。試驗結果表明：混合料的疲勞壽命較高，同時，在高應力水平300 kPa 和400 kPa（應力比約0.4 和0.55）的條件下表現出一定的脆性，見表15、圖7。

表15 間接拉伸疲勞試驗結果

圖7 疲勞試驗結果（lg Nf - σ）

3.3.5 抗松散性能

松散是目前再生混合料應用于路面后的主要問題之一。本文采用國外普遍采用的抗松散儀評價混合料的抗松散能力，依據規程ASTM D 7196-06，旋轉壓實30 次，養生溫度為25℃，養生時間4 h±5 min。試驗結果表明：再生混合料的松散損失率為1.5%，滿足不大于2%的要求，表現出較好的抗松散性能。

4 經濟社會效益分析

4.1 經濟性分析

根據當地的經濟狀況和材料價格，對乳化瀝青就地冷再生、銑刨重鋪兩種方案的經濟性進行對比分析。S49 新揚高速就地冷再生層厚度8 cm，對比同樣厚度的銑刨重鋪技術，結果表明，乳化瀝青就地冷再生方案，相比于銑刨重鋪技術減少了集料、瀝青等原材料及相關運輸費用，成本降低了70%，見表16。

表16 兩種方案造價對比 單位：元/m2

4.2 環境效益分析

本文基于壽命周期評價（LCA）選擇能耗、碳排放作為測算指標，計算結果表明：乳化瀝青就地冷再生技術相較于銑刨重鋪技術，能源消耗減少約72%，二氧化碳當量排放減少約64%，見表17。

表17 環境效益對比

5 結 論

本文得到如下結論：

（1）混合料設計采用馬歇爾設計方法，通過拌和試驗、干濕劈裂強度試驗確定乳化瀝青再生混合料的最佳含水量、最佳乳化瀝青用量分別為2.6%、3.8%。

（2）基于設計結果進行高溫性能、低溫性能、力學性能、抗疲勞性能等路用性能驗證，滿足我國再生規范中各技術指標要求。

（3）就地冷再生技術相比于傳統的銑刨重鋪技術，費用減少約70%，能源消耗節約72%，二氧化碳當量排放減少約64%，具有顯著的經濟效益和社會效益。