乳化瀝青冷再生混合料配比設(shè)計方法優(yōu)化分析

■梁 剛

（山西省公路局臨汾分局，臨汾 041000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)總量不斷擴(kuò)大，能源需求與消耗逐年攀升，環(huán)境污染問題日益凸顯，資源環(huán)境成為各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。 公路交通長期消耗大量國家能源，公路交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展勢必順應(yīng)綠色發(fā)展理念，務(wù)必處理好資源利用、生態(tài)安全與公路交通發(fā)展的關(guān)系。 乳化瀝青冷再生技術(shù)是將舊路面銑刨、翻挖、回收得到的RAP 進(jìn)行二次破碎、篩分，再按一定比例摻加乳化瀝青、新集料和水，經(jīng)拌和、攤鋪和碾壓等工藝，得到滿足一定路用性能的技術(shù)[1]。

近年來，大量學(xué)者對乳化瀝青冷再生混合料的成型、設(shè)計方法及其性能做了相關(guān)研究并取得了相應(yīng)成果[3-7]，謝寶山[8]研究了不同水泥用量及摻和順序?qū)旌狭系脑缙谛阅苡绊懀?發(fā)現(xiàn)水泥用量較低時，水泥用量與混合料的劈裂強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性呈正相關(guān)性；先摻瀝青后摻水泥將抑制混合料的早期強(qiáng)度，但對其水穩(wěn)定性具有一定促進(jìn)作用；王志剛[1]通過加速加載、SCB 以及間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究了冷再生混合料摻入纖維后的抗裂性及抗剪切變形能力，同時利用SEM 試驗(yàn)分析了混合料破壞界面的細(xì)微觀形貌，分析了纖維對其路用性能的影響機(jī)理，并對所用纖維的摻量進(jìn)行了推薦。 總而言之，對于乳化瀝青冷再生技術(shù)，大量學(xué)者已對乳化瀝青摻量、水泥摻量及其摻和順序，或纖維等改性后的混合料的各項性能都進(jìn)行了較為全面的分析與評價。 但隨著國內(nèi)乳化瀝青冷再生技術(shù)的日漸成熟、 應(yīng)用范圍不斷拓寬以及工程實(shí)例的增加，原土工擊實(shí)法結(jié)合馬歇爾擊實(shí)法的設(shè)計方法較難滿足對混合料配比設(shè)計要求。 故本文依托山西省臨汾市國省道路面改造項目，結(jié)合山西省臨夏線改造工程的實(shí)際情況， 分別采用Superpave 設(shè)計法和馬歇爾設(shè)計法對混合料的配比設(shè)計方法進(jìn)行了分析，并總結(jié)提出適用于本次干線公路改造工程的擊實(shí)體積校驗(yàn)綜合設(shè)計方法。

1 配比方法優(yōu)化設(shè)計

依成型方式不同，乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計方法包括馬歇爾設(shè)計方法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計方法[9]。本節(jié)將對比分析不同設(shè)計過程中存在的差異性以及關(guān)鍵參數(shù)的影響，設(shè)計出一套更適用、更精準(zhǔn)的配比優(yōu)化方案。

1.1 現(xiàn)行設(shè)計方法研究

馬歇爾試驗(yàn)法考慮了混合料的密實(shí)度和空隙特性，通過調(diào)控兩者性質(zhì)以獲得具有良好耐久性能的混合料。 此外，馬歇爾試驗(yàn)方法其試驗(yàn)檢測儀器簡便易攜，容易操作，但該試驗(yàn)方法中擊實(shí)成型的原理不能很好地模擬實(shí)體工程應(yīng)用中在搓揉壓實(shí)作用下形成的路面壓實(shí)情況，故其穩(wěn)定度指標(biāo)并不夠充分。 馬歇爾試件在成型的過程中存在較明顯的集料破碎現(xiàn)象。 為探究集料的破碎情況及查驗(yàn)試件成型效果，采用掃描電子顯微鏡觀察馬歇爾試件剖面的形貌，分析試件內(nèi)部集料的破損情況，觀測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 試件剖面形貌像

從圖1 可看出，瀝青與集料直接的粘結(jié)狀況良好，但RAP 破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，混合料級配細(xì)化，不能真實(shí)反映混合料的再生效果。 此外，其成型得到的試件上下兩面的集料也表現(xiàn)出較為明顯的松散破損現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 試件松散效果圖

為探究采用2 種不同設(shè)計方法得到的混合料強(qiáng)度的差異，研究對摻量不同的4 種乳化瀝青冷再生混合料，在相同試驗(yàn)條件下對比試件的干劈強(qiáng)度和浸水劈裂強(qiáng)度（濕劈強(qiáng)度），試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 25℃干劈強(qiáng)度比較

從圖3、4 可見，不同乳化瀝青用量下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計方法下成型的試件的干劈強(qiáng)度、濕劈強(qiáng)度均更優(yōu)異；由圖3 可知，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計方法其試件干劈強(qiáng)度變化更明顯，且其對乳化瀝青用量的變化更為敏感，有利于確定混合料的最佳瀝青用量。

圖4 25℃濕劈強(qiáng)度比較

不同國家和機(jī)構(gòu)對最大的密實(shí)度和強(qiáng)度、最佳的瀝青裹附狀態(tài)以及混合料的最佳施工和易性等的要求不同，確定最佳含水率的方法也不同。 以瀝青最佳裹附狀態(tài)以及施工和易性作為主要因素依賴于經(jīng)驗(yàn)性的判斷，指標(biāo)難以量化且具有較強(qiáng)的主觀性；最大密實(shí)度為可量化的評價指標(biāo)，有別于主觀判斷，在實(shí)際應(yīng)用中更加可靠。 目前可通過最佳流體含量和最佳含水率2 種方法確定最大干密度，前者是將設(shè)計及控制過程中乳化瀝青、外加水以及礦料中的水的總和定義為總流體含量；而后者則將設(shè)計及控制過程中乳化瀝青中的水、外加水以及礦料中的水的總和定義為總含水率。 對比2 種設(shè)計方法，前者強(qiáng)化了乳化瀝青潤滑作用，而后者忽略了乳化瀝青潤滑作用。 而單從混合料拌和過程中干濕效果來看，乳化瀝青微粒對混合料的潤滑作用不如水優(yōu)異。

1.2 配比設(shè)計優(yōu)化

結(jié)合現(xiàn)行再生規(guī)范設(shè)計流程，同時考慮到乳化瀝青微粒的影響，對原設(shè)計流程進(jìn)行改進(jìn)，通過預(yù)估—驗(yàn)證的方式確定混合料的最佳含水量。 先通過JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的設(shè)計流程確定最佳乳化瀝青用量，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步通過改變含水量測試混合料的劈裂強(qiáng)度，根據(jù)強(qiáng)度測試結(jié)果確定最佳含水量，將該最佳含水量與土工擊實(shí)確定的最佳含水量對比，若差值不超過±1%，則認(rèn)為該配比設(shè)計準(zhǔn)確。 若超出該范圍，則在此基礎(chǔ)上，通過改變?nèi)榛癁r青用量重新確定最佳用量，然后改變含水量再次進(jìn)行試驗(yàn)，直至兩次試驗(yàn)含水量結(jié)果的差值不超過±1%。 在優(yōu)化設(shè)計過程中，考慮水的潤滑作用以及乳化瀝青微粒對混合料的影響， 分析了馬歇爾法和Superpave 體積設(shè)計法的優(yōu)點(diǎn)， 提出了乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計的擊實(shí)體積校驗(yàn)綜合設(shè)計法，具體試驗(yàn)流程如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)的配合比設(shè)計流程

2 原材料及配合比設(shè)計

根據(jù)優(yōu)化后的配比設(shè)計方法，通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)計方法的可行性。

2.1 原材料

2.1.1 RAP

RAP 是采用WIRTGEN-W 205 銑刨機(jī)從山西省臨夏線舊瀝青路面銑刨得到。 由于銑刨得到的RAP 存在超粒徑情況，故采用小型鄂破機(jī)對粒徑大于19 mm 的RAP 進(jìn)行二次破碎。 破碎后的RAP 篩分結(jié)果如表1 所示。

表1 RAP 篩分結(jié)果

2.1.2 礦粉、水泥和水

本文所用礦粉的表觀密度為2.722 g/cm3，親水系數(shù)為0.63，含水量為0.1%，均符合規(guī)范要求；所用水泥為威迪牌PC42.5 水泥，其基本物理特性如表2所示；水為潔凈的自來水。

表2 水泥基本物理特性

2.1.3 乳化瀝青

采用乳化瀝青為非改性慢裂陽離子型，基本物理特性如表3 所示。

表3 乳化瀝青基本物理特性

2.2 配合比設(shè)計

2.2.1 級配設(shè)計

根據(jù)規(guī)范設(shè)計要求， 同時提高銑刨料利用率，通過調(diào)整各原材摻量得到初擬級配，初擬級配為RAP10～20 mm∶RAP0～10 mm∶礦粉∶水泥=30%∶65%∶3.5%∶1.5%，級配曲線如圖6 所示。

圖6 級配曲線圖

2.2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

對上述所得級配，通過土工擊實(shí)法預(yù)估最佳含水量，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，確定了該配比下的最佳含水率為3.7%。

圖7 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 乳化瀝青用量

由于土工擊實(shí)法得到的預(yù)估最佳含水率為3.7%，故選用不同用量比例的乳化瀝青和預(yù)拌水量進(jìn)行組合并成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，乳化瀝青用量以及預(yù)摻水量均通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定，成型旋轉(zhuǎn)次數(shù)為30 r。 排除流體含量與銑刨料配伍性較差的組合， 以土工擊實(shí)法預(yù)測的最佳含水量為基礎(chǔ)，按1.0%等梯度改變?nèi)榛癁r青用量，確定了4 個組合方案，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，劈裂強(qiáng)度和空隙率的變化如圖8 所示。

表4 各方案試驗(yàn)結(jié)果

圖8 劈裂強(qiáng)度及空隙率變化圖

根據(jù)以上所得結(jié)果，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行配合比設(shè)計時，以3.2%±0.2%的瀝青用量作為最佳瀝青用量進(jìn)行配合比設(shè)計， 再生混合料劈裂強(qiáng)度約為0.81 MPa（15℃），空隙率約為9.8%，均滿足乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計要求。

2.2.4 最佳乳化瀝青用量及最佳含水量驗(yàn)證

最佳乳化瀝青用量確定后，通過密度試驗(yàn)以及15℃劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，對最佳預(yù)摻水量進(jìn)行驗(yàn)證。 通過試拌小樣， 采用1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%等不同預(yù)摻水量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 外摻水量對劈裂強(qiáng)度和空隙率影響圖

據(jù)圖9 所示，當(dāng)該級配設(shè)計的乳化瀝青用量為3.2%（外摻） 時， 混合料可獲得最佳的15℃劈裂強(qiáng)度，相應(yīng)的外摻水量為2.5%，總含水量為3.62%，滿足預(yù)估最佳含水量3.7%±1.0%的要求，且混合料的15℃劈裂強(qiáng)度為0.89 MPa 以及空隙率為10.35%，均滿足設(shè)計要求。

通過配比設(shè)計及驗(yàn)證，確定了最佳配合比為RAP10～20mm∶RAP0～10mm∶礦粉∶水泥=30%∶65%∶3.5%∶1.5%，乳化瀝青的用量為3.2%±0.2%，預(yù)摻水量2.5%±0.5%（外摻）。

3 混合料性能評價

為檢驗(yàn)該設(shè)計方法是否合理，通過再生混合料的性能試驗(yàn)來評價該級配設(shè)計法。

3.1 混合料早期性能評價

乳化瀝青再生混合料在壓實(shí)后不久，其粘結(jié)力較低，集料間的嵌擠作用和摩擦力較低，采用修正的肯塔堡飛散試驗(yàn)對混合料的初期抗松散性進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果表明，試件損失質(zhì)量的平均值約6.7%。以相同的材料采用馬歇爾擊實(shí)法成型試件，試件在初期養(yǎng)生條件下脫模時就存在松散現(xiàn)象，進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)時試件質(zhì)量損失嚴(yán)重，說明了擊實(shí)體積校驗(yàn)綜合設(shè)計法在試件抗松散性能上的優(yōu)越性。

3.2 混合料后期性能評價

根據(jù)優(yōu)化后的配比設(shè)計方法制得混合料，對混合料的高溫、低溫以及水穩(wěn)定性進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 混合料性能測試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)擊實(shí)體積校驗(yàn)綜合設(shè)計法設(shè)計的乳化瀝青冷再生混合料， 其抗水損害性能、高溫穩(wěn)定性均滿足要求，且路用性能良好，室內(nèi)目標(biāo)配比設(shè)計可用于生產(chǎn)配比的調(diào)試。

4 結(jié)論

本文主要分析了國內(nèi)外乳化瀝青冷再生混合料常用的設(shè)計方法及流程，針對馬歇爾設(shè)計法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計法的不同之處， 評述了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 進(jìn)一步對乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計方法進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合配比設(shè)計實(shí)例進(jìn)行了總結(jié)，主要得到以下結(jié)論：

（1）兼顧馬歇爾試驗(yàn)法和Superpave 體積法的優(yōu)點(diǎn)， 優(yōu)化了冷再生混合料的設(shè)計方法及流程，并提出了擊實(shí)體積校驗(yàn)綜合設(shè)計法。

（2）針對乳化瀝青冷再生混合料提出了分階段性能評價方法：初期，采用肯塔堡飛散試驗(yàn)進(jìn)行抗松散性的評價；后期，采用凍融劈裂、車轍試驗(yàn)等對其水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性等路用性能進(jìn)行評價。

（3）通過實(shí)例驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計方法及評價方法的可行性，認(rèn)為可用于目標(biāo)配合比設(shè)計。