冷再生沥青路面材料结构性能分析与成套施工技术

郭树春

(中建交通建设集团有限公司，北京 100071)

在我国交通事业快速发展时期，消耗了大量的沥青、石料等原材料，同时带来建后繁重的养护维修问题以及环境问题。大量旧沥青路面材料的废弃，再新铺沥青路面，不仅增加了养护成本，而且对环境造成不良影响，也面临巨大的资源压力。通过对旧沥青路面材料(RAP)进行回收、筛分，与一定比例的结合料混合进行再生后作为下面层、基层、底基层材料，在最大限度利用原路面沥青混合料的同时，节省大量的原材料(沥青、粗细集料等)，不仅能够降低公路工程的成本，而且具有较好的社会和经济效益，对公路建设的可持续发展具有重要意义。

1 冷再生沥青路面结构性能设计

铣刨料是采用铣刨机随机选取某省道改建工程旧沥青路面。剔除粒径大于26.5 mm的铣刨料后，原铣刨料的筛分结果如表1所示。

表1 剔除粒径大于26.5 mm的铣刨料后原铣刨料的筛分级配

再生混合料级配曲线如图1所示。级配配合比为旧集料∶新集料(9.5～26.5)∶水泥∶ 矿粉=30%∶65%∶1.5%∶3.5%，非改性乳化沥青掺量为3.0%～3.4%(外掺比例)、预加的水量2.0%～3.0%(外掺比例)。

图1 再生混合料级配曲线

针对非改性乳化沥青冷再生沥青路面结构性能设计，需要通过室内试验，如劈裂强度试验、单轴压缩试验、疲劳性能试验等，研究其再生沥青混合料的劈裂强度、抗压强度、抗压回弹模量等参数。

1.1 劈裂强度

按照热拌沥青混合料的试验方法，对再生混合料进行疲劈裂强度试验，其在温度15 ℃条件下试验结果如表2所示。

表2 再生混合料劈裂强度试验结果

由表2可知，本试验的冷再生混合料劈裂强度最小值为0.75 MPa，均值为0.82 MPa，均满足规范要求，且与AC-25混合料的劈裂强度中值基本相当，表明乳化沥青冷再生混合料与下面层热拌沥青混合料的抗弯拉性能基本相当。

1.2 抗压强度和回弹模量

按照热拌沥青混合料的试验方法，对冷再生沥青混合料进行单轴压缩试验，分析其抗压强度及抗压回弹模量，结果表3如示。

由表3可知，再生沥青混合料的抗压强度为2.49 MPa，抗压回弹模量平均值为1 501.8 MPa(15 ℃)、1 276.2 MPa(20 ℃)，15 ℃时的最小值为1 467.5 MPa，均符合要求，并且与路面下面层热拌沥青混合料性能基本相当。《公路沥青路面再生技术规范》要求在15、20 ℃时抗压回弹模量分别为1 400～1 800、1 000～1 400 MPa。

表3 再生沥青混合料单轴压缩试验结果

1.3 疲劳性能试验

再生混合料疲劳控制参数

借助最基本的层状力学分析软件BISAR进行理论分析，得到疲劳试验所需要的控制应变。若疲劳作用次数满足轴载作用次数的要求即认为设计满足要求，如不满足则需要改变沥青路面结构。在满足了第1层次的设计要求基础上还需要满足第2层次的超载设计要求，其思路参照第1层次。本次改建工程再生路面的等级为一级，荷载标准公路-I级及汽车-超20级，挂-120(利用老桥涵)，其结构层如图2所示。

图2 乳化沥青冷再生段加铺后路面结构

由图2可知，上面层为4 cm厚的AR-AC13橡胶改性沥青混凝土与6 cm厚的SUP25高性能沥青混凝土；下面层包括4 cm厚的AC13细粒式沥青混凝土与6 cm厚的AC25粗粒式沥青混凝土。

针对路面结构类型选取相应的计算参数，采用标准荷载受条件进行理论计算，相应的层底拉应变及弯沉计算结果见表4。再生层层底及旧沥青层层底拉应变均要小于100 με，故最小可取100 με作为疲劳试验的应变条件参数。

表4 理论计算结果

再生混合料疲劳试验

抗疲劳性能反映了路面沥青混合料抵抗车辆荷载反复作用下弯拉应力(应变)的能力，可为沥青路面结构设计提供参考。采用“四点梁”疲劳试验评价沥青混合料的疲劳性能。疲劳试验以小梁试件劲度模量下降至初始劲度模量的50%为疲劳破坏标准。考虑到低控制应变状态下疲劳作用时间会较长，根据力叠加原理，第2层次的超载设计试验参数确定为150 με控制应变，其他条件相同。分别选用150、200、300 με控制条件进行疲劳试验，结果如表5所示。

表5 疲劳试验结果

不同试验控制应变条件下疲劳试验结果如图3所示。根据计算结果，设计年限车道预测累计当量轴次为16 500 000次，当相应控制水平的疲劳试验累积作用次数高于此值时即判断结构可行。

图3 疲劳作用次数与控制应变关系

通过图3回归的疲劳作用次数和控制应变的关系可得，100 με控制条件下疲劳累积作用次数为24 058 026次，能够满足设计交通量要求。针对考虑超载50%的情况，控制微应变为150 με，其疲劳累积作用次数为2 536 285次，占100 με控制微应变的10.5%。

2 冷再生沥青路面成套施工技术

结合厂拌冷再生沥青混合料生产的实践，重点从施工过程中原材料的破碎、筛分、拌和到乳化沥青再生混合料的运输、摊铺与碾压等环节进行分析，确保修筑出高质量冷再生沥青路面。在已有的沥青混合料施工技术的基础上进行改进，提出更有利于乳化沥青再生混合料的施工技术要求。

2.1 旧料(RAP料)破碎及筛分

在进行冷再生沥青混合料级配设计前，应将原路面废旧沥青混合料(RAP料)进行破碎并筛分，筛除RAP料中的团块，对筛余材料按粒径大小进行分类，以便再生沥青混合料配置时进行级配控制。

将原沥青路面刨除的RAP料运至拌和厂。由于铣刨工艺存在较大差异，RAP中常会掺杂一定比例的大颗粒RAP材料或者是RAP材料的成团料，尤其是部分粗铣刨的情形。因此，RAP料运至拌和厂后进行集中破碎、筛分，并按一定的尺寸分级，宜采用10 mm方孔筛将原路面铣刨料分成粗细2种规格，用大尺寸筛(31.5 mm)对超尺寸颗粒进行2次破碎。对原沥青混合料破碎后，也可分成多级，用于再生料的级配设计，但不得使用未筛分的RAP料。

2.2 RAP料堆放和存储

由于原路面混合料中沥青的存在，RAP料在贮存一段时间后会形成较大尺寸的团块，尤其是在夏季高温时。所以，RAP料堆放的高度不宜过高，贮存的时间不宜过长，施工机械设备也不宜在RAP料堆上行走或停留。旧料破碎筛分的速度应与再生沥青混合料的拌和生产速度相协调，以使RAP料堆保持较小的贮存高度。同时RAP的含水量应控制在一定的范围内，特别是粒径较小的RAP料，因此，对细规格的RAP材料，应加覆盖措施。

RAP材料应堆放在坚硬的场地上，并有良好的排水、防雨和通风条件。RAP材料堆放附近严禁明火，并远离易燃物品。在堆放时，为防止出现二次硬化现象， RAP料堆高一般不超过2 m，且宜在进料仓内设破拱装置，且当天拌和结束后将料仓放空。气温较高时，铣刨料筛分容易导致筛网堵筛，筛分时应避开铣刨料容易“粘黏”的高温时段。

2.3 厂拌冷再生沥青混合料施工工艺

再生料拌和

再生混合料的拌和系统可将RAP料、新集料、乳化沥青、填料、水等均匀的拌和。其中RAP料、新集料的掺配比例由冷料仓的进料速度进行控制。混合料生产时各种原材料按照级配设计的用量加入到拌和锅中，其拌和时间较热拌沥青混合料短。若混合料拌和时间长，则粗集料表面沥青易剥落，同时乳化沥青可能会提前破乳，导致再生混合料的劲度模量过高。若再生混合料拌和不充分，可能会使集料不能完全均匀地被沥青裹覆；但不必延长拌和时间提高其裹覆程度，这是由于再生混合料在运输、摊铺时，可进一步提高裹覆程度。若集料难以被沥青裹覆，则应调整混合料的拌和方法。

生产过程中，应实时监控原材料的用量，施工前和施工时应定期(每隔2 d)对再生沥青混合料的组成成分进行计量校验。拌和后不允许贮存冷拌的混合料。

运输

乳化沥青的破乳时间应能保证运输车辆有足够的时间将拌和料运送到现场，并进行摊铺、碾压。为避免部分再生混合料乳化沥青提前破乳，在运输过程中应进行覆盖。

下承层准备

下承层应密实平整，表面洁净、无杂物等，强度符合要求。通过对旧路表面进行拉毛处理，清理干净后喷洒粘层油，提高原路面与再生层的粘接性和路面结构的整体性。

再生混合料摊铺

混合料摊铺过程中，应定期对混合料中的水和易挥发物含量进行检测、控制，采取强制通风措施降低再生混合料中的水分含量，使再生料早强较快的形成，以利于再生混合料的碾压；再生混合料摊铺要求及机械同热拌沥青混合料。同时，混合料中合适的水可防止熨平板下的混合料发生“撕裂”、“脱空”等，熨平板也不必预热，以防止水分散失过快而影响再生混合料的和易性。

再生混合料压实厚度为每层不超过160 mm，多层铺筑时宜在下层养生2～5 d后进行铺筑上层，摊铺时气温不宜低于10 ℃。

再生混合料压实

冷再生混合料的压实机械、方法与热拌沥青混合料相似，一般采用钢轮压路机轮胎压路机。冷再生混合料现场压实工艺为：初压采取钢轮压路机，静压1～2遍;复压采用高频低幅方式振动碾压3～4遍后采用大吨位(23 t以上)的轮胎压路机碾压4～6遍; 终压采用双钢轮压路机碾压，消除轮迹。

冷再生混合料松铺厚度可根据试验段确定，以满足压实要求。由于乳化沥青的材料特征，其与RAP料混合后，乳化沥青颗粒表面与RAP料表面的电荷相互中和，沥青颗粒之间相互聚集形成沥青膜，早期时强度较小，随着水分的蒸发，其强度逐渐增大。因此水分对再生混合料压实具有较大影响，适量的水分有助于集料的润滑和压实。经过碾压，水分挤出，在路面形成一层薄薄的水膜；但水分含量过高会降低再生混合料密度，延长其养生时间。

根据乳化沥青破乳时间要求，再生沥青混合料应在摊铺完成30 min内开始碾压；终压应不晚于摊铺后1 h。

养生

随着养生时间的增加，水分蒸发，沥青膜强度逐渐增大。当再生沥青基层水分含量蒸发至低于2%时，方可铺筑沥青面层。养生期间应封闭交通。

3 结语

本文在对冷再生沥青混合料室内试验(劈裂强度、单轴压缩、疲劳性能试验等)基础上，通过研究冷再生沥青路面结构设计参数以及路面结构力学分析确定疲劳试验参数，并结合公路交通量预测结果进行疲劳性能验算。从冷再生沥青混合料的破碎、筛分、储存到现场的摊铺、碾压等一系列工序进行分析，形成了成套的施工技术工艺。

(1)同热拌沥青下面层混合料相比，乳化沥青冷再生混合料的路面性能与其基本相当，确定疲劳试验控制应变参数为100 με，并通过疲劳试验与公路交通量预测结果进行的疲劳性能验算；

(2)对乳化沥青冷再生混合料路面施工技术进行总结，形成了成套的生产施工工艺。