RAP特性及掺量对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响

张 勇

（河南交院工程技术有限公司，河南郑州450046）

目前，我国早期修建的高等级公路逐步进入大中修阶段，在维修养护过程中产生大量的旧沥青路面材料，为减少土地占用、降低环境污染等问题，应最大限度科学利用回收沥青路面材料（reclaimed asphalt pavement material，简称“RAP”）[1-3]。沥青路面再生技术可有效利用旧沥青路面材料，减少对优质砂石材料的需求，且冷再生技术施工简便、工程造价低、能耗低、环境污染小[4-5]。因此，研究乳化沥青冷再生混合料性能及应用具有重要的现实意义。Shanbara等[6]研究了纤维类型及掺量对乳化沥青冷再生混合料劈裂抗拉强度影响，玻璃纤维改善效果最显著。Jae等[7]研究表明生物黏合剂可提高冷再生混合料力学性能和耐久性，指出生物黏合剂最佳掺量为4%。蒋应军等[8]研究了乳化沥青冷再生混合料力学强度影响因素，建议混合料中水泥掺量为1.5%、聚酯纤维掺量为0.4%。丁新东等[9]通过室内力学试验和稳定性试验对乳化沥青冷再生混合料配合比进行优化设计，并评价了其抗松散性能，建议水泥掺量为1.5%～2.0%、乳化沥青用量为3.5%～4.0%。王真等[10]研究表明增加细集料含量或水泥剂量、增大路面压实水平可提高冷再生混合料早期性能。王清等[11]研究了改性方式对冷再生混合料疲劳性能影响规律，表明再生剂改善效果优于布敦岩沥青和SBS改性乳化沥青。杨伟刚等[12]依托实体工程研究了自然养生条件下乳化沥青冷再生混合料力学性能和水稳定性变化规律。金成等[13]对比研究了水泥和石灰对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响，建立了劈裂强度增长方程。邬宇航[14]研究了水泥类型及掺量对冷再生混合料早期性能影响，表明掺1%～2%水泥的冷再生混合料早期性能最佳。李秀君等[15]研究表明冷再生混合料力学性能和抗收缩性随粒径＞4.75mm的RAP掺量增大而逐渐降低。

上述研究偏重于外掺料对乳化沥青冷再生路用性能影响，未深入考虑RAP特性对乳化沥青冷再生混合料性能影响。对此，本文针对湖南某二级公路回收沥青路面材料，研究不同沥青型号和使用年限的RAP对乳化沥青冷再生混合料性能影响规律，并确定RAP掺量。

1 试验方案

1.1 试验材料

（1）乳化沥青

选用慢裂型阳离子乳化沥青，技术性质见表1。

表1 乳化沥青技术性质Table 1 Technical properties of emulsified asphalt

（2）新集料

选用石灰岩，粒径分别为10～20 mm、0～5 mm，技术性质见表2。

表2 新集料技术性质Table 2 Technical properties of new aggregates

（3）矿粉

选用磨细的石灰岩矿粉，技术性质见表3。

表3 矿粉技术性质Table 3 Technical properties of ore powder

（4）水泥

选用32.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量为1.5%，其技术性质见表4。

表4 水泥技术性质Table 4 Technical properties of cement

（5）RAP

RAP材料技术性质见表5，抽提前后级配范围见表6。RAP材料选自湖南某二级公路沥青路面铣刨料，旧沥青路面为密实型沥青路面，沥青混合料矿料级配为AC-25，沥青型号分别为SK70#、泰普克70#、埃索70#（本文分别以A、B、C表示），使用年限分别为3年、5年、7年。

表5 RAP技术性质Table 5 Technical properties of RAP

表6 RAP抽提前后级配Table 6 Grading after advance of RAP extraction

1.2 试验方案

通过室内马歇尔试验、车辙试验、劈裂强度试验、小梁弯曲试验，研究RAP材料对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响规律。具体试验方案如下：

（1）结合沥青路面不同使用年限下沥青老化程度和集料技术性质，研究RAP特性对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响规律，旧沥青路面使用年限分别为3年、5年、7年，沥青型号为A、B、C。

（2）结合RAP材料应用实践经验，研究RAP掺量对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响规律，拟RAP掺量分别为30%、50%、70%、90%、100%。

按《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）设计粗粒式乳化沥青冷再生混合料级配，级配类型为AC-25；采用二次击实试验方法成型Φ101.6×h63.5mm的马歇尔试件，通过劈裂试验确定最佳乳化沥青用量。乳化沥青用量4.0%、水泥掺量1.5%条件下，按《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中重型击实试验方法，确定乳化沥青冷再生混合料最佳含水率。重型击实试验试件尺寸为Φ152×h116mm。

1.3 力学性能测试方法

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG052-2000）中冻融劈裂试验、车辙试验和浸水马歇尔试验方法测试乳化沥青冷再生混合料在养生7d时的路用性能。

2 试验结果与分析

2.1 使用年限影响

使用年限对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响如图1所示。沥青型号为A。

图1 使用年限～乳化沥青冷再生混合料路用性能关系Fig.1 Road performance relationship between service life and emulsified asphalt cold recycled mixture

由图1可知：

（1）在RAP掺量一致条件下，沥青路面使用年限对乳化沥青冷再生混合料劈裂强度影响较小，且不同使用年限的RAP乳化沥青冷再生混合料劈裂强度满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）技术要求，即劈裂强度≥0.5MPa。冷再生混合料劈裂强度随使用年限增加大致呈线性降低，使用年限从3年增加至7年，冷再生混合料劈裂强度速率约为2.6%。这是因为常温环境下，老化沥青和破乳的乳化沥青对集料粘结作用较弱，冷再生混合料强度主要由集料间嵌挤作用组成，而RAP级配变化不明显，因此不同使用年限的RAP冷再生混合料劈裂强度变化较小。

（2）RAP掺量一致条件下，随沥青路面使用年限增加，乳化沥青冷再生混合料动稳定度减小，抗车辙性能降低。使用年限对不同RAP掺量的冷再生混合料影响效果相近，当使用年限从3年增加至7年，冷再生混合料动稳定度约降低19.8%。这是因为沥青老化程度随路面使用年限增加而逐渐增大，针入度和延度降低，高温环境下沥青易发生软化，致使沥青混合料在荷载作用下侧向移动，抵抗变形能力降低，从而抗车辙能力降低。

（3）RAP掺量一致条件下，随沥青路面使用年限增加，乳化沥青冷再生混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比降低微小。当使用年限从3年增加至7年，冷再生混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比分别平均降低0.9%、1.2%；使用年限从5年增加至7年，冷再生混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比分别平均降低2.2%、1.4%，说明不同使用年限的RAP对冷再生混合料水稳定性基本无影响。

2.2 沥青型号影响

沥青型号对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响如图2所示。沥青路面使用年限为3年。

图2 沥青型号～乳化沥青冷再生混合料路用性能关系Fig. 2 Road performance relationship between asphalt type and emulsified asphalt cold recycled mixture

由图2可知：

（1）同一RAP掺量下，掺B的乳化沥青冷再生混合料劈裂强度最大，较A、C的冷再生混合料劈裂强度约分别提高2.3%、6.7%，说明不同沥青型号的RAP对乳化沥青冷再生混合料劈裂强度影响较小，这是因为冷再生混合料强度主要由集料间内摩阻力和乳化沥青与集料的黏结力组成，因此沥青型号对冷再生混合料劈裂强度影响较小。

（2）同一RAP掺量下，不同沥青型号的乳化沥青冷再生混合料动稳定度变化微小，掺B的乳化沥青冷再生混合料动稳定度较A、C的冷再生混合料动稳定度约分别提高1.6%、2.9%。这是因为沥青路面使用年限一致条件下，不同型号的沥青技术性质相互接近，从而冷再生混合料抗车辙性能相当。

（3）同一RAP掺量下，不同沥青型号的乳化沥青冷再生混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比基本相当，说明沥青型号对乳化沥青冷再生混合料水稳定性影响微小。其中，掺A的冷再生混合料残留稳定度较掺B、C的冷再生混合料残留稳定度分别约降低了0.8%、2.0%，其冻融劈裂强度比分别约降低了1.1%、0.5%。这是因为乳化沥青和集料的黏结性是影响乳化沥青冷再生混合料水稳定性的主要因素。

2.3 RAP掺量影响

RAP掺量对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响如图3所示。沥青型号为A。

图3 RAP掺量～乳化沥青冷再生混合料路用性能关系Fig. 3 Road performance relationship between rap content and emulsified asphalt cold recycling mixture

由图3可知：

（1）同一使用年限下，随RAP掺量增加，乳化沥青冷再生混合料劈裂强度逐渐减小。当RAP掺量≤90%，RAP掺量增加10%，冷再生混合料劈裂强度约降低9.2%；当RAP掺量＞90%，冷再生混合料劈裂强度趋于稳定，且劈裂强度满足JTG F41-2008技术要求。这是因为RAP压碎值较高，且表面沥青老化严重，与乳化沥青黏结力较新集料弱，因此，RAP掺量越高，外部荷载作用下冷再生混合料劈裂强度较低。

（2）同一使用年限下，随RAP掺量增加，乳化沥青冷再生混合料动稳定度逐渐增加。RAP掺量由30%增加至50%时，RAP掺量增加10%，冷再生混合料动稳定度约提高11.3%；RAP掺量由50%增加至70%时，RAP掺量增加10%，冷再生混合料动稳定度约提高20.1%；RAP掺量由70%增加至90%时，RAP掺量增加10%，冷再生混合料动稳定度约提高13.1%；RAP掺量由90%增加至100%时，冷再生混合料动稳定度约提高8.6%，说明增加RAP掺量提高冷再生混合料动稳定度明显。这是因为RAP表面沥青老化，沥青质和胶质含量增大，致使针入度减小、软化点提高，从而沥青高温性能提高，冷再生混合料抗车辙性能随RAP掺量增加逐渐提高。

（3）同一使用年限下，乳化沥青冷再生混合料水稳定性随RAP掺量增加而变差，其残留稳定度呈线性降低，相关系数在0.98以上；冷再生混合料冻融劈裂强度比降低速率逐渐增大。当RAP掺量增加10%，冷再生混合料残留稳定度约降低2.1%；RAP掺量由30%增加至70%时，RAP掺量增加10%，冷再生混合料冻融劈裂强度比约降低0.3%；RAP掺量由70%增加至100%时，RAP掺量增加10%，冷再生混合料冻融劈裂强度比约降低2.7%，说明增加RAP掺量对乳化沥青冷再生混合料水稳定性影响较小。

综上研究所述，建议RAP掺量为70%。

3 结论

（1）同一RAP掺量下，乳化沥青冷再生混合料路用性能随使用年限增加而降低，且使用年限对冷再生混合料力学强度和水稳定性影响微小，对高温性能影响较大，当使用年限从3年增加至7年，冷再生混合料动稳定度约降低了19.8%。

（2）同一RAP掺量下，沥青型号对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响较小，掺B的冷再生混合料劈裂强度较掺A、C的混合料约分别提高2.3%、6.7%，动稳定度约分别提高1.6%、2.9%；掺A的冷再生混合料残留稳定度较掺B、C的混合料残留稳定度约分别降低0.8%、2.0%，冻融劈裂强度比约分别降低了1.1%、0.5%。

（3）同一使用年限下，随RAP掺量增加，乳化沥青冷再生混合料力学强度和水稳定性降低，高温性能提高。当RAP掺量＞90%，冷再生混合料劈裂强度趋于稳定，且满足JTG F41-2008技术要求；RAP掺量增加10%，冷再生混合料动稳定度提高8.6%以上；RAP掺量＞70%，增加RAP掺冷再生混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比降低较小。