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摘 要

為優(yōu)化乳化瀝青冷再生混合料配合比及養(yǎng)生條件，依托川九路改建工程，對初定的配合比和養(yǎng)生方法，通過車轍、低溫彎曲、飛散與凍融劈裂試驗(yàn)，分析高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗水損性能隨乳化瀝青用量變化的規(guī)律，從而驗(yàn)證最佳乳化瀝青用量為3.5%。針對RAP摻量、水泥摻量、養(yǎng)生時(shí)間及養(yǎng)生溫度，通過正交試驗(yàn)極差分析法，得到乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響因素主次順序和最佳組合；通過正交試驗(yàn)方差分析法，得到各因素的影響顯著性；綜合各項(xiàng)路用性能的最佳組合，比選出最佳水泥摻量為3.0%，最佳養(yǎng)生溫度為60℃，最佳RAP摻量為88%，最佳養(yǎng)生時(shí)間為48h。

關(guān)鍵詞 乳化瀝青冷再生混合料 | 配合比及養(yǎng)生條件優(yōu)化 | 路用性能試驗(yàn) | 正交試驗(yàn)方法

乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)已逐漸被廣泛應(yīng)用于瀝青路面的改建以及維修工程中瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料配合比的研究，境外以AI設(shè)計(jì)法為代表的設(shè)計(jì)方法是以設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)[1]，而以AASHTO修正的馬歇爾法為代表的設(shè)計(jì)方法是通過試驗(yàn)確定配合比[2]。國內(nèi)有關(guān)研究采取了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，綜合考慮舊料摻量、水泥用量、乳化瀝青用量以及用水量等影響因素，以劈裂強(qiáng)度、馬歇爾強(qiáng)度、流值、抗壓強(qiáng)度和孔隙率作為評價(jià)指標(biāo)，得出較優(yōu)的配合比方案[3]。關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料路用性能方面的研究，有關(guān)研究結(jié)果表明水泥的添加能提升混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度，但使得低溫抗開裂性能降低[4]。有關(guān)研究采用正交設(shè)計(jì)方法，通過凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，表明水泥含量和用水量是水穩(wěn)定性能的主要影響因素[5]。相關(guān)研究雖已取得長足進(jìn)展，但鮮有研究以路用性能指標(biāo)來檢驗(yàn)和優(yōu)化乳化瀝青冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)和養(yǎng)生條件。我國《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T5521-2019)[6]僅要求檢驗(yàn)冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損害性能。此外，乳化瀝青冷再生混合料的路用性能敏感性和影響因素顯著性也鮮有系統(tǒng)研究。乳化瀝青冷再生混合料最終將攤鋪于路面上，其配合比設(shè)計(jì)及研究應(yīng)以路用性能指標(biāo)為導(dǎo)向。因此，本文依托川九路改建工程，擬采用路用性能試驗(yàn)優(yōu)化乳化瀝青用量，并采用正交試驗(yàn)優(yōu)化級配、水泥摻量及養(yǎng)生條件，從而優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)方法。

1依托工程概況

本文依托川九路改建工程進(jìn)行研究。該工程位于四川省阿壩州的九寨溝縣境內(nèi)，屬于高原寒溫帶-亞寒帶季風(fēng)氣候區(qū)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為：冬季長夏季短，晝暖夜涼，晝夜溫差大；夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，春秋溫涼；氣候垂直差異明顯，干、雨季分明。其境內(nèi)可分為暖溫帶、溫帶、寒溫帶及少量的高山寒帶區(qū)，氣溫隨海拔高度升高而降低；在一定高度以下，降水量隨海拔高度升高而有所增加。

設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)從上往下依次為：4cm改性瀝青AC-13C上面層；8cm廠拌冷再生AC-25C下面層；SBS改性瀝青同步碎石封層；20cm水泥穩(wěn)定碎石上基層；20cm水泥穩(wěn)定碎石下基層；15cm級配碎石。

2初定配合比及養(yǎng)生條件

根據(jù)依托工程原材料篩分結(jié)果確定RAP(舊瀝青路面回收料)摻量為88%，其中RAP10~20mm規(guī)格用量為36%，RAP5~10mm規(guī)格用量為11%，RAP0~5mm規(guī)格用量為41%，新料石灰?guī)r10~20mm規(guī)格用量為10%，礦粉用量為2%。級配曲線見圖1。

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定混合料最佳含水率為4.5%；依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)初擬水泥用量為1.5%；根據(jù)公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范要求，室內(nèi)成型馬歇爾試件的擊實(shí)次數(shù)組合為50次＋25次，在60℃溫度下養(yǎng)生48h[6]。

根據(jù)規(guī)范采用干濕劈裂試驗(yàn)確定最佳乳化瀝青用量，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。初定最佳乳化瀝青用量為3.5%。

3優(yōu)化乳化瀝青用量

保持級配、最佳含水率不變，變化乳化瀝青用量為2.9%、3.1%、3.3%、3.5%、3.7%，進(jìn)行車轍、低溫彎曲以及凍融劈裂試驗(yàn)，從高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗水損性能方面檢驗(yàn)乳化瀝青用量。

3.1高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)

采用輪碾法成型尺寸300mm×300mm×50mm的車轍試件，每組乳化瀝青用量成型3塊平行試驗(yàn)車轍試件。成型后的車轍試件立即放入60℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生48h。在車轍試驗(yàn)前試件保溫8~10h。車轍試驗(yàn)結(jié)果見表1。

結(jié)果表明：(1)隨著乳化瀝青用量的增加，乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸降低，說明乳化瀝青含量的增加降低了乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性。由于乳化瀝青用量的增加，使得混合料內(nèi)部不同集料顆粒間的潤滑作用增強(qiáng)，導(dǎo)致混合料內(nèi)摩阻力減小，混合料的整體變形增大。因此，減少乳化瀝青用量可以一定程度上提升冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性。(2)每組乳化瀝青用量試件的動(dòng)穩(wěn)定度較常規(guī)SMA混合料的動(dòng)穩(wěn)定度更大[7]，表明初定配合比能滿足高溫穩(wěn)定性要求。

3.2低溫抗裂性檢驗(yàn)

將車轍試件沿碾壓成型方向切割出長(250±2)mm、寬(30±2)mm、高(35±2)mm的小梁，每組乳化瀝青用量的小梁數(shù)目不少于6根。試驗(yàn)前將小梁放入(-10±0.5)℃低溫箱中保溫4h。以最大彎拉應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度作為指標(biāo)，表征其低溫抗裂性能。其中彎曲應(yīng)變能密度按式(1)計(jì)算：

試驗(yàn)結(jié)果見表2。

分析可知：(1)隨著乳化瀝青用量的增加，小梁破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變以及彎曲應(yīng)變能密度均增加，說明乳化瀝青用量的增加，增強(qiáng)了冷再生混合料的柔性，從而降低了混合料低溫狀態(tài)脆斷程度，低溫抗裂性能得以增強(qiáng)。(2)乳化瀝青用量＜3.5%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變小于規(guī)范2000με的要求[7]，說明水泥的摻入，增加了混合料的脆性；乳化瀝青用量≥3.5%時(shí)，低溫性能較好，滿足技術(shù)要求。(3)彎曲應(yīng)變能密度的變異系數(shù)低于最大彎拉應(yīng)變的變異系數(shù)，表明以彎曲應(yīng)變能密度作為評價(jià)低溫抗裂性能的指標(biāo)則更加穩(wěn)定。

3.3抗水損性能檢驗(yàn)

3.3.1浸水飛散試驗(yàn)

成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)，每組乳化瀝青用量進(jìn)行4次平行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，乳化瀝青冷再生混合料黏結(jié)性能較差，洛杉磯磨耗試驗(yàn)進(jìn)行到300轉(zhuǎn)時(shí)，試件大多粉碎，故只采用100轉(zhuǎn)來計(jì)算飛散損失ΔS，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3表明：隨著乳化瀝青用量的增加，標(biāo)準(zhǔn)飛散與浸水飛散損失均先減小后增大，并在乳化瀝青用量為3.5%時(shí)達(dá)到最小，說明3.5%的乳化瀝青用量的黏結(jié)性能與水穩(wěn)定性最佳。

3.3.2凍融劈裂試驗(yàn)

成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，每組乳化瀝青用量進(jìn)行4次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。圖4表明：隨著乳化瀝青用量的增加，未凍融劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度以及凍融劈裂強(qiáng)度比TSR均先增大后減小并在乳化瀝青用量為3.5%時(shí)達(dá)到峰值，同時(shí)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR均符合規(guī)范中大于70%的要求[6]，說明3.5%的乳化瀝青用量滿足抗凍融性能要求且最佳。

綜合飛散試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)可知，隨著乳化瀝青用量的增加，瀝青膠漿與水泥的水化產(chǎn)物相互交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，乳化瀝青與集料的裹附效果增強(qiáng)，使冷再生混合料抗水損性能增強(qiáng)；但乳化瀝青用量過多會(huì)削弱集料間相互嵌擠的內(nèi)摩阻力，從而降低抗水損性能。

由綜合分析可知，乳化瀝青用量為3.5%時(shí)，各項(xiàng)路用性能總體最佳。

4優(yōu)化級配、水泥摻量及養(yǎng)生條件

4.1正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取RAP摻量、水泥摻量、養(yǎng)生溫度和養(yǎng)生時(shí)間4個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)影響水平，具體見表3。編制4因素3水平正交試驗(yàn)方案，見表4。

考慮到3種RAP摻量的級配不同，3種級配的各檔集料配比用量及合成級配見表5與表6。

4.2正交試驗(yàn)分析方法

4.2.1極差分析法

對于每個(gè)因素水平編號為i(本文i＝1，2，3)的試驗(yàn)結(jié)果xi，通過式(2)計(jì)算試驗(yàn)指標(biāo)和Ti：

通過比較Ti的大小來判斷每個(gè)因素的優(yōu)水平，若試驗(yàn)指標(biāo)越大越好，則最大值Ti對應(yīng)的水平i為優(yōu)水平；反之，若試驗(yàn)指標(biāo)越小越好，則最小值Ti對應(yīng)的水平i為優(yōu)水平。

通過式(3)計(jì)算每個(gè)因素各水平的試驗(yàn)指標(biāo)最大值與最小值之差，即極差R。

比較各因素的極差，極差越大說明該因素對指標(biāo)的影響程度越大，從而可確定影響因素的主次。

4.2.2方差分析法

針對本文確定的L9(34)正交表，采用方差分析法時(shí)，總偏差平方和與總自由度按式(4)計(jì)算：

各列偏差平方和與自由度按式(5)計(jì)算：

誤差平方和與自由度按式(6)計(jì)算，

另外，誤差是由空列計(jì)算出來的，如果沒有空列，通常將最小的偏差平方和作為誤差平方和。一般地，若均方差MSj＜2MSE，則將因素j的偏差平方和加入到誤差的偏差平方和中，因素j的自由度也加到誤差的自由度中，且因素j在方差分析表中用“*”標(biāo)出[10]。

4.3正交試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)

9組車轍正交試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果見表7。并進(jìn)行極差分析和方差分析，結(jié)果見表8和表9。

可知：(1)要使乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性最佳，則組合為RAP摻量80%、水泥摻量3%、養(yǎng)生時(shí)間72h、養(yǎng)生溫度40℃；(2)水泥摻量為影響高溫穩(wěn)定性的主要因素，顯著影響乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性能；(3)養(yǎng)生溫度的影響最小，可視為誤差。

4.3.2低溫抗裂性檢驗(yàn)

9組低溫彎曲正交試驗(yàn)的最大彎拉應(yīng)變εB與彎曲應(yīng)變能密度dW/dV結(jié)果見表10。并進(jìn)行極差分析和方差分析，結(jié)果見表11和表12。

可知：(1)使最大彎拉應(yīng)變最大的因素水平組合為RAP摻量88%、水泥摻量0%、養(yǎng)生時(shí)間48h、養(yǎng)生溫度60℃，最大彎拉應(yīng)變的主要影響因素為養(yǎng)生溫度，RAP摻量和水泥摻量的影響很小、可視為誤差；(2)使彎曲應(yīng)變能密度最大的因素水平組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養(yǎng)生時(shí)間48h、養(yǎng)生溫度60℃，彎曲應(yīng)變能密度的主要影響因素為水泥摻量，RAP摻量的影響很小、可視為誤差；(3)RAP摻量、水泥摻量、養(yǎng)生時(shí)間、養(yǎng)生溫度對最大彎拉應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能的影響均不顯著；(4)彎曲應(yīng)變能密度的變異系數(shù)較最大彎拉應(yīng)變更小，表明彎曲應(yīng)變能密度指標(biāo)穩(wěn)定性更佳。

4.3.3抗水損性能檢驗(yàn)

9組浸水飛散與凍融劈裂正交試驗(yàn)結(jié)果見表13。并進(jìn)行極差分析和方差分析，結(jié)果見表14和表15。

可知：(1)使浸水飛散損失最小的因素水平組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養(yǎng)生時(shí)間72h、養(yǎng)生溫度60℃，浸水飛散損失的主要影響因素是水泥摻量且影響高度顯著，RAP摻量和養(yǎng)生時(shí)間影響很小、可視為誤差；(2)使凍融劈裂強(qiáng)度比最大的因素水平組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養(yǎng)生時(shí)間48h、養(yǎng)生溫度40℃，凍融劈裂強(qiáng)度比的主要影響因素為水泥摻量且影響顯著，養(yǎng)生溫度的影響很小、可視為誤差。

4.4綜合優(yōu)化比選

將4.3節(jié)各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的最佳組合列于表16。每項(xiàng)指標(biāo)影響性較小、可視為誤差的因素水平用“*”標(biāo)記，影響最大的因素水平用“★”標(biāo)記。

通過綜合比選可知：最佳水泥摻量為3.0%；最佳養(yǎng)生溫度為60℃；最佳RAP摻量為88%；最佳養(yǎng)生時(shí)間為48h。

5結(jié)語

(1)隨著乳化瀝青用量的增加，乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性降低、低溫抗裂性增強(qiáng)，減少乳化瀝青用量可提升混合料的高溫穩(wěn)定性，增加乳化瀝青用量可提升混合料的低溫抗裂性；乳化瀝青用量在3.5%時(shí)，高低溫性能均合格?？顾畵p性能隨乳化瀝青含量增加先增加后減小，乳化瀝青用量在3.5%時(shí)，抗水損性能最佳。

(2)針對RAP摻量、水泥摻量、養(yǎng)生時(shí)間和養(yǎng)生溫度4個(gè)影響因素，乳化瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性最佳組合為RAP摻量80%、水泥摻量3%、養(yǎng)生時(shí)間72h、養(yǎng)生溫度40℃。水泥摻量顯著影響高溫穩(wěn)定性能，養(yǎng)生溫度的影響較小。

(3)對于低溫抗裂性能，當(dāng)選取最大彎拉應(yīng)變作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，最佳組合為RAP摻量88%、水泥摻量0%、養(yǎng)生時(shí)間48h、養(yǎng)生溫度60℃，養(yǎng)生溫度對該指標(biāo)影響最大，水泥摻量和RAP摻量的影響較小；選取彎曲應(yīng)變能密度作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，最佳組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養(yǎng)生時(shí)間48h、養(yǎng)生溫度60℃，水泥摻量對該指標(biāo)影響最大，RAP摻量的影響最小。并且，彎曲應(yīng)變能密度相較最大彎拉應(yīng)變，指標(biāo)波動(dòng)性更小。

(4)對于抗水損壞性能，采用浸水飛散損失為指標(biāo)的最佳組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養(yǎng)生時(shí)間72h、養(yǎng)生溫度60℃，水泥摻量的影響高度顯著，RAP摻量和養(yǎng)生時(shí)間影響很??；采用凍融劈裂強(qiáng)度比為指標(biāo)的最佳組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養(yǎng)生時(shí)間48h，養(yǎng)生溫度40℃，水泥摻量影響顯著，養(yǎng)生溫度的影響最小。

(5)綜合各項(xiàng)路用性能的最佳組合，比選出最佳的水泥摻量為3.0%、最佳養(yǎng)生溫度為60℃、最佳RAP摻量為88%、最佳養(yǎng)生時(shí)間為48h。

首發(fā)于《公路》2021年8月