RAP特性对冷再生沥青混合料性能影响研究*

张亘， 冯明林

(1.河南省交通科学技术研究院有限公司， 河南 郑州 450015；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州 450018)

沥青路面再生技术分为热再生和冷再生，热再生技术在对废旧材料加工拌和中不仅消耗大量能源，还会造成环境二次污染，而冷再生技术针对回收沥青路面材料(RAP)，通过加入一定比例新材料后拌和重组，能耗低、效率高、施工工艺简单。王瑛等针对广东地区的地理气候特征和路用材料特性，通过正交试验研究PF掺量、TLZS-B2掺量、RAP掺量对再生沥青混合料高温性能、水稳定性能、疲劳性能的影响，结果表明当PF掺量为0.25%、TLZS-B2掺量为6%、RAP掺量为50%时，热再生沥青混合料具有较优的路用性能。程其瑜等基于马歇尔试验方法和美国沥青协会维姆混合料设计方法，结合工程实践经验，以稳定度、空隙率、矿料间隙率和有效沥青饱和度为主要控制指标，分析了RAP掺量对厂拌热再生沥青混合料马歇尔指标的影响。郭娟等为研究热再生沥青混合料在不同温度区间的动态流变性能，通过动态模量试验，测定了不同温度时动态模量、相位角、疲劳因子和车辙因子随加载频率和RAP掺量的变化，结果表明RAP掺量为50%时，热再生沥青混合料具有良好的高温性能，同时能兼顾较好的中低温性能。目前对RAP特性对再生混合料整体性能的影响研究较少。为此，该文以RAP使用年限、沥青品种及结构层位为切入点，研究RAP特性对冷再生混合料性能的影响，为再生混合料技术发展提供参考。

1 配合比设计

以连续性级配AC-16C为研究基础，混合料矿料全部采用RAP，对于铣刨的超粒径RAP采用过筛处理，同时为提高混合料整体性能和结构形态，添加3%的水泥。水泥的性能指标见表1。

表1 水泥的性能指标

在水掺量为2.5%的前提下，以间隔0.5%控制乳化沥青用量变化范围为3%～5%。混合料拌和完成后，马歇尔击实75次成型标准试件，将试件在60 ℃环境下养生3 d脱模，测试其最大干密度和浸泡在60 ℃水中30 min后的马歇尔稳定度，以最大干密度和稳定度对应的乳化沥青用量为最佳用量。乳化沥青的性能指标见表2。然后以最佳乳化沥青用量，间隔0.5%控制外掺水变化范围为1.5%～3.5%，试件成型方法与前述相同，在相对湿度90%环境下养生3 d脱模，以其最大干密度对应的含水量为最佳掺水量。RAP级配见图1。

表2 乳化沥青的性能指标 %

图1 RAP级配曲线

2 RAP使用年限对冷再生混合料性能影响

2.1 乳化沥青用量及用水量

采用标准方法成型不同使用年限RAP冷再生混合料试件进行室内试验，测试乳化沥青和水的掺量，结果见图2和图3。

图2 RAP不同使用年限下乳化沥青用量

图3 RAP不同使用年限下用水量

从图2、图3可看出：随着RAP使用年限的增加，混合料最佳乳化沥青用量及用水量增加，年递增量均为0.06%～0.08%。RAP在沥青路面冷再生过程中相当于“黑色集料”，在常温施工条件下，RAP使用年限增加，表面沥青老化越严重，表面裹覆沥青量减少。同时RAP矿料在长时间交通荷载作用下，表面会产生一定裂痕。因此，在乳化沥青破乳后，加大对沥青的吸附和对水分的吸收方可达到冷再生混合料拌和均匀性。

2.2 稳定性及强度

在炎热的夏季，高温车辙是沥青路面的主要病害。冷再生技术采用原路面的RAP，高温稳定性研究必不可少。在最佳乳化沥青用量和最佳用水量的前提下，成型不同使用年限RAP冷再生混合料标准车辙试件进行稳定度试验，结果见图4。从图4可看出：RAP使用年限增加，冷再生混合料的动稳定度呈递减趋势，平均递减幅度为40～80次/mm。这是由于随着RAP使用年限的增加，沥青老化程度加强，混合料矿料颗粒流动变形减小，冷再生混合料抵抗高温行车荷载的能力降低，动稳定度减小。

图4 RAP不同使用年限下冷再生混合料的动稳定度

为进一步探究混合料强度机理，室内成型不同使用年限RAP冷再生混合料马歇尔试件，在15 ℃环境下进行劈裂强度检测，结果见图5。从图5可看出：随着RAP使用年限的增加，冷再生混合料的劈裂强度整体变化不大。由于是常温施工，虽然RAP不同使用年限下乳化沥青用量有所变化，但在短时间内乳化沥青破乳渗透较难，混合料强度还是借助RAP矿料的镶嵌作用。

图5 RAP不同使用年限下冷再生混合料的劈裂强度

2.3 水稳定性

采用浸水马歇尔和冻融劈裂强度比对不同使用年限RAP冷再生混合料水稳定性进行评价，试验结果见表3。

表3 RAP不同使用年限下冷再生混合料的水稳定性

从表3可看出：随着RAP使用年限的增加，冷再生混合料的水稳定性减小。在成型马歇尔标准试件时，由于RAP表面沥青老化，沥青质增加，RAP表面带有更多正电荷，受同种电荷相排斥的影响，作为阳离子的乳化沥青，亲水基带正电荷的阳离子乳化剂不易在RAP表面吸附，一定程度上影响了乳化沥青冷再生混合料的强度。随着RAP使用年限的增加，表面老化不断增强，沥青质增加，致使这一现象更明显，水稳定性有所降低。

3 RAP沥青品种对冷再生混合料性能影响

不同路段即使使用年限相同，原路面沥青品种也会有所不同。选取使用2年的不同沥青品种RAP，通过试验分析其对冷再生混合料性能的影响，结果见图6～9。试件成型方法与上述相同。

从图6～9可看出：同种沥青标号下的RAP，不同厂家生产的沥青在沥青路面冷再生过程中，最佳乳化沥青用量和最佳用水量相差不大；相同标号70#沥青的动稳定度为1 780～1 790次/mm，相差较小；残留强度比和残留稳定度比差别不大，整体在80%以上。说明虽然路面在使用过程中不同厂家生产的沥青材料都会老化，但同种标号沥青的变化趋势相同。从强度角度考虑，冷再生混合料在养护成型后，强度还是靠矿料间的镶嵌形成的内摩阻力及黏结材料形成的内聚力。因此，在RAP使用选择中，只要使用年限和沥青标号相同，不同RAP可根据工程实际需要交叉使用。

图6 不同沥青品种下乳化沥青用量及用水量

图7 不同沥青品种下冷再生混合料的动稳定度

图8 不同沥青品种下冷再生混合料的劈裂强度

图9 不同沥青品种下冷再生混合料的水稳定性

4 RAP路面层位对冷再生混合料性能影响

4.1 乳化沥青用量及用水量

沥青路面在使用过程中，不同路面层位沥青老化程度不同。另外，受交通荷载的作用，矿料也会产生变化。为此，对RAP路面层位对冷再生混合料性能的影响展开研究。将使用2年的不同层位RAP料，剔除超粒径后成型试件(试件成型方法与上述相同)进行试验，结果见图10。

图10 RAP不同结构层位下乳化沥青用量及用水量

从图10可看出：RAP层位越深，乳化沥青和水的掺量愈小，上、下面层乳化沥青用量和用水量相差0.1%～0.3%。上面层RAP老化严重，沥青剥离量较多，表面沥青含量较少，另外在交通荷载作用下，原集料会受到不同程度的开裂或细化，冷再生过程中会大大增加对乳化沥青的吸附。同时，在混合料拌和过程中，要满足拌和均匀性，会促进水分的吸收。而下面层受到上、中面层的间接保护，RAP表层沥青老化和破损较小，对乳化沥青和水的需求量减少。

4.2 稳定性及强度

RAP不同结构层位下冷再生混合料的稳定性见图11。从图11可看出：随着RAP路面层位的加深，乳化沥青冷再生混合料的高温抗车辙性能逐渐增强，在相同试验条件下，上、下面层的动稳定度相差200～300 次/mm。因为上面层RAP受到更多外界的影响，老化程度高，沥青与集料间的黏附性降低幅度较大，在高温及外界车辆荷载作用下，集料颗粒会发生移位变形，动稳定度较小。

图11 RAP不同结构层位下冷再生混合料的动稳定度

将不同结构层位RAP成型芯样进行劈裂强度试验，结果见图12。从图12可看出：15 ℃劈裂强度与高温抗车辙性能的变化趋势相同。老化较严重的上面层，集料表面的老化沥青与乳化沥青相互渗透和交织困难，胶黏作用小，成型后的路面在环境影响下更易发生开裂。

图12 RAP不同结构层位下冷再生混合料的劈裂强度

4.3 水稳定性

在最佳乳化沥青用量和最佳用水量的前提下，采用与上述相同的方法成型试件进行水稳定性试验，结果见图13、图14。

从图13、图14可以看出：中、下面层的残留稳定度和残留强度比上面层高4%～5%。上面层的水稳定性虽然满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求，但相对于中、下面层略低。受上面层的间接保护，中、下面层的老化程度相对较低，相同使用年限的RAP，在冷再生过程中，即使有水泥添加剂水化产物的“桥梁”作用，还是应尽量选取中、下面层RAP。

图13 RAP不同结构层位下冷再生混合料的残留稳定度比

图14 RAP不同结构层位下冷再生混合料的残留强度比

5 结论

(1) 随着RAP使用年限的增加，冷再生混合料最佳乳化沥青用量及用水量年递增幅度为0.06%～0.08%，动稳定度年递减幅度为40～80 次/mm，而15 ℃劈裂强度变化不大，水稳定性有所下降。

(2) 不同厂家生产的同种沥青标号RAP对冷再生混合料最佳乳化沥青用量和用水量、动稳定度、劈裂强度、水稳定性的影响不大，即只要使用年限和沥青标号相同，同种层位的不同RAP可根据工程实际需要交叉使用。

(3) RAP选取层位越深，乳化沥青和水的掺量愈小，掺量相差0.1%～0.3%；15 ℃劈裂强度与高温抗车辙性能有所增强，其中上、下面层动稳定度相差200～300 次/mm；中、下面层残留稳定度和残留强度比上面层高4%～5%。