高速公路中双层乳化沥青厂拌冷再生基层的应用

彭秋玉，陈 敏，牛亚南

（1.中交瑞通路桥养护科技有限公司，陕西 西安 710000；2.南京润程交通科学研究院有限公司，江苏 南京 210023）

0 引言

乳化沥青厂拌冷再生是将回收的沥青旧料进行破碎和筛分，并掺入一定比例的新料、再生结合料、再生剂及水泥等材料后，经过常温拌合摊铺工艺，实现旧沥青料再利用的技术[1，2]，具有良好的经济效益和环境效益，近年来在我国高等级公路路面的研究及应用已越来越广泛[3-5]。程毅[6]、肖刘路[7]研究了不同水泥掺量对乳化沥青厂拌冷再生高温稳定性及低温抗裂性的影响。李国峰、梅朝阳等[8，9]通过对拌合设备及工艺的改进，提出了全新的冷再生专用分层多步式拌合楼，较大程度地提高了混合料的拌合能力及拌合均匀性。常浩[10]通过有限元分析方法，进一步分析了乳化沥青厂拌冷再生的抗裂性能及其社会经济效益。陈改霞等[11]结合陕西省多条高速公路旧路改造中乳化沥青厂拌冷再生的应用实例，重点对乳化沥青厂拌冷再生的抗裂性能进行分析，并提出了乳化沥青厂拌冷再生用于路面下面层时的最佳水泥掺量。基于节约资源、降低排放及减少传统半刚性基层路面反射裂缝的理念，本文依托具体工程项目，并结合国内现有乳化沥青厂拌冷再生项目经验及项目路段实际情况，进行了全新的偏柔性基层路面结构及配合比的设计与应用，其RAP 总利用率超过70%，每立方混合料节省造价约20%，经济效益及环保效益明显。

1 双层乳化沥青厂拌冷再生路面结构设计

1.1 初拟路面结构

依托项目连霍高速公路郑洛段运营年限已累计达26 年之久，一直承担着繁重的交通压力，路面病害类型较多，养护历史复杂。在重交通荷载和自然因素的长期作用下，路面出现了各种不同程度的病害，主要表现为龟裂、块裂、横向裂缝（重度类伴随唧浆或坑槽）、沉陷等，其中横向反射裂缝最为普遍。该路段原路面结构为16 cm面层（后期加铺）+15 cm面层（1995年老路）+15 cm 水泥稳定碎石基层+15 cm 二灰稳定土+25 cm 石灰稳定土底基层。

针对路面病害情况，为有效减少传统半刚性基层反射裂缝的发生，依托项目于病害严重路段将传统的半刚性基层替换为双层乳化沥青厂拌冷再生结构，即为铣刨31 cm 面层及15 cm 原水泥稳定碎石基层，重铺4 cm AC-13 面层、6 cm AC-20C 中面层、8 cm～12 cm ATB-25 沥青稳定碎石下面层（调平层）及两层15 cm 乳化沥青厂伴冷再生基层，于下面层和基层之间设置改性沥青同步碎石封层。

1.2 路面结构验算

1.2.1 设计标准

依托项目路面设计类型为改建设计（不验算原路面结构），设计路面对应的设计指标为沥青层永久变形、疲劳开裂。

连霍高速公路郑洛段大修改建工程设计使用年限为10 年，因此，设计交通量及路面结构分别以10 年进行验算。

1.2.2 交通量参数

根据搜集整理的2021 年平均日交通量，断面大型客车和货车交通量为13500 辆/日，根据2014 年—2019年交通量年平均增长率并结合地区实际经济发展，确定交通量年增长率为5.1%。根据交通历史数据，按当地经验值得到车辆类型分布系数，见表1。

表1 车辆类型分布系数

根据历史数据的调查分析，得到各类车型非满载与满载比例，见表2。

表2 非满载车与满载车所占比例

依托项目路段路面对应的设计指标为沥青层永久变形、疲劳开裂。不同设计指标下各车型对应的非满载车和满载车当量设计轴载换算系数，采用设计项目所在地的典型值，见表3。

表3 当量设计轴载换算系数

设计年限为10 年，得到对应于沥青混合料层永久变形和疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为47279614轴次。依托项目设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为17365437辆，交通等级属于重交通。

1.2.3 结构设计参数

路面结构验算参照现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017），对铣刨至46 cm 深度后回铺结构层进行验算，铣刨后留用的结构层模量采用实测值。具体结构计算参数见表4。

表4 路面结构设计参数

在开挖46 cm 后进行落锤式弯沉仪（FWD）试验，FWD 承载板半径为150.0 m，计算得到顶面当量模量为450 MPa。

1.2.4 初拟路面结构方案

初拟路面结构见表5。

1.2.5 路面计算结果

各项验算结果汇总见表6。

表6 计算分析结果汇总

由计算结果分析可知，依托项目设计的双层乳化沥青厂拌冷再生基层结构和对应各层位材料能满足各项验算内容的要求。

2 原材料性能试验

2.1 沥青混合料回收料

沥青混合料回收料（RAP）通过必要的筛分、破碎工艺进行预处理后，分0～10 mm 和10 mm～30 mm 两档分类存放，依托路段经处理后的回收率最大粒径为26.3 mm，含水率为1.0%，4.75 mm 以下的RAP砂当量为67.2%，均满足规范要求，具体见表7。

表7 RAP技术要求

2.2 乳化沥青

乳化沥青应在常温下使用，其温度不应高于60 ℃。技术要求见表8。

表8 乳化沥青技术要求

2.3 水泥

水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。各项技术指标实测见表9。

表9 水泥质量技术要求

3 乳化沥青厂拌冷再生配合比设计

为提高冷再生混合料高温稳定性能及劈裂强度，依托项目于混合料中添加10%～20%（质量比）的10 mm～30 mm 碎石集料及10%～15%的0～5 mm 的石屑。根据设计图纸要求及类似工程施工经验优选出以下材料配比及合成级配，设计级配见表10，级配曲线如图1所示。

图1 合成级配曲线图

表10 级配的集料比例和合成级配

参照现行《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）中T 0131 方法，对合成矿料进行击实试验，确定最佳含水率及最大干密度，试验结果见表11。

表11 击实试验结果

按照合成级配中RAP、水泥、石屑、碎石的掺配比例，控制含水率为5.2%，将各组分混合拌匀，然后分别按照3.8%、4.1%、4.4%三种乳化沥青用量及1.5%、1.8%、2.1%三种水泥剂量加入再生料中进行拌合。按照规范成型试件并养生，测试试件15 ℃劈裂强度、浸水24 h后的15 ℃劈裂强度。测试结果见表12和图2、图3。

图2 15 ℃劈裂强度随乳化沥青用量、水泥剂量变化趋势图

图3 干湿劈裂强度比随乳化沥青用量、水泥剂量变化趋势图

表12 不同乳化沥青用量及水泥用量下再生混合料的试验结果

从试验结果来看，不同水泥剂量下，劈裂强度及干湿劈裂强度比最大时，乳化沥青含量均为4.1%，因此确定最佳乳化沥青用量为4.1%。当乳化沥青用量一定时，成型试件的劈裂强度随水泥剂量的增加而增大，干湿劈裂强度比随水泥剂量的增加而降低。为避免再生混合料脆性增加，借鉴以往高速项目乳化沥青厂拌冷再生施工经验并结合本次试验结果，确定水泥最佳用量为1.8%。

综合以上各项试验结果，乳化沥青冷再生混合料达到最佳路用性能下的配合比见表13。

表13 厂拌乳化沥青冷再生配合比设计结果

4 乳化沥青厂拌冷再生性能验证

4.1 室内试验验证

基于乳化沥青冷再生混合料达到最佳路用性能下的配合比，在最佳含水率下进行混合料的劈裂强度、动稳定度等试验，试验过程如图4、图5所示。

图4 最大相对密度测试

图5 劈裂强度测试

混合料各项性能指标试验结果均满足规范及设计要求，15 ℃劈裂强度为0.625 MPa，干湿劈裂强度比为92.9%，其中动稳定度达2860次/mm，表明乳化沥青厂拌冷再生具有较好的高温稳定性，具体各项数值见表14。

表14 厂拌乳化沥青冷再生性能验证结果

4.2 现场应用路段取芯及弯沉检测

依托项目双层乳化沥青厂拌冷再生基层结构应用路段铣刨原路面46 cm 后，基于最优配合比铺筑双层乳化沥青厂拌冷再生基层，铺筑效果如图6 所示。养生3天～4 天后，对应用路段K609+150～K609+330 进行钻芯取样验证，所取得芯样厚度满足设计要求15 cm，芯样密实完好且级配均匀，孔壁光滑平整，如图7所示。

图6 现场铺筑效果

图7 芯样及孔壁情况

对应用路段K609+150～K609+330右幅第三车道双层乳化沥青冷再生基层养生14 天后进行FWD 弯沉检测，测点频率为纵向20 m/点，所测得弯沉值均满足设计要求，检测结果见表15，各测点弯沉值如图8所示。

图8 实测点弯沉值分布折线图

表15 弯沉检测结果

由实测弯沉值分布情况可知，各测点弯沉值较为稳定，均在（20～30）×0.01mm 之间。依托项目三、四车道交通量大，重载车辆占比高，设计过程中对弯沉值控制较为严格，应用路段各点弯沉值均低于设计值，能满足高速公路重载交通对路面基层结构强度的要求。

5 乳化剂性能改善

为进一步增强乳化沥青与石料的配伍性，提高混合料的黏聚力，根据当地水质酸碱度、石料岩性特点来添加合适的酸量，使乳化剂的活性得到最大程度激活。依托项目优选调酸乳化剂，应用效果如下：

①充分提高了乳化剂的乳化能力，保证了乳化沥青的加工品质，成品乳化沥青的沥青颗粒粒径细小均一（2 μm～5 μm）、离散度低（图9）、品质好。

图9 乳化沥青颗粒粒径均一

②提高了乳化沥青与粗细集料之间的拌和效果，提升了混合料的裹覆效果（图10）。

图10 破乳后沥青膜裹附较好

③通过对乳化剂品质改良后，进一步增强乳化沥青与石料的配伍性，大大提高了骨料与沥青之间的黏附性及混合料劈裂强度，从而确保芯样的完整率。

6 环保及经济效益分析

①利用率。

乳化沥青厂拌冷再生混合料中将旧路面沥青回收料筛分处理后分为0～10 mm和10 mm～30 mm两种，RAP总利用率超过70%，既解决了沥青废料的处理问题，又较大程度地减少了对碎石、砂砾等建筑材料的使用，符合“旧料充分回收利用，节约资源、降低排放”的理念。

②经济比较。

以常温拌合铺筑的形式实现旧路面沥青层材料的利用，可大幅节约工程造价，有效节省工期，从综合单价来看，乳化沥青厂拌冷再生和普通柔性结构层材料沥青稳定碎石（ATB）相比每立方节省约192 元，节省造价约20%。

7 结语

连霍高速公路郑洛段大修改建工程是河南省境内首次大规模采用乳化沥青冷再生技术，为河南省未来重载交通量大、反射裂缝频繁的高速公路大修改建工程中偏柔性基层的应用提供了示范，也对路面材料循坏利用、节能减排具有重要的推广意义。通过全新的路面结构设计、沥青混合料回收料性能检测、乳化沥青厂拌冷再生配合比设计、乳化剂性能改善及现场取芯与弯沉检测，得出如下结论：

①依托项目采用的双层乳化沥青厂拌冷再生基层结构满足重交通下路面结构计算中各项指标要求，且现场应用效果较好，可作为路面大修工程中常规路面基层结构推广使用。

②RAP 通过必要的筛分、破碎工艺进行预处理后，分0～10 mm 和10 mm～30 mm 两档分类存放，4.75 mm 以下的RAP砂当量应大于50%。

③合成矿料级配（碎石10 mm～30 mm∶石屑0～5 mm∶RAP 0～10 mm∶RAP 10 mm～30 mm=13∶12∶32∶43）的最佳含水率为5.2%，最大干密度为2.258 g/cm3。

④当0～10 mmRAP 掺量32%，10 mm～30 mmRAP 掺量43%，0～5 mm 石屑掺量12%，10 mm～30 mm 碎石掺量13%，乳化沥青用量4.1%，水泥用量1.8%，最佳含水率为5.2%时，混合料路用性能最佳，其15 ℃劈裂强度达0.625 MPa。

⑤根据当地水质酸碱度、石料岩性特点来添加合适的酸量，使乳化剂的活性得到最大程度激活，可有效提升乳化沥青与石料之间的裹覆和黏附性能。

⑥乳化沥青厂拌冷再生基层结构对旧料利用率高，经济效益优，其中RAP 利用率超过70%，每立方混合料综合造价节省约20%。