摘 要

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

關鍵詞 乳化瀝青冷再生混合料 | 配合比及養生條件優化 | 路用性能試驗 | 正交試驗方法

乳化瀝青廠拌冷再生技術已逐漸被廣泛應用于瀝青路面的改建以及維修工程中瀝青網sinoasphalt.com。關于乳化瀝青冷再生混合料配合比的研究，境外以AI設計法為代表的設計方法是以設計經驗為指導[1]，而以AASHTO修正的馬歇爾法為代表的設計方法是通過試驗確定配合比[2]。國內有關研究采取了正交試驗設計方法，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，以劈裂強度、馬歇爾強度、流值、抗壓強度和孔隙率作為評價指標，得出較優的配合比方案[3]。關于乳化瀝青冷再生混合料路用性能方面的研究，有關研究結果表明水泥的添加能提升混合料的高溫穩定性、水穩定性和抗壓強度，但使得低溫抗開裂性能降低[4]。有關研究采用正交設計方法，通過凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，表明水泥含量和用水量是水穩定性能的主要影響因素[5]。相關研究雖已取得長足進展，但鮮有研究以路用性能指標來檢驗和優化乳化瀝青冷再生混合料的配合比設計和養生條件。我國《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T5521-2019)[6]僅要求檢驗冷再生混合料的高溫穩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，其配合比設計及研究應以路用性能指標為導向。因此，本文依托川九路改建工程，擬采用路用性能試驗優化乳化瀝青用量，并采用正交試驗優化級配、水泥摻量及養生條件，從而優化配合比設計方法。

1依托工程概況

本文依托川九路改建工程進行研究。該工程位于四川省阿壩州的九寨溝縣境內，屬于高原寒溫帶-亞寒帶季風氣候區，主要氣候特點為：冬季長夏季短，晝暖夜涼，晝夜溫差大；夏無酷暑，冬無嚴寒，春秋溫涼；氣候垂直差異明顯，干、雨季分明。其境內可分為暖溫帶、溫帶、寒溫帶及少量的高山寒帶區，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。

設計的路面結構從上往下依次為：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水泥穩定碎石上基層；20cm水泥穩定碎石下基層；15cm級配碎石。

2初定配合比及養生條件

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

采用重型擊實試驗，確定混合料最佳含水率為4.5%；依據工程經驗初擬水泥用量為1.5%；根據公路瀝青路面再生技術規范要求，室內成型馬歇爾試件的擊實次數組合為50次＋25次，在60℃溫度下養生48h[6]。

根據規范采用干濕劈裂試驗確定最佳乳化瀝青用量，試驗結果見圖2。初定最佳乳化瀝青用量為3.5%。

3優化乳化瀝青用量

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%，進行車轍、低溫彎曲以及凍融劈裂試驗，從高溫穩定性、低溫抗裂性和抗水損性能方面檢驗乳化瀝青用量。

3.1高溫穩定性檢驗

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塊平行試驗車轍試件。成型后的車轍試件立即放入60℃鼓風烘箱養生48h。在車轍試驗前試件保溫8~10h。車轍試驗結果見表1。

結果表明：(1)隨著乳化瀝青用量的增加，乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度逐漸降低，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定性。由于乳化瀝青用量的增加，使得混合料內部不同集料顆粒間的潤滑作用增強，導致混合料內摩阻力減小，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定性。(2)每組乳化瀝青用量試件的動穩定度較常規SMA混合料的動穩定度更大[7]，表明初定配合比能滿足高溫穩定性要求。

3.2低溫抗裂性檢驗

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目不少于6根。試驗前將小梁放入(-10±0.5)℃低溫箱中保溫4h。以最大彎拉應變和彎曲應變能密度作為指標，表征其低溫抗裂性能。其中彎曲應變能密度按式(1)計算：

試驗結果見表2。

分析可知：(1)隨著乳化瀝青用量的增加，小梁破壞時的最大彎拉應變以及彎曲應變能密度均增加，說明乳化瀝青用量的增加，增強了冷再生混合料的柔性，從而降低了混合料低溫狀態脆斷程度，低溫抗裂性能得以增強。(2)乳化瀝青用量＜3.5%時，最大彎拉應變小于規范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，低溫性能較好，滿足技術要求。(3)彎曲應變能密度的變異系數低于最大彎拉應變的變異系數，表明以彎曲應變能密度作為評價低溫抗裂性能的指標則更加穩定。

3.3抗水損性能檢驗

3.3.1浸水飛散試驗

成型標準馬歇爾試件進行肯塔堡飛散試驗，每組乳化瀝青用量進行4次平行試驗。試驗過程中發現，乳化瀝青冷再生混合料黏結性能較差，洛杉磯磨耗試驗進行到300轉時，試件大多粉碎，故只采用100轉來計算飛散損失ΔS，試驗結果見圖3。

圖3表明：隨著乳化瀝青用量的增加，標準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%時達到最小，說明3.5%的乳化瀝青用量的黏結性能與水穩定性最佳。

3.3.2凍融劈裂試驗

成型標準馬歇爾試件進行凍融劈裂試驗，每組乳化瀝青用量進行4次平行試驗，試驗結果見圖4。圖4表明：隨著乳化瀝青用量的增加，未凍融劈裂強度、凍融劈裂強度以及凍融劈裂強度比TSR均先增大后減小并在乳化瀝青用量為3.5%時達到峰值，同時凍融劈裂強度比TSR均符合規范中大于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。

綜合飛散試驗和凍融劈裂試驗可知，隨著乳化瀝青用量的增加，瀝青膠漿與水泥的水化產物相互交織形成網狀結構，乳化瀝青與集料的裹附效果增強，使冷再生混合料抗水損性能增強；但乳化瀝青用量過多會削弱集料間相互嵌擠的內摩阻力，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，各項路用性能總體最佳。

4優化級配、水泥摻量及養生條件

4.1正交試驗方案設計

選取RAP摻量、水泥摻量、養生溫度和養生時間4個因素，每個因素選取3個影響水平，具體見表3。編制4因素3水平正交試驗方案，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正交試驗分析方法

4.2.1極差分析法

對于每個因素水平編號為i(本文i＝1，2，3)的試驗結果xi，通過式(2)計算試驗指標和Ti：

通過比較Ti的大小來判斷每個因素的優水平，若試驗指標越大越好，則最大值Ti對應的水平i為優水平；反之，若試驗指標越小越好，則最小值Ti對應的水平i為優水平。

通過式(3)計算每個因素各水平的試驗指標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，總偏差平方和與總自由度按式(4)計算：

各列偏差平方和與自由度按式(5)計算：

誤差平方和與自由度按式(6)計算，

另外，誤差是由空列計算出來的，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“*”標出[10]。

4.3正交試驗結果分析

4.3.1高溫穩定性檢驗

9組車轍正交試驗動穩定度結果見表7。并進行極差分析和方差分析，結果見表8和表9。

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

4.3.2低溫抗裂性檢驗

9組低溫彎曲正交試驗的最大彎拉應變εB與彎曲應變能密度dW/dV結果見表10。并進行極差分析和方差分析，結果見表11和表12。

可知：(1)使最大彎拉應變最大的因素水平組合為RAP摻量88%、水泥摻量0%、養生時間48h、養生溫度60℃，最大彎拉應變的主要影響因素為養生溫度，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%、養生時間48h、養生溫度60℃，彎曲應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、養生時間、養生溫度對最大彎拉應變和彎曲應變能的影響均不顯著；(4)彎曲應變能密度的變異系數較最大彎拉應變更小，表明彎曲應變能密度指標穩定性更佳。

4.3.3抗水損性能檢驗

9組浸水飛散與凍融劈裂正交試驗結果見表13。并進行極差分析和方差分析，結果見表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%、養生時間72h、養生溫度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摻量和養生時間影響很小、可視為誤差；(2)使凍融劈裂強度比最大的因素水平組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養生時間48h、養生溫度40℃，凍融劈裂強度比的主要影響因素為水泥摻量且影響顯著，養生溫度的影響很小、可視為誤差。

4.4綜合優化比選

將4.3節各項路用性能指標的最佳組合列于表16。每項指標影響性較小、可視為誤差的因素水平用“*”標記，影響最大的因素水平用“★”標記。

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

5結語

(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定性降低、低溫抗裂性增強，減少乳化瀝青用量可提升混合料的高溫穩定性，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，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，抗水損性能最佳。

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

(3)對于低溫抗裂性能，當選取最大彎拉應變作為評價指標時，最佳組合為RAP摻量88%、水泥摻量0%、養生時間48h、養生溫度60℃，養生溫度對該指標影響最大，水泥摻量和RAP摻量的影響較??；選取彎曲應變能密度作為評價指標時，最佳組合為RAP摻量88%、水泥摻量3.0%、養生時間48h、養生溫度60℃，水泥摻量對該指標影響最大，RAP摻量的影響最小。并且，彎曲應變能密度相較最大彎拉應變，指標波動性更小。

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

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

首發于《公路》2021年8月