張國武， 王選倉*， 郝 林， 吳建靈， 陳 兵

(1.長安大學公路學院， 西安 710064； 2.興泰建設集團有限公司， 鄂爾多斯 017000)

近年來，越來越多的道路達到設計使用壽命，需要對這些路面進行大中修或改擴建，導致每年產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料和基層粒料超過400萬t[1]。為解決建筑材料缺乏和環(huán)境污染的問題，大量的舊料進行了再生利用[2]，但存在舊料級配較差且不穩(wěn)定的問題[3]，影響到再生混合料的路用性能。目前，冷再生混合料配合比設計存在不足，導致冷再生混合料路用性能較低，需要進一步補充和完善。

中外學者通過研究冷再生混合料配合比來提高混合料路用性能?；厥諡r青路面材料(RAP)對冷再生混合料的性能具有較大影響。Godenzoni等[4]研究了RAP級配與疲勞性能的關(guān)系，得到兩者呈正相關(guān)關(guān)系；陳安民等[5]通過依托工程研究了RAP分檔方法，得到RAP分檔篩孔；王爭愿等[6]從RAP摻量的角度進行路用性能研究，得到合適的RAP摻量；何東坡等[7]利用貝雷法相關(guān)理論進行研究，通過貝雷法設計密度來優(yōu)化混合料的級配。水泥摻量也會影響到混合料的性能，從水泥摻量和力學性能間的相互關(guān)系，研究得到建議水泥摻量為1.5%[8-9]。武文斌等[10]研究了混合料組成材料對各種路用性能的影響，并根據(jù)影響大小進行了排序。配合比設計過程中，試件的成型方式對混合料性能有一定的影響，索智等[11]從試件成型方式出發(fā)，對冷再生混合料級配進行優(yōu)化，得到路用性能有一定的提升。彭波等[12]在冷再生混合料配合比設計過程中，考慮了早期抗壓強度的影響，并提出評價早期強度的指標。不同氣候條件下，冷再生混合料的路用性能也有所差異，趙曉峰等[13]對炎熱地區(qū)冷再生混合料的配合比設計進行了研究，提出了適合該氣候環(huán)境的銑刨料和瀝青用量。

上述研究對冷再生瀝青混合料配合比設計進行了相關(guān)研究，對舊料的利用具有重要意義。目前，考慮施工過程中的二次熱壓實過程和使用過程中基層裂縫的研究相對較少，可能導致設計結(jié)果與實際情況相差較大，容易造成冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)早期破壞，影響道路的正常使用。因此依托實際工程項目，以基層抗裂性和早期強度為基礎(chǔ)進行配合比優(yōu)化研究，以期提升冷再生混合材料路用性能。

1 傳統(tǒng)冷再生混合料配合比設計

1.1 確定合成級配

根據(jù)依托工程將RAP回收料分為0～5 mm，5～10 mm和10～30 mm三檔。根據(jù)公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[14]，同時為保證路用性能，增加了10～20 mm新集料，初步確定RAP摻量為80%，擬定三檔回收料的占比分別為35%、16%、32%，另外加入14%的10～20 mm新集料和3%的礦粉，級配設計如圖1所示。

圖1 冷再生混合料級配曲線Fig.1 Gradation curve of cold recycled mixture

1.2 確定最佳含水量

最佳含水量的確定方法有多種，本文研究采用旋轉(zhuǎn)壓實法測定劈裂強度的方法確定最佳含水量。固定乳化瀝青用量為4%和水泥外摻1.5%。改變外加水量，分別加入2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%的水成型試件，試驗測定結(jié)果如圖2所示。

圖2 含水量與劈裂強度關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between water content and splitting strength

由圖2可知，加水量與劈裂強度的關(guān)系曲線呈拋物線型。當外加水量為3.5%時，試件劈裂強度達到峰值，得到最佳含水量為3.5%。

1.3 確定最佳瀝青用量

固定最佳用水量為3.5%，改變?nèi)榛癁r青用量，分別加入2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%的乳化瀝青，對旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的干濕劈裂強度進行測定，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 干濕劈裂強度試驗結(jié)果Fig.3 Test results of dry wet splitting strength

對測得干濕劈裂強度數(shù)據(jù)進行擬合，從擬合曲線可得，乳化瀝青用量在4.0%時，劈裂強度和其比值達到最大值，此時乳化瀝青和集料具有較好的相互作用，得到最佳瀝青用量為4.0%。

通過以上試驗，確定優(yōu)化前乳化瀝青冷再生配合比如表1所示。

表1 冷再生混合料配合比Table 1 Mix proportion of cold recycling mixture

2 級配設計優(yōu)化研究

2.1 抽提RAP集料

本文研究是在課題組研究成果的基礎(chǔ)上進行的，陳兵等[15]對該依托工程的三檔集料進行了抽提，并利用貝雷法進行了礦料級配優(yōu)化。

將三檔集料在三氯乙烯中浸泡，并進行抽提后進行篩分，篩分后級配對比如圖4所示。

圖4 RAP抽提結(jié)果Fig.4 Results of RAP extraction

從圖4可得，抽提后的通過率曲線在抽提前的通過率曲線上方，三檔回收料抽提后明顯變細，4.75 mm篩孔的通過率變化最大，所以要考慮回收料級配變化對冷再生混合料級配的影響。

2.2 貝雷法級配設計優(yōu)化

貝雷法設計中，參數(shù)CA表征集料粒徑的均衡關(guān)系，F(xiàn)af表征合成集料中最細一級的嵌擠情況，F(xiàn)ac表征細集料中粗料部分與細料部分的嵌擠和填充情況。根據(jù)貝雷法設計原理，確定關(guān)鍵篩孔為4.75 mm，三檔集料抽提后，對礦料級配進行優(yōu)化，計算得到CA=0.69，F(xiàn)af=0.45，F(xiàn)ac=0.36，三個參數(shù)均滿足推薦范圍。級配優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 貝雷法設計級配曲線Fig.5 Design grading curve by Bailey method

3 含水量和乳化瀝青用量優(yōu)化研究

3.1 冷再生混合料基層抗裂性標準研究

相關(guān)研究結(jié)果表明，利用overlay tester (OT)試驗進行瀝青路面開裂評價中，與反射裂縫評價結(jié)果的相關(guān)性較高[16-18]。因此為了更好地研究乳化瀝青冷再生混合料抵抗反射裂縫的能力，利用OT試驗確定基層抗裂性試驗標準。

3.1.1 冷再生混合料基層抗裂性影響因素

影響冷再生混合料抗裂性的因素主要有水泥、乳化瀝青和RAP的用量，因此，用試驗測定不同影響因素下的荷載損失百分率來分析研究基層抗裂性。試驗方案如表2所示。根據(jù)試驗方案制作旋轉(zhuǎn)壓實成型試件，切割得到OT試件，試件切割結(jié)束后，利用環(huán)氧樹脂將試件與底板黏結(jié)。進行抗裂性試驗，試驗結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

表2 抗裂性試驗方案Table 2 Crack resistance test scheme

圖6 水泥用量與荷載損失率關(guān)系Fig.6 Relationship between cement dosage and load loss rate

圖7 乳化瀝青用量與荷載損失率關(guān)系Fig.7 Relationship between emulsified asphalt content and load loss rate

圖8 RAP摻量與荷載損失率關(guān)系Fig.8 Relationship between RAP content and load loss rate

(1)由圖6可得，水泥用量對冷再生混合料的抗裂性有一定影響，荷載損失與水泥用量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。主要原因是水泥用量越多混合料結(jié)構(gòu)越向剛性轉(zhuǎn)變，使得抗裂性越差。

(2)由圖7可得，乳化瀝青用量對冷再生混合料的抗裂性有一定影響，荷載損失與乳化瀝青用量表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系。主要原因是隨著乳化瀝青用量的增加，混合料內(nèi)部的瀝青膠漿中的瀝青含量逐步增多，瀝青的黏彈性越好，因此在周期性荷載作用下，當瀝青含量增多時，混合料的抗裂性越優(yōu)。

(3)由圖8可得，RAP摻量對冷再生混合料的抗裂性有一定影響，荷載損失與RAP摻量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。主要原因是不同RAP摻量條件下冷再生存在著不同的最佳乳化瀝青用量，而此時乳化瀝青用量的不同，則會導致瀝青膠漿含量的差異，因此使得混合料的抗裂性發(fā)生變化。

3.1.2 基層抗裂性評價指標

通過對上述不同因素條件下冷再生混合料的荷載損失率的變化規(guī)律及數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，荷載損失率的正態(tài)Q-Q(Q代表分位數(shù))圖如圖9所示，得到均值95%置信區(qū)間上限及下限分別為80.06%及85.35%，基于保守原則保留一定富余，確定基于OT試驗的乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性標準為荷載損失率的85%。

圖9 荷載損失率正態(tài)Q-Q圖Fig.9 Normal Q-Q diagram of load loss rate

3.2 冷再生混合料基層早期強度試驗條件

考慮到面層施工會影響到冷再生基層的溫度，在配合比優(yōu)化研究中將面層施工過程中的二次熱壓實進行試驗研究。在施工過程中將冷再生基層的溫度進行了測量，將溫度傳感器放置在基層不同深度處，分別為距離冷再生基層頂面2、4、6 cm處。從鋪筑熱混合料開始，以10 min為間隔測量冷再生層不同深度的工作溫度，記錄總時間為120 min，其中前60 min為鋪筑熱混合料時間，并對鋪筑完成后的60 min進行測量。整個觀測過程中冷再生混合料不同深度處的溫度變化趨勢如圖10所示。

圖10 冷再生混合料不同深度溫度Fig.10 Different depth temperature of cold recycled mixture

由圖10可得，隨著時間的變化，冷再生瀝青路面不同深度處溫度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最后趨于穩(wěn)定。2 cm深度處的再生混合料溫度在53 min時達到最大約96 ℃，4 cm深度處的再生混合料在75 min時達到最大值約66 ℃，6 cm深度處的再生混合料在90 min時達到最大值約56 ℃。

當熱拌混合料攤鋪結(jié)束時，2 cm深度處的再生混合料的溫度較最高溫度有所降低，而4 cm及6 cm深度處冷再生混合料的溫度仍在緩慢上升，此時溫度正在路面結(jié)構(gòu)中緩慢傳遞，因此以60 min作為路面溫度的最不利時間，此時三種深度方向處的溫度平均值為69 ℃。為方便起見，可將溫度簡化為常用的60 ℃，因此確定早期強度的試驗溫度為60 ℃，在60 ℃條件下，冷再生混合料剩余含水率達到2%的時間約為4 h。

基于以上分析，得到考慮二次熱壓實的冷再生混合料早期強度試驗標準。標準為：試驗溫度為60 ℃，養(yǎng)生時間為4 h的冷再生混合料試件的無側(cè)限抗壓強度。

3.3 確定最佳含水量和最佳乳化瀝青用量

傳統(tǒng)設計方法中未考慮混合料應用層位及早期強度的影響，本文研究對此進行優(yōu)化。在確定基層抗裂性指標及早期強度標準的前提下，確定最佳含水量和最佳乳化瀝青用量。固定外加水量為3.0%，乳化瀝青用量分別取3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%。固定乳化瀝青用量為4.0%，外加水量分別取2.0%、2.5%、2.8%、3.0%、3.5%。然后分別測定不同乳化瀝青用量及不同外加水量條件下混合料的抗裂性及早期強度，確定同時考慮上述兩種性能的最佳乳化瀝青用量及最佳含水量，以提高混合料的抗裂性及早期強度。試驗結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 抗裂性與早期強度隨乳化瀝青用量變化趨勢Fig.11 Variation trend of crack resistance and early strength with emulsified asphalt content

圖12 抗裂性與早期強度隨加水量變化趨勢Fig.12 Variation trend of crack resistance and early strength with water addition

由圖11可得，乳化瀝青用量約為3.8%時，抗裂性指標與早期強度指標相交于一點。由圖12可知，當外加水量約為2.8%時，抗裂性指標與早期強度指標相交于一點。此時的抗裂性指標分別為81.8%、83.6%，均小于確定的抗裂性標準85%。故采用配合比平衡設計思想，考慮基層抗裂性和早期強度的兩個因素的條件下，確定得到的最佳乳化瀝青用量和最佳含水量分別約為3.8%及2.8%。與傳統(tǒng)配合比設計方法相比，優(yōu)化方法得到的最佳乳化瀝青用量和最佳含水量較小。

3.4 優(yōu)化配合比驗證

為驗證優(yōu)化后的配合比的效果，成型外加水量為3.0%，乳化瀝青用量分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的試件，測定其干濕劈裂強度。試驗結(jié)果如圖13所示，密度與劈裂強度之間的關(guān)系如圖14所示。

圖13 干濕劈裂強度試驗結(jié)果Fig.13 Test results of dry wet splitting strength

圖14 密度與劈裂強度關(guān)系Fig.14 Relationship between density and splitting strength

通過圖13和圖14可得：

(1)劈裂強度隨著乳化瀝青用量的增加出現(xiàn)峰值，對應的乳化瀝青用量約為4.0%。說明優(yōu)化后的乳化瀝青用量可以較好地作用在集料表面。取最佳乳化瀝青用量為3.8%。

(2)優(yōu)化得到的干劈裂強度為1.04 MPa，而優(yōu)化前為0.87 MPa，最大干濕劈裂強度相比優(yōu)化前提高了20%，濕劈裂強度也提高了21%，表明優(yōu)化后混合料的整體力學指標得到了大幅提高。

(3)試樣密度的增加也會使得試樣強度的增加，因此在冷再生施工中應加強壓實過程的控制，以此來提高路用性能。

4 優(yōu)化配合比混合料性能驗證

確定乳化瀝青冷再生配合比如表3所示。為了驗證優(yōu)化得到的瀝青混合料配合比效果和可靠性，分別從力學性能、高溫性能和低溫性能進行了驗證，分析比較兩種配合比設計方法冷再生混合料的性能。

表3 優(yōu)化后冷再生混合料配合比Table 3 Optimization of mix proportion of cold recycled mixture

4.1 試驗方案

劈裂強度能夠用來評價優(yōu)化后瀝青混合料的力學性能，在15 ℃條件下對成型試件進行劈裂強度試驗，每組3個試件，加載速率為50 mm/min。

凍融劈裂強度比能夠用來評價優(yōu)化后瀝青混合料的水穩(wěn)性能，根據(jù)規(guī)范要求，對兩種配合比分別進行凍融劈裂強度試驗，每種配合比成型試件在兩種環(huán)境下進行試驗，每種環(huán)境4個試件。

動穩(wěn)定度能夠用來評價優(yōu)化后瀝青混合料的高溫性能，在60 ℃條件下養(yǎng)生得到的兩種配合比成型試件進行試驗，每種配合比對應3個試件。

4.2 驗證指標與要求

規(guī)范規(guī)定的驗證指標與要求如表4所示。

表4 冷再生混合料性能驗證與要求Table 4 Performance verification and requirements of cold recycled mixture

4.3 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如圖15所示，對優(yōu)化前后冷再生混合料的性能進行對比分析，驗證優(yōu)化配合比的效果和可靠性。

圖15 不同設計方法冷再生混合料性能對比Fig.15 Performance comparison of cold recycled mixture with different design methods

(1)在力學強度方面，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設計的冷再生混合料提升了79%。因此優(yōu)化后混合料的力學強度得到了大幅度的提升，但優(yōu)化前級配的劈裂強度較低，不能滿足重交通荷載等級的面層要求。

(2)在水穩(wěn)定性方面，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設計的冷再生混合料提升了8%。因此優(yōu)化后混合料的水穩(wěn)定性能得到了一定程度的提升，兩種級配方案的凍融劈裂強度均滿足所有交通荷載等級的面層。

(3)在高溫穩(wěn)定性方面，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設計的冷再生混合料提升了61%。因此優(yōu)化后混合料的高溫穩(wěn)定性能也得到了一定程度的提升，兩種級配方案的動穩(wěn)定度均滿足所有交通荷載等級的中下面層。

(4)在1.3節(jié)和3.4節(jié)試驗得到兩種配合比的干濕劈裂強度比，優(yōu)化后的冷再生混合料比傳統(tǒng)配合比設計的冷再生混合料略有提升，且均能滿足重交通荷載等級的面層要求。

通過以上試驗驗證和分析，優(yōu)化后的配合比在性能上有一定程度的提升，優(yōu)化設計方法可為乳化瀝青冷再生混合料性能提升提供參考。

5 結(jié)論

在傳統(tǒng)配合比設計的基礎(chǔ)上，考慮到冷再生基層抗裂性和施工過程中的二次熱壓實的影響，對配合比進行了優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)銑刨料抽提前后變異性的特點，經(jīng)三氯乙烯浸泡抽提后4.75 mm篩孔通過率變化最大。

(2)利用OT試驗對冷再生基層的抗裂性進行研究，得到乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性標準為荷載損失率的85%。

(3)利用溫度傳感器測得熱拌瀝青混合料鋪筑過程中不同深度處冷再生混合料的工作溫度，得到基于二次熱壓實的冷再生混合料早期強度試驗標準。試驗條件為60 ℃條件下養(yǎng)生4 h混合料試件的無側(cè)限抗壓強度。

(4)根據(jù)平衡設計思想，變換乳化瀝青用量及外加水量，分別測定不同乳化瀝青用量及不同外加水量條件下混合料的抗裂性及早期強度，確定同時考慮上述兩種性能的最佳乳化瀝青用量及最佳含水量分別為3.8%及2.8%，均小于傳統(tǒng)配合比設計法確定的最佳乳化瀝青用量及最佳含水量。

(5)優(yōu)化得到的冷再生混合料在路用性能方面具有明顯的優(yōu)勢。優(yōu)化設計方法可為乳化瀝青冷再生混合料性能提升研究提供參考。