高性能改性乳化瀝青冷再生瀝青混合料的室內試驗研究

方 飛

（昆山市交通科技研究中心有限公司,江蘇 蘇州 215300）

0 引言

截至2022 年末，全國公路里程5 354 800 km，其中省道里程393 600 km，高速公路里程177 300 km。瀝青路面的設計壽命一般為10~15 年，截至目前已有多數路面接近設計壽命[1]，需要采取大修或重建等養護措施。為實現經濟的可持續發展，在瀝青路面大修養護中，合理處理及再次利用廢棄瀝青混合料成為至關重要的環節。其中，冷再生技術相較于熱再生技術，具有利用率高的優勢，RAP 料再生利用率可以保證在70%以上，而且該技術在再生利用應用過程中能夠大比例地投入粗細集料，更具效率。此外，冷再生技術實現了資源集約的發展模式，常溫下完成再生具備環保節能的優勢，故而應用更為廣泛。

1 原材料與高性能乳化瀝青制備

1.1 原材料

研究選用江陰阿爾法牌70#基質瀝青，針入度為69.8（0.1 mm），軟化點為47.6 ℃，10 ℃延度為35.2 cm，瀝青各項性能指標滿足規范要求。選用陽離子高性能膠乳，其主要物理性能如下：外觀呈乳白色液體，pH 值為4.3。選擇國外進口的兩種陽離子型乳化劑，選用合成橡膠類—丁苯膠乳，即SBR 膠乳，作為高性能改性乳化瀝青的改性劑。

廢舊瀝青混合料（RAP）來源于蕪合高速的中上面層，保證100%利用舊料且不添加新料，粒徑范圍0~26.5 mm。采用普通硅酸鹽水泥作為填料，海螺牌水泥標號為42.5。

1.2 高性能改性乳化瀝青的制備

高性能改性乳化瀝青的制備即探究基質瀝青、乳化劑和高性能膠乳的拌和工藝，目前常見的乳化瀝青常見的制備方法有外摻法和內摻法[2]。分析比較上述兩種乳化瀝青制備方法的工藝特點、產品性能及穩定性等因素，選擇內摻法具備優勢，其工藝如下：首先選定合理的調和比例，將兩種進口陽離子型乳化劑充分混合，攪拌均勻后選取合適穩定的水進行稀釋，接著加入高性能膠乳充分混合后借助鹽水保證pH 值在1.9~2.2 之間，完成上述操作后獲得基礎皂液，隨后將其置于60 ℃鼓風烘箱中保溫0.5，最后取合適的基質瀝青進行加熱處理，溫度在達到140~160 ℃后進行研磨制備得到乳化瀝青。

2 高性能乳化瀝青冷再生混合料配比設計研究

2.1 混合料級配組成

該文研究的乳化瀝青就地冷再生技術，100%利用舊料且不添加新料。因此，瀝青混合料的設計曲線由原路面的RAP 料級配所決定，根據RAP 篩分結果和工程設計級配范圍，可以得到再生級配組成。

2.2 混合料成型方式

該研究將馬歇爾擊實法與旋轉壓實法進行對比分析。乳化瀝青試樣選用冷再生混合料馬歇爾擊實的成型方式，規范做法為對試樣的兩面采取50 次的擊實，完成養生后，對其雙面再進行25 次擊實，冷卻后脫模。為實現對比分析效果，取一組試樣馬歇爾雙面直接進行75 次擊實，對比分析冷再生混合料強度受成型方式的影響程度。

采取不同成型方式的改性乳化瀝青冷再生混合料強度存在差異。試樣馬歇爾雙面直接進行75 次擊實的效果優于規范做法的試樣，這是由于規范成型方法的試驗加入了乳膠后進行了50 次擊實，通過養生40 h 已經具備了較高的強度。再進行二次擊實時易導致部分集料的碎裂，同時混合料本身也具備一定的孔隙率，兩種因素導致劈裂強度變弱。但成型效果最好的為旋轉壓實30 次的混合料。為保證混合料成型質量，同時考慮實際工程中操作的便利性，綜合上述三組成型方式效果，選擇一次成型的馬歇爾擊實成型法，對雙面進行85~90 次擊實。

2.3 最佳乳化瀝青和水泥用量

該文研究了3 種不同水泥摻量對混合料的影響，分別為1.5%、2%和2.5%，同時以0.5%的間隔研究了5 種不同乳化瀝青摻量，分別為2.5%~4.5%的乳化瀝青含量。通過測量混合料的體積參數，并進行15 ℃劈裂試驗、浸水劈裂試驗得到相關力學參數，通過對比分析，改性乳化瀝青冷再生混合料和普通乳化瀝青冷再生混合料的最佳乳化瀝青含量和最佳水泥含量，最終確定最佳的混合料配比設計[3]。

綜合圖1（a）（b）可知，在不同水泥摻量下，高性能改性乳化瀝青混合料的空隙率均低于普通乳化瀝青，這是因為高性能膠乳的加入增大了乳化瀝青與RAP 料中舊瀝青的黏附性，使得混合料更易壓實。當乳化瀝青含量為4%時，獲得空隙率較小的冷再生混合料。

圖1 乳化瀝青冷再生混合料配合比試驗結果

分析混合料干濕劈裂強度比的數據，其中高性能改性乳化瀝青冷再生混合料當水泥含量為2.5%時，表現出最高的干濕劈裂強度比，水穩定性最好；當水泥含量為1.5%時，普通乳化瀝青冷再生混合料的干濕劈裂強度與其他水泥含量下的相比有明顯提升，水穩定性最佳。

綜合以上分析，普通乳化瀝青冷再生混合料的最佳水泥含量為2%，最佳乳化瀝青含量為4%；改性乳化瀝青冷再生混合料的最佳水泥含量為2%，最佳乳化瀝青含量為3.5%。

3 高性能乳化瀝青冷再生混合料路用性能研究

3.1 試驗方案

在高性能改性乳化瀝青再生混合料最佳配合比的基礎上，進行改性乳化瀝青冷再生混合料路用性能的探究，評價指標包括高溫穩定性、中低溫抗裂性和疲勞性能。同時，與普通乳化瀝青冷再生混合料的路用性能進行對比，評價改性乳化瀝青冷再生混合料的工程適用性。

（1）高溫穩定性采用開發的多序列重復加載動態蠕變試驗，并結合中下面層的夏季溫度場模擬冷再生層。試驗分為預加載階段和多序列加載階段。加初載荷可以減少彈性模量的誤差；分級加載既可以保證彈性模量的誤差，同時也可以保證材料始終處于彈性狀態。預加載階段采用的荷載級別為0.7 MPa，加載周期為1 s，共進行1 000 次加載；多序列加載階段采用應力幅值范圍0.5~1.1 MPa，共加載30 個序列，單個加載周期為1 s，共進行100 次加載。試驗通過復合平均應變力和復合蠕變進度模量兩個指標來評價冷再生瀝青混合料的抗車轍性能[4]。

（2）半圓彎曲試驗（SCB）是評價中低溫抗裂性的方法，對比兩種冷再生混合料15 ℃和-10 ℃溫度條件下，不同加載速率對應的開裂行為。該試驗裝置采用三點加載模式，其中兩個支座位于底部，加載軸位于上邊緣中點，考慮試件的尺寸厚支座之間的距離定為12 cm。在試驗前，將試件分別放入15 ℃和-10 ℃的環境箱中[5]，保溫時間不少于4 h，然后按照設定的5 種加載速率（0.1 mm/min、1 mm/min、20 mm/min、50 mm/min 和80 mm/min）進行加載。

（3）疲勞性能同樣選用SCB 試驗，確定兩種冷再生混合料的強度，再根據試驗結果和應力比確定疲勞試驗加載的應力水平。其中疲勞試驗溫度和強度試驗溫度定為15 ℃，加載速率采用50 mm/min。

3.2 試驗結果與分析

（1）高溫性能試驗結果與分析。分析表1 可得，在應力增大的情況下，普通乳化瀝青冷再生混合料的應力水平平均應變率均大于改性乳化瀝青冷再生混合料，但發展趨勢較緩慢。中面層在0.5 MPa 的時候出現了負值。由于每一級別應力加載次數設置較少，在一個應力加載周期內，混合料內部未產生足夠的蠕變變形，因此在后續研究中可適當增加冷再生分層蠕變試驗每個序列加載的次數[3]。由此可以得到，在實際的溫度場中，冷再生層作為下面層具有更好的抗高溫變形能力，且具有良好的抗車轍性能。

（2）中低溫抗裂性能。由表2 可知，在中低溫條件下（15 ℃和-10 ℃），隨著加載速率的增大，兩種冷再生混合料峰值力和抗裂強度均呈現增大的趨勢，以加載速率為50 mm/min 為例，15 ℃條件下的改性冷再生混合料強度較普通冷再生混合料提高了35%，-10 ℃條件下提高了16%，說明高性能改性乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性能更優，且在中溫環境下提升效果更明顯。特別地，在15 ℃條件下，當加載速率從0.1 mm/min 上升到80 mm/min，抗裂強度提升了4.1倍，表明在中溫的環境下，加載速率對抗裂強度具有顯著的影響效果。相反，在低溫（-10 ℃）環境下，2 種冷再生混合料的抗裂強度變化率均低于50%，對加載速率的敏感性較低。此外，從斷裂能指標看，高性能膠乳改善冷再生混合料的效果更加顯著，顯示更高的整體強度[6]。

表2 冷再生瀝青混合料的中低溫抗裂性能結果

（3）疲勞性能。從表3 可以得出，改性冷再生瀝青混合料的破壞荷載普遍地高于普通冷再生混合料，整體上強度變異性較小，均小于10%。其次隨著應力比和應力幅值的數值增加的情況下，平均疲勞壽命呈現下降的趨勢，且在雙對數坐標系下，兩者擬合效果均良好，相關指數均在1.0 以上。同樣的改性冷再生瀝青混合料在相同的應力比條件下，其應力幅值和疲勞壽命均優于普通的冷再生混合料。

表3 冷再生混合料疲勞試驗結果

4 結論

該文對高性能乳化瀝青及其冷再生混合料的性能進行分析，首先確定高性能改性乳化瀝青的制備工藝—內摻法；其次成型方式采用馬歇爾擊實法，雙面擊實次數控制在85~90 次范圍內，并100%利用RAP 料，確定最佳水泥含量為2%、最佳乳化瀝青含量為3.5%。在此基礎上評價混合料的路用性能，同時與普通乳化瀝青冷再生混合料的路用性能進行對比，得到以下結論：

通過高溫分層蠕變試驗得到乳化瀝青冷再生瀝青混合料高溫性能高于普通冷再生瀝青混合料，其中改性乳化瀝青冷再生層無論是運用于中面層還是下面層，整體均有良好的抗車轍能力。高性能改性乳化瀝青冷再生瀝青混合料的低溫抗裂強度、耐久性能也較高，表現出更好的低溫抗裂性和疲勞性能。