养生条件对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响*

刘 涛

(重庆重交再生资源开发股份有限公司，重庆 401147)

乳化沥青冷再生技术是以乳化沥青为再生混合料的粘结剂，将旧沥青路面沥青混合料回收料（reclaimed asphalt pavement，简称RAP）经过翻挖、回收、破碎、筛分之后[1]，根据维修路面的结构及功能需求选择加入少量新集料和一定比例冷再生剂（乳化沥青、水泥、矿粉、水等），在自然条件下拌和、摊铺及碾压成型，形成再生路面结构层的一种施工技术[2-4]。由于其方便快捷、节能环保，近年来在我国已经得到大范围的推广应用[5-7]。

乳化沥青冷再生混合料组份复杂[8]、新旧矿料级配难以控制[9]、成型养生工艺不统一[10]，导致其仍存在早期强度低、路用性能差等问题，直接影响冷再生路面的应用效果和使用寿命[11-13]。谢宝山[14]研究了不同水泥用量与掺和方式对乳化沥青冷再生混合料早期性能的影响，表明水泥以外掺形式，用量为1.5%时，冷再生混合料性能最佳；杨泽楠[15]经研究发现，水泥和石灰可以提高乳化沥青冷再生混合料路用性能；张勇[16]研究了RAP（废旧沥青路面回收材料）掺量与特性对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响；陈兵等[17]基于正交试验-贝雷法对乳化沥青冷再生混合料进行配合比设计优化，优化后的混合料路用性能有较大提升。

目前，关于乳化沥青冷再生混合料已有较多报道，但以养生条件为控制指标对冷再生混合料的路用性能的研究较少。基于此，本文以劈裂试验、车辙试验、浸水马歇尔试验为指标，研究养生时间、养生温度及养生表面风速对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响，并探究乳化沥青冷再生混合料强度形成机理。

1 试验部分

1.1 原材料

（1）乳化沥青

乳化沥青：重庆重交再生资源开发股份有限公司，技术性能指标见表1。

表1 乳化沥青技术指标Table 1 Technical index of emulsified asphalt

（2）RAP

RAP料：重庆市某道路翻修现场，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）[18]对旧沥青抽提，并进行性能检测，结果见表2。

表2 旧沥青性能指标Table 2 Performance index of old asphalt

（3）新集料

石灰岩，粒径范围9.5～19 mm。

（4）水泥

P·O42.5普通硅酸盐水泥，其技术指标见表3。

表3 水泥技术指标Table 3 Cement technical index

（5）水

试验所用水为当地可饮用水。

1.2 配合比设计

1.2.1 级配

本研究中RAP料：新集料=7：3（质量比），掺入1.5%（集料总质量）的普通硅酸盐水泥提高冷再生混合料早期强度，并根据《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）[19]，采用乳化沥青冷再生混合料中粒式级配，级配范围及合成级配见表4。

表4 RAP抽提后级配设计结果Table 4 Gradation design results after RAP extraction

1.2.2 最佳含水率

通过有效压实，可使混合料在最佳含水率时，密实度与强度达到最大值。在乳化沥青用量为4.0%的条件下，调整含水率分别为3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，参照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）[20]中T0131击实试验，以重型击实方法确定乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率和最大干密度，其击实曲线如图1所示。

图1 不同含水率的冷再生混合料干密度曲线Fig.1 Dry density curve of cold recycled mixture with different moisture content

从图1看出，乳化沥青冷再生混合料的干密度随含水率的增加呈现先增大后减小的趋势，当含水率为4.0%时，冷再生混合料干密度达到最大值，为2.26 g/cm3。

1.2.3 最佳乳化沥青用量

保证总用水量不变，在最佳含水率为4.0%的条件下，调整乳化沥青用量为3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，依据JTG E20-2011中T0716 沥青混合料劈裂试验，分别测试乳化沥青冷再生混合料的干、湿劈裂强度，并以干湿劈裂强度比确定最佳乳化沥青用量，乳化沥青用量与冷再生混合料干湿劈裂强度比关系曲线如图2所示。

图2 不同乳化沥青用量的冷再生混合料劈裂强度曲线Fig.2 Splitting strength curve of cold recycled mixture with different amount of emulsified asphalt

由图2可知，随着乳化沥青掺量的增加，冷再生混合料的干湿劈裂强度比先增大后减小，且乳化沥青掺量为4.3%时干湿劈裂强度比达到最大值，为80%。乳化沥青破乳后与水泥等形成胶结料，牢牢地裹覆在集料表面，限制了骨料间的滑移，因此乳化沥青冷再生混合料的干湿劈裂强度比增大。当乳化沥青用量较多，一方面会导致集料表面沥青过多，在受到外界压力时，骨料间发生滑移，因此强度减弱；另一方面，混合料内部会存在未破乳的乳化沥青，致使胶结料的粘结性下降，劈裂强度降低。故研究中冷再生混合料中最佳乳化沥青用量为4.3%。

1.3 混合料路用性能试验

参考JTG E20-2011中T0709、T0716、T0719，以浸水马歇尔试验、劈裂试验及车辙试验，研究养生时间、养生温度及养生表面风速对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 养生时间

在养护温度60℃、未开启鼓风装置的条件下，研究养生时间为2、4、6、8、10 d对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响，结果如图3所示。

图3 养生时间对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响Fig.3 Effect of curing time on road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

由图3可知，冷再生混合料的路用性能均随养生时间的增加而逐渐提高，养生10d后，其残留稳定度、动稳定度、劈裂强度分别为83.5%、8000次/mm、0.56 MPa，相较于养生2d增长了11.6%、212.1%、62.9%。主要是由于冷再生混合料成型后，其内部的水泥发生水化反应，水化产物相互搭接，水泥浆体由流变状态转变为塑性状态，混合料路用性能得到提升；另一方面，水泥水化会消耗乳化沥青中水分，促进乳化沥青破乳，破乳后的乳化沥青发生团聚，与水泥的水化产物相互作用并形成乳化沥青-水化产物的立体空间结构物，并牢牢地裹覆在集料表面，增强了集料间的作用力，从而提升混合料高温稳定性与抗水损害性能，由于水泥的水化反应是持续缓慢的过程，因此冷再生混合料路用性能会随养生时间的延长而逐渐提高。从图3还可看出，养生6 d后，乳化沥青冷再生混合料路用性能增长幅度减小，表明水泥水化反应达到一定程度后，水化速率降低，且6 d后乳化沥青基本完全破乳。

2.2 养生温度

在养生时间6 d、未开启鼓风装置的条件下，研究养生温度为20、30、40、50、60 ℃对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响，结果如图4所示。从图4看出，随养生温度的升高，乳化沥青冷再生混合料的路用性能呈现先上升后下降的趋势，其中养生温度为50℃时，其残留稳定度、动稳定度及劈裂强度较好，分别为81.9%、8000次/mm、0.52MPa。这主要是由于提高养生温度可加快水泥的水化速率，形成的水化产物也会加速乳化沥青破乳，使水分较易排出，胶结料开始形成强度，同时水泥水化产物也对冷再生混合料的强度有一定积极作用；而破乳后的乳化沥青表现出高粘接力的特性，增大混合料内聚力，骨料间相互作用增强，因此混合料的路用性能随温度的升高逐渐提高。当养生温度高于50℃，由于养护温度过高，混合料内部水分挥发过快，导致水泥水化反应不完全，因此混合料的路用性能有所下降。

图4 养生温度对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响Fig.4 Effect of curing temperature on road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

2.3 表面风速

冷再生混合料养生初期表面风速也会对其路用性能有一定影响。本文在养生温度50℃、养生时间2d的条件下，采用小型鼓风机吹扫试件表面，将其作为试验组，并以相同条件将未进行表面吹扫的试件设置为对照组，以研究表面风速对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响，结果见表5。

表5 表面风速对乳化沥青冷再生混合料路用性能的影响Table 5 Effect of surface wind speed on road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

从表5看出，相同条件下，试验组乳化沥青冷再生混合料的路用性能要优于空白组，且试验组混合料的劈裂强度、动稳定度、残留稳定度相较于对照组分别增长了19.4%、28.7%、3.9%，说明冷再生混合料养生初期，对其进行表面吹扫有助于提高混合料的路用性能。这主要是由于乳化沥青的破乳速度决定冷再生混合料的路用性能，而乳化沥青破乳速率与混合料内部水分挥发速率相关。因此根据道尔顿蒸发定律[21]，液体蒸发速率如式（1）所示：

式（1）中：W为液体蒸发速率；C为风速系数，与风速大小呈正比关系； 是表面水温对应的饱和水汽压es与水面上空气中实际的水汽压e的差；P为液体表面的蒸气压。

由式（1）可知，液体蒸发速率与表面风速呈正相关关系，即表面风速会加快液体的蒸发。在冷再生混合料养生初期对其进行表面吹扫处理，可加快水分挥发，从而打破乳化沥青的稳定状态，使其破乳，表现出优异的粘结力，提高混合料早期强度，抵抗水损坏作用，从而提高混合料的路用性能。

2.4 乳化沥青冷再生混合料强度形成机理

乳化沥青作为一种稳定的乳状液体，需破乳后方可发挥沥青的粘结作用，因此内聚力是形成乳化沥青冷再生混合料强度的主要因素，其形成机理如图5所示。冷再生混合料成型初期，乳化沥青均匀地分布在集料的缝隙中，该阶段下乳化沥青流动性较好，呈现不定向流动，混合料整体强度较低；随着养生时间的增加，混合料内部水分不断减少，乳化沥青破乳，由棕色逐渐转变为沥青的黑色，沥青微粒间开始粘聚成团，同时牢牢地裹覆在集料表面，混合料强度逐渐增加[22]；随着混合料内部水分完全蒸发，乳化沥青恢复了沥青材料本身的粘结力，使得旧沥青的部分性能得以恢复，新旧沥青共同在集料表面形成有效的沥青膜，使冷再生混合料的强度进一步增大；最后，在外界荷载和温度作用下，沥青膜逐渐变硬，与集料的粘结性得到提高，冷再生混合料的强度达到最大，表现出优异的路用性能。

图5 乳化沥青冷再生混合料强度形成过程Fig . 5 Strength formation process of emulsified asphalt cold recycled mixture

3 结论

（1）70% RAP掺量的乳化沥青冷再生混合料，通过击实试验和沥青混合料劈裂试验，得出乳化沥青冷再生混合料最佳含水率和最佳乳化沥青用量分别为4.0%和4.3%。

（2）乳化沥青冷再生混合料的路用性能随养生时间增加呈现先增大后平缓的趋势，随养生温度增加呈现先增大后减小的趋势；温度50℃养生6d，且对混合料表面进行吹扫，其路用性能较好。

（3）由乳化沥青冷再生混合料强度形成过程可知，随着养生时间延长，冷再生混合料中的水分逐渐析出，乳化沥青开始破乳；待破乳结束后，由于沥青对集料的粘结作用与水泥水化产物强度的形成，乳化沥青冷再生混合料的强度也逐渐形成。