改性乳化沥青冷再生混合料高温性能研究

赵福利，窦维禹，吴军银，赵轩

( 1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230000；2.东南大学，江苏 南京 211189 ) *

乳化沥青就地冷再生技术是一项绿色环保的再生技术，由于其节约工程材料，环境污染较小、RAP料利用率高等优点在高速公路大中修工程中得到了推广与利用[1-3].该技术目前多用于高速公路的基层或者下面层，或者低等级公路.随着我国对冷再生混合料的不断深入研究，其应用层位和应用范围也在不断扩大，对冷再生混合料的高温抗车辙性能的要求也在不断提高.参考在热沥青中添加改性剂来不断提高沥青的各项性能，改性乳化沥青冷再生技术也在近几年得到了越来越多的应用.目前道路建设最常用的改性剂为聚合物改性剂，如热塑性树脂类的SBS和橡胶类的SBR等.而SBR胶乳因为其制备简易、能提高混合料的各项路用性能而在乳化沥青中得到广泛的应用.潘怀兵[4]采用冻融劈裂强度试验、高温车辙试验、低温弯曲梁试验分析了SBR改性乳化沥青冷再生混合料的路用性能, 并与普通乳化沥青冷再生混合料进行了对比分析.结果表明SBR的掺入能有效改善冷再生混合料的抗水损性能、提高冷再生混合料的抗裂和高温性能；GAO[5]基于路面实际的温度场和应力场设计了一种新的循环动态蠕变试验，对比了不同水泥掺量的冷再生混合料作为下面层的整体高温性能；结果表明水泥掺量从1.5%提高到2.0%，可以改善冷再生路面的高温性能；通过与新建路面结构的对比，验证了将冷再生层作为下面层的路面结构具有良好的高温性能.

本文基于新开发的多序列重复蠕变加载试验，模拟得到冷再生层作为高速公路的中面层的实际温度；基于实际的温度场，分析不同路面结构的整体高温性能以验证改性乳化沥青冷再生混合料在高速公路的适用性.

1 原材料

1.1 RAP料

本文的RAP料由某高速公路的上中面层通过大型铣刨机铣刨获得，得到的RAP经过烘干干燥后测出其级配，避免由于水分造成细集料的粘结聚团现象.其级配如表1所示.

表1 RAP料筛分级配表

1.2 乳化沥青

本文所使用的乳化沥青有两种，分别为普通乳化沥青和添加3%SBR胶乳的改性乳化沥青.SBR胶乳通过搅拌机以1 000 r/min的转速加入乳化沥青中进行机械搅拌.

冷再生混合料所采用的两种乳化沥青结果如表2所示，其技术要求参考江苏省地方规程《乳化沥青就地冷再生技术应用指南及施工技术规程》(以下简称规程).依据中华人民共和国交通部行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，检测结果表明两种乳化沥青均合格.

表2 冷再生乳化沥青试验检测结果

1.3 水泥

为了提高混合料的性能，添加1.5%～2.5%的水泥，除了能增加再生混合料获得强度的速率(获得较快的早期强度)和提高水稳定性外，另外没有与水发生反应的一部分水泥可以作为填料[6].就地冷再生混合料中采用的水泥标号为P.O 42.5，参考设计文件中对水泥性能的要求，具体的水泥试验技术指标如表3所示.

表3 水泥检测结果

乳化沥青就地冷再生技术所用的水纯净无杂质均可使用.

2 试件准备及试验方法

2.1 试件准备

冷再生混合料均按照2%的水泥、2.79%的外掺水量和3.5%的乳化沥青的掺量配比设计进行成型，使用旋转压实仪压实30次进行成型.成型结束后按照先自然养生12h，60℃鼓风烘箱养生48h，再自然冷却12h的养生方式进行养生.养生结束后进行试件的切割.按照试验确定的试件厚度进行切割，切割流程图和照片如图1所示.

图1 半圆试件切割流程

本文使用AC-20和Sup-20热拌沥青混合料与冷再生混合料进行对比.

2.2 试验方法

多序列重复加载动态蠕变试验共分为预加载阶段与多序列加载阶段.对于预加载阶段：荷载级别0.7 MPa，单个加载周期1s，应力脉冲时间0.1s，分层试件加载500次，整体试件加载1 000次.多序列加载阶段：本阶段共包含30个加载序列，分层试件的加载应力幅值范围为0.5～1.0MPa，整体试件加载应力幅值范围为0.6～1.1MPa，都是分为6个荷载等级，每一级别提高0.1 Pa.分层试件每种荷载级别下的脉冲时长的作用次数为50，整体试件每种荷载级别下的脉冲时长的作用次数为100，单个加载周期时长固定为1 s.

整体试件需将各层试件通过乳化沥青粘结后得到.将四周和底部分两次刷涂 ZS-1 型耐高温隔热保温涂料，待足够定固化时间后(3 天左右)，放入UTM试验机里在确定的温度下试验.

2.3 评价指标

根据多序列局部加载试验提出了复合平均应变率(CASR)和复合蠕变刚度模量(CCSM)两个指标.平均应变率也可以被认为是在每个加载序列中累积应变的斜率.计算每个加载序列在整个多序列加载中所占的比例，并乘以对应加载序列的应力级别大小，然后叠加即得到材料的复合平均应变率.复合蠕变劲度模量的计算需要用到试件在多序列局部加载试验中受到的等效应力.与复合平均应变率不同的是，复合蠕变劲度模量的计算既包含了多序列加载产生的累计永久应变，也包括了试件在预加载阶段产生的累计应变.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 试验方案

2.4.1 分层动态蠕变试验

通过多序列重复加载分层动态蠕变试验对比改性前后乳化沥青冷再生混合料高温性能的差异，再与两种级配AC-20和Sup-20热拌沥青混合料的高温抗车辙性能进行对比；最后通过全厚式的多级加载动态蠕变试验验证其在高速公路面层的适用性.为了后文叙述方便，将普通乳化沥青冷再生混合料简称为CEAM，改性乳化沥青冷再生混合料简称为MCEAM，试验方案见表4.

表4 分层蠕变试验方案

2.4.2 全厚式动态蠕变试验

本文为了对比不同路面材料在整体结构中的高温性能，提出的6种路面结构进行全厚式多序列局部加载蠕变试验，试验方案见表5.

表5 全厚式动态蠕变试验

3 温度场模拟

由于冷再生层的厚度和材料性质的原因，在实际应用中其层位的温度与传统的热料有所区别，且以往学者研究冷再生层的温度往往以24h的温度变化来研究，选取的样本较少，无法准确模拟冷再生层的温度，本文基于comsol软件来模拟芜合高速冷再生层的夏季温度场，分析芜合高速路面的温度场的分布及变化规律.考虑到comsol中只有三维模型能够添加外部辐射源并将其定义为太阳辐射源来模拟一天中太阳在不同时间的辐射角度的变化，因此本文建立三维路面模型.

路面中各层材料的参数数据见参考文献[7]，包括密度、恒压热容、热传导率、泊松比和弹性模量等.定义太阳辐射吸收率为0.90，路面发射率为0.81.comsol有自带的环境气象数据，模拟时可以直接调用当地的温度、露点、风速、气压、以及太阳直接辐照度和散射辐照度随日期和时间变化的关系等.本文调用合肥夏天两个月的气象数据(7～8月).

最后进行网格剖分和瞬态研究，设置相应的研究步长和总研究时间，以研究在不同气温环境下，路面温度场的变化规律.求解的时间范围为0～1 440 h，在外部辐射源中规定了求解的起始时间分别为7月1日～8月29日，此处的0即为当日的零点开始计算，步长0.5 h，计算1 440 h(60天)内的温度变化.模拟结果见图2.

图2 芜合高速夏季温度场三维模型及温度变化规律

从图2中可以发现，在7-8月份的夏季，沥青路面表面的最高温度在59～64℃，距离路表2cm的最高温度约为58～60℃，冷再生层层顶的最高温度在50～56℃，与路表温度相比下降了约8℃，冷再生层层底的最高温度在44～48℃.

夏季时，路表在太阳辐射和大气温度的共同作用下，吸收大量热量温度快速升高，经过冷再生层的传热后，温度下降明显.这是由于一方面乳化沥青冷再生混合料其空隙较热拌沥青混合料空隙较大，但并非连通空隙，造成材料的导热系数相对较低，传递热量时耗散较多；另一方面冷再生层厚度较厚，热量传递到冷再生层底也较慢，与路表温度相比下降了约15℃.这表明10cm的冷再生层可以有效降低路面结构层温度.根据AASHTO的沥青路面设计规范，应当取距离路表面2cm处的温度作为最不利状态下的温度.因此在夏季高温条件下冷再生层的试验温度设定为51℃.董尼娅[8]运用comsol研究了传统高速公路沥青路面结构的夏季温度场，并与实测温度作为对比，确定了中面层的试验温度为58℃.

4 试验结果分析

4.1 分层蠕变试验结果分析

4种不同类型的沥青混合料的MSRL试验所得的累积微应变曲线如图3所示.

图3 四种沥青混合料累积永久应变与荷载作用次数对应关系

从图3中可以发现：

(1)4种沥青混合料的累积永久变形均未超过20 000 με，仍处于蠕变稳定阶段，产生的累积微应变从大到小顺序为：CEAM>MCEAM>AC-20>Sup-20，表明普通乳化沥青冷再生混合料的抗高温变形能力较差，Sup-20热拌沥青混合料最优；

(2)2种冷再生混合料与热拌沥青混合料相比，在蠕变迁移阶段产生的应变快速增加，永久应变快速积累，但是应变发展速率逐渐降低.这是由于冷再生混合料的空隙率较大约为10%，而热料在4%左右，在施加荷载的初始阶段会产生较大的变形；

(3)MCEAM在加载结束后与CEAM相比，其累积微应变约减少25%，这意味着SBR胶乳可以显著改善冷再生混合料的高温性能；而MCEAM与AC-20曲线较为接近，且蠕变发展速率小于AC-20，表明改性乳化沥青冷再生层作为高速公路中面层具有良好的高温抗变形能力.

表6为4种沥青混合料的复合平均应变率和复合蠕变劲度模量.

表6 四种沥青混合料的高温蠕变参数

从表6中可以看出MCEAM与AC-20、Sup-20热拌沥青混合料的复合蠕变速率均在2.2～2.4 με/次之间，远小于普通乳化沥青的3.52με/次，表明改性乳化沥青冷再生混合料具有良好的抗车辙性能.复合蠕变劲度模量CCSM因为考虑了预加载阶段的累积应变，所以对于蠕变迁移阶段变形较大的冷再生混合料，其劲度模量均小于热拌沥青混合料.

4.2 全厚式蠕变试验结果分析

6种路面结构的MSRL试验所得的累积微应变曲线如图4所示.

图4 六种路面结构累积永久应变与荷载作用次数对应关系

从图4中可以发现6种路面结构组合蠕变试验的累积微应变从大到小的顺序为：A>D>C>E>F>B.A>D>C>B验证了上文改性乳化沥青冷再生层的高温性能优于普通乳化沥青冷再生层的结论，同时表明AC-13+MCEAM+AC-25这种路面结构与传统的高速公路沥青路面结构相比，具有更好的抵抗变形能力；C>E>F意味着冷再生层作为下面层其整体的高温性能优于AC-13+AC-20+AC-25路面结构；B是在改性乳化沥青冷再生层作为中面层的条件下，在其上面加铺4cmAC-13的路面结构组合，可以看出这种路面结构的累积微应变最小，其抵抗车辙变形能力最强.

图5和图6为全厚式蠕变试验得到的蠕变参数复合平均应变率和复合蠕变劲度模量以及二者的相关性.从图5中可以发现：

(1)A的复合平均应变率最大且复合蠕变劲度模量最小，表明普通乳化沥青冷再生层作为高速公路的中面层，其整体的高温性能较差，容易产生车辙病害，影响路面的使用寿命，不建议使用.

(2)B的复合平均应变率最小，复合蠕变劲度模量较大，说明改性乳化沥青冷再生层作为高速公路中面层均有较好的抗车辙能力；同时B的复合蠕变劲度模量最大，表明其刚度最大，试验加载完产生的累积应变最小.

图6 复合蠕变劲度模量与复合平均应变率相关性分析

从图6中可以发现复合蠕变劲度模量与复合平均应变率呈明显的负相关，相关系数为0.83，相关性良好.

5 结论

(1)冷再生层作为高速公路的的中面层路面，在夏季高温条件下，层底的温度与路表相比下降了约15℃，表明10 cm的冷再生层可以有效降低路面结构层温度；

(2)改性乳化沥青冷再生混合料的复合蠕变速率与两种热料接近，均在2.2～2.4 με/次之间，远小于普通乳化沥青的3.52 με/次，表明改性乳化沥青冷再生混合料具有良好的抗车辙性能.

(3)AC-13+MCEAM+AC-25这种路构与传统的高速公路沥青路面结构相比，具有更好的抵抗变形能力.

(4)在整体结构中，冷再生层作为高速公路的下面层，其整体的高温性能优于传统的路面结构；

(5)高温蠕变参数复合蠕变劲度模量与复合平均应变率呈明显的线性负相关，相关性良好.