基于振动搅拌的复合冷再生混合料性能研究

周浩南， 郑世伦， 梁旭之， 曹劲楠， 陈 伟

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.贵州省遵义公路管理局， 贵州 遵义 563100；3.重庆交通大学， 重庆 400074； 4.云南大永高速公路建设指挥部， 云南 邵通 657000)

近年来，我国很多半刚性基层沥青路面不仅沥青面层使用功能衰退严重，半刚性基层结构也遭到不同程度破坏，甚至丧失了承载能力，已不再适合作为基层使用。因此，路面改造时不仅要考虑沥青面层的再生利用，还要充分考虑半刚性基层材料的再生利用与结构补强。针对此情况，近年来一些沥青路面维修改造工程采用了“复合冷再生技术”，即将铣刨的沥青面层旧料(RAP料)和半刚性基层旧料按一定的比例进行掺配，并加入一定量的水泥、乳化沥青或泡沫沥青等，就地或厂拌形成再生混合料，直接用于路面上基层[1-2]。与目前普遍采用的沥青面层与半刚性基层单独再生利用的技术相比，复合冷再生技术具备以下几个优势：1) 同时实现了沥青面层和基层旧料的再生利用，几乎可以实现100%废旧利用的目标[3]；2) 复合冷再生基层刚柔兼备，不但弥补了半刚性基层开裂或柔性基层强度与刚度不足的缺点，而且对传统半刚性基层的干温缩开裂、抗冲刷等性能有改善，是对传统半刚性基层路面结构的技术优化，特别适合沥青面层较薄的二级及以下等级公路[4-6]。

尽管如此，复合冷再生也存在旧料利用率与再生质量成反比的现象。目前复合冷再生技术实际工程应用案例表明，再生混合料水泥裹附效果不均匀、各项性能不稳定、耐久性差等关键技术问题并未得到有效解决，导致复合冷再生的技术优势没有得到很好的发挥。分析原因主要有以下几方面：

1) 忽略了材料组成的复杂性。在材料组成上，复合再生要比单独的沥青面层或者半刚性基层再生复杂。铣刨的旧沥青面层混合料为柔性材料、旧基层混合料为半刚性材料，二者物理、化学以及水理性能均存在较大差异。在采用水泥冷再生时，粗糙的现场冷再生方式和普通厂拌(连续式静力搅拌)冷再生方式不足以使水泥对2种不同性质的材料有同等的裹附效果，造成水泥结团、再生混合料性能不稳定等问题，这是一直以来被忽视的关键问题[7-9]。

2) 缺乏系统的研究支撑。根据对相关方面研究文献的查阅和分析，目前对复合再生技术的研究成果虽然有一些，但不够系统和全面，还不足以支撑该技术更好地推广应用。比如半刚性水稳和柔性沥青混合料材料复合再生强度的形成机理、材料性质评价、再生混合料组成设计以及再生方式的适应性等均缺乏深入研究[10-11]。

综上分析，为显著提高复合冷再生技术的应用性能，除了对机理、材料组成、设计、评价等进行系统研究外，还需对复合冷再生的搅拌工艺进行优化研究。近年出现的振动搅拌技术，是以提高水泥混凝土和水泥稳定碎石混合料性能、提高结构物强度和使用耐久性的一项新技术，其技术原理是通过下卧轴的连续激振作用，使水泥混凝土和水泥稳定碎石在搅拌过程中始终处于振动状态，有效消除搅拌低效区、提高水泥裹附效果和利用率、提升混合料搅拌均质性和稳定性、降低变异性，从而提高混合料的各项力学性能和路用性能[12-13]。多个项目的实际应用表明：采用振动搅拌技术可使水泥稳定碎石混合料的强度提高10%～20%，变异性降低 10%～20%，且干温缩和抗冲刷性能均有显著改善[14]。由此可见，振动搅拌技术对提升以水泥为胶结料的混合料性能效果显著。此外，振动搅拌技术可降低试验变异性，可减小混合料成型过程中引起的误差，有利于提升实验室数据的准确性，可准确定位混合料性能的影响因素。

为此，基于实际需要，本文主要研究旧沥青面层与基层材料的性状综合分析评价、基于振动搅拌的旧面层与基层复合再生材料组成设计方法及复合再生混合料性能影响与评价。

1 原材料及试验方法

1.1 回收料性能评价

本文回收料主要来自贵州G243湄潭月亮坝至余庆公路部分路段沥青面层材料和水泥稳定基层材料，其主要性能指标如表1所示。其中回收料的含泥量严重超出规范[15]范围，含泥量高会直接导致混合料的吸水率偏大，以致影响复合冷再生混合料的强度、抗渗性、抗冻性等，同时也会增大混合料的收缩变形。

表1 回收料性能指标

1.2 复合冷再生配合比设计

沥青混合料旧料、水泥稳定碎石旧料筛分结果如表2所示。

表2 旧料筛分结果

根据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中对水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围，选择C-C-2的级配中值作为参考级配，回收料比例掺配设计如表3所示。

表3 不同掺配比例再生混合料级配

参照相关规范[15]中丙类击实方法，进行一系列击实试验后，确定了不同级配、水泥掺量条件下的复合再生材料的最佳含水率，最终复合材料的配合比如表4所示。

表4 复合再生混合料配合比

1.3 试验方法

本文试验主要涉及复合再生混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、干缩性能、温缩性能及冻融性能等试验，试验均参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中相应试验方法进行。

2 数据结果分析

2.1 力学性能

本文首先对不同搅拌方式的复合再生混合料进行了无侧限抗压强度测试，其中每个强度值进行6组平行试验，测试结果如表5所示。

由表 5可知，振动搅拌对复合再生混合料的强度提升效果较普通静力拌和显著，且提升幅度可超过30%，这足以满足等级路面基层的强度需求。此外，从标准差或变异系数来看，振动搅拌可明显减小强度试验的标准差，这主要是由于振动搅拌可减小搅拌过程中的团聚现象，使得混合料更均匀，性能更稳定。因此，本文后续性能测试试验均采用振动搅拌方式进行。

表5 不同搅拌方式复合再生混合料的无侧限抗压强度

通过研究复合再生混合料不同龄期的无侧限抗压强度与劈裂强度，可得到无侧限抗压强度与劈裂强度的代表值，结果如表6所示。

表6 复合再生混合料强度代表值

从表6试验结果可以看出，RAP料掺量对再生混合料强度的影响不是单调的，当RAP料掺量为30%时，其各龄期的无侧限抗压强度与劈裂强度均高于其余2个试验组，且7 d抗压强度已超过4 MPa，基本满足等级路面使用需求。

回收料之所以能再次形成强度，混合成复合再生混合料，并且使强度满足投入使用的要求，是因为回收水稳材料针片状含量低，很多集料表面裹覆着旧水泥砂浆，混合后进行振动搅拌时产生了二次放热现象，再加上回收水稳材料的表面粗糙，具有较好的棱角性结构，这种结构增加了再生混合料再粘结时的嵌挤作用。

2.2 路用性能

2.2.1 干缩性能

再生料的干缩性能与失水率有着密切联系，因此，在公路大修改造项目中需注意前期的养护，防止失水过多造成对再生基层的不利影响。本文对复合再生混合料进行了干缩性能试验，测试了不同龄期的失水率与干缩量，其变化情况如图1、图2所示。

从图1可见，随着龄期增加，所有掺配比例下的再生混合料的失水率都在逐渐变大，其中前20 d的失水率比较明显。这可能是由于旧料含泥量较高、吸水性较强，同时前期击实试验中最佳含水率偏高，部分掺配比例达到了9%的加水量，因此水分流失也较快。另外，由于回收料在成型初期的二次放热作用，使得混合料内部在龄期较短时温度略微上升，使得水分更容易蒸发，引起再生材料中的毛细管张力作用、吸附水和分子间力作用、干燥收缩的层间水作用以及碳化脱水作用，最终引发材料整体的体积发生变化。而从图2可知，水分的散失引发了材料的收缩变形，随着龄期的增加，混合料的干缩量也在不断增大，且变化趋势与失水率大致相同；当回收料掺配比例为60∶40时，混合料的干缩量最小。

图1 复合再生混合料失水率

图2 复合再生混合料干缩量

2.2.2 温缩性能

复合再生混合料的温缩系数如图3所示。由图3可见，3种掺配比例下，再生混合料的温缩系数随温度的降低呈先下降再上升的趋势，在0 ℃～40 ℃时，温缩系数出现下降，在-10 ℃～0 ℃时，温缩系数上升，在0 ℃～10 ℃这个区间均出现最小值。在-10 ℃～40 ℃变化过程中，各组温缩系数从大到小分别为：60∶40>70∶30>80∶20，表明RAP料对于温度的变化更敏感，且RAP料含量的增加，再生料的温缩系数逐渐增大，特别在回收RAP料增加到40%时，温缩系数增加显著。

材料的温度胀缩性是由基层材料热学性质相互作用而产生的综合效应决定的，具体表现为复合冷再生基层材料整体的体积变化。半刚性基层材料的固相是由回收料颗粒之间经过化学反应生成具有胶结作用的结晶体和凝胶体。当温度较高时，沥青表面软化，展现出了粘连性；当温度偏低时，复合再生混合料的粘结界面会变脆，容易开裂，使混合料胶结强度降低，导致反射裂缝的产生，从而使得材料抵抗温度收缩应力的能力减弱。

图3 复合再生混合料温缩系数

2.2.3 抗冻融性能

为了研究再生混合料的抗冻融性能，本文主要测试了3种掺配比例下，冷再生材料在经历不同次数的冻融循环后的无侧限抗压强度(UCS)及质量损失率(Wn)的数据，结果如表7所示。

表7 复合再生混合料冻融循环试验结果

由表7可见，随着冻融次数的增加，复合冷再生基层材料的无侧限抗压强度在逐渐降低，而质量的损失率逐渐增大，表明冻融的过程使复合冷再生基层材料的路用性能降低。冻融循环后，随着RAP料掺量从20%增加到40%，抗压强度的损失百分比越小，即随着RAP料掺量的增加，使抗压强度的损失率减小。

而在冻融循环次数从10次到15次过程中，无论是质量损失还是抗压强度损失的幅度，均大于冻融循环从0次到5次、5次到10次的损失幅度，而冻融循环次数小于10次时，损失幅度较为稳定。这表明当冻融循环次数较小时，再生混合料的抗冻融性能衰减速度较为稳定，但冻融循环次数超过一定次数后，再生混合料的抗冻融性能会显著下降，甚至影响路面的正常使用。

3 结论与建议

本文主要研究了在振动搅拌条件下，复合冷再生混合料的力学性能与路用性能的影响因素及发展状况，主要有以下几点结论：

1) 振动搅拌能有效改善再生混合料的搅拌均匀性，并提升复合再生混合料的强度，提升幅度可达30%。

2) RAP料掺量较多时，含泥量也较多，会使得材料吸水性增大，但也更容易锁住材料内部水分，这均会影响混合料的干缩性能，本文试验组中RAP料掺量为40%时，干缩量最小。

3) RAP料对温度变化更敏感。当其掺量较大时，混合料的温缩应变也较大，本文试验中RAP料掺量为20%时，温缩系数最小。

4) 随着RAP料掺量从20%增加到40%，抗压强度的损失百分比逐渐减小，即RAP料掺量的增多使得复合再生混合料冻融后，抗压强度的损失率下降。

5) 本文原材料均来源于同一条国道的局部路段，对其余道路回收料复合再生情况并不具备更广的代表性。