趙福利，竇維禹，吳軍銀，趙軒

( 1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189 ) *

乳化瀝青就地冷再生技術(shù)是一項(xiàng)綠色環(huán)保的再生技術(shù)，由于其節(jié)約工程材料，環(huán)境污染較小、RAP料利用率高等優(yōu)點(diǎn)在高速公路大中修工程中得到了推廣與利用[1-3].該技術(shù)目前多用于高速公路的基層或者下面層，或者低等級公路.隨著我國對冷再生混合料的不斷深入研究，其應(yīng)用層位和應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，對冷再生混合料的高溫抗車轍性能的要求也在不斷提高.參考在熱瀝青中添加改性劑來不斷提高瀝青的各項(xiàng)性能，改性乳化瀝青冷再生技術(shù)也在近幾年得到了越來越多的應(yīng)用.目前道路建設(shè)最常用的改性劑為聚合物改性劑，如熱塑性樹脂類的SBS和橡膠類的SBR等.而SBR膠乳因?yàn)槠渲苽浜喴住⒛芴岣呋旌狭系母黜?xiàng)路用性能而在乳化瀝青中得到廣泛的應(yīng)用.潘懷兵[4]采用凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲梁試驗(yàn)分析了SBR改性乳化瀝青冷再生混合料的路用性能, 并與普通乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明SBR的摻入能有效改善冷再生混合料的抗水損性能、提高冷再生混合料的抗裂和高溫性能；GAO[5]基于路面實(shí)際的溫度場和應(yīng)力場設(shè)計了一種新的循環(huán)動態(tài)蠕變試驗(yàn)，對比了不同水泥摻量的冷再生混合料作為下面層的整體高溫性能；結(jié)果表明水泥摻量從1.5%提高到2.0%，可以改善冷再生路面的高溫性能；通過與新建路面結(jié)構(gòu)的對比，驗(yàn)證了將冷再生層作為下面層的路面結(jié)構(gòu)具有良好的高溫性能.

本文基于新開發(fā)的多序列重復(fù)蠕變加載試驗(yàn)，模擬得到冷再生層作為高速公路的中面層的實(shí)際溫度；基于實(shí)際的溫度場，分析不同路面結(jié)構(gòu)的整體高溫性能以驗(yàn)證改性乳化瀝青冷再生混合料在高速公路的適用性.

1 原材料

1.1 RAP料

本文的RAP料由某高速公路的上中面層通過大型銑刨機(jī)銑刨獲得，得到的RAP經(jīng)過烘干干燥后測出其級配，避免由于水分造成細(xì)集料的粘結(jié)聚團(tuán)現(xiàn)象.其級配如表1所示.

表1 RAP料篩分級配表

1.2 乳化瀝青

本文所使用的乳化瀝青有兩種，分別為普通乳化瀝青和添加3%SBR膠乳的改性乳化瀝青.SBR膠乳通過攪拌機(jī)以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速加入乳化瀝青中進(jìn)行機(jī)械攪拌.

冷再生混合料所采用的兩種乳化瀝青結(jié)果如表2所示，其技術(shù)要求參考江蘇省地方規(guī)程《乳化瀝青就地冷再生技術(shù)應(yīng)用指南及施工技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱規(guī)程).依據(jù)中華人民共和國交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)，檢測結(jié)果表明兩種乳化瀝青均合格.

表2 冷再生乳化瀝青試驗(yàn)檢測結(jié)果

1.3 水泥

為了提高混合料的性能，添加1.5%～2.5%的水泥，除了能增加再生混合料獲得強(qiáng)度的速率(獲得較快的早期強(qiáng)度)和提高水穩(wěn)定性外，另外沒有與水發(fā)生反應(yīng)的一部分水泥可以作為填料[6].就地冷再生混合料中采用的水泥標(biāo)號為P.O 42.5，參考設(shè)計文件中對水泥性能的要求，具體的水泥試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如表3所示.

表3 水泥檢測結(jié)果

乳化瀝青就地冷再生技術(shù)所用的水純凈無雜質(zhì)均可使用.

2 試件準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

2.1 試件準(zhǔn)備

冷再生混合料均按照2%的水泥、2.79%的外摻水量和3.5%的乳化瀝青的摻量配比設(shè)計進(jìn)行成型，使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)30次進(jìn)行成型.成型結(jié)束后按照先自然養(yǎng)生12h，60℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生48h，再自然冷卻12h的養(yǎng)生方式進(jìn)行養(yǎng)生.養(yǎng)生結(jié)束后進(jìn)行試件的切割.按照試驗(yàn)確定的試件厚度進(jìn)行切割，切割流程圖和照片如圖1所示.

圖1 半圓試件切割流程

本文使用AC-20和Sup-20熱拌瀝青混合料與冷再生混合料進(jìn)行對比.

2.2 試驗(yàn)方法

多序列重復(fù)加載動態(tài)蠕變試驗(yàn)共分為預(yù)加載階段與多序列加載階段.對于預(yù)加載階段：荷載級別0.7 MPa，單個加載周期1s，應(yīng)力脈沖時間0.1s，分層試件加載500次，整體試件加載1 000次.多序列加載階段：本階段共包含30個加載序列，分層試件的加載應(yīng)力幅值范圍為0.5～1.0MPa，整體試件加載應(yīng)力幅值范圍為0.6～1.1MPa，都是分為6個荷載等級，每一級別提高0.1 Pa.分層試件每種荷載級別下的脈沖時長的作用次數(shù)為50，整體試件每種荷載級別下的脈沖時長的作用次數(shù)為100，單個加載周期時長固定為1 s.

整體試件需將各層試件通過乳化瀝青粘結(jié)后得到.將四周和底部分兩次刷涂 ZS-1 型耐高溫隔熱保溫涂料，待足夠定固化時間后(3 天左右)，放入UTM試驗(yàn)機(jī)里在確定的溫度下試驗(yàn).

2.3 評價指標(biāo)

根據(jù)多序列局部加載試驗(yàn)提出了復(fù)合平均應(yīng)變率(CASR)和復(fù)合蠕變剛度模量(CCSM)兩個指標(biāo).平均應(yīng)變率也可以被認(rèn)為是在每個加載序列中累積應(yīng)變的斜率.計算每個加載序列在整個多序列加載中所占的比例，并乘以對應(yīng)加載序列的應(yīng)力級別大小，然后疊加即得到材料的復(fù)合平均應(yīng)變率.復(fù)合蠕變勁度模量的計算需要用到試件在多序列局部加載試驗(yàn)中受到的等效應(yīng)力.與復(fù)合平均應(yīng)變率不同的是，復(fù)合蠕變勁度模量的計算既包含了多序列加載產(chǎn)生的累計永久應(yīng)變，也包括了試件在預(yù)加載階段產(chǎn)生的累計應(yīng)變.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 試驗(yàn)方案

2.4.1 分層動態(tài)蠕變試驗(yàn)

通過多序列重復(fù)加載分層動態(tài)蠕變試驗(yàn)對比改性前后乳化瀝青冷再生混合料高溫性能的差異，再與兩種級配AC-20和Sup-20熱拌瀝青混合料的高溫抗車轍性能進(jìn)行對比；最后通過全厚式的多級加載動態(tài)蠕變試驗(yàn)驗(yàn)證其在高速公路面層的適用性.為了后文敘述方便，將普通乳化瀝青冷再生混合料簡稱為CEAM，改性乳化瀝青冷再生混合料簡稱為MCEAM，試驗(yàn)方案見表4.

表4 分層蠕變試驗(yàn)方案

2.4.2 全厚式動態(tài)蠕變試驗(yàn)

本文為了對比不同路面材料在整體結(jié)構(gòu)中的高溫性能，提出的6種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行全厚式多序列局部加載蠕變試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表5.

表5 全厚式動態(tài)蠕變試驗(yàn)

3 溫度場模擬

由于冷再生層的厚度和材料性質(zhì)的原因，在實(shí)際應(yīng)用中其層位的溫度與傳統(tǒng)的熱料有所區(qū)別，且以往學(xué)者研究冷再生層的溫度往往以24h的溫度變化來研究，選取的樣本較少，無法準(zhǔn)確模擬冷再生層的溫度，本文基于comsol軟件來模擬蕪合高速冷再生層的夏季溫度場，分析蕪合高速路面的溫度場的分布及變化規(guī)律.考慮到comsol中只有三維模型能夠添加外部輻射源并將其定義為太陽輻射源來模擬一天中太陽在不同時間的輻射角度的變化，因此本文建立三維路面模型.

路面中各層材料的參數(shù)數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn)[7]，包括密度、恒壓熱容、熱傳導(dǎo)率、泊松比和彈性模量等.定義太陽輻射吸收率為0.90，路面發(fā)射率為0.81.comsol有自帶的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)，模擬時可以直接調(diào)用當(dāng)?shù)氐臏囟?、露點(diǎn)、風(fēng)速、氣壓、以及太陽直接輻照度和散射輻照度隨日期和時間變化的關(guān)系等.本文調(diào)用合肥夏天兩個月的氣象數(shù)據(jù)(7～8月).

最后進(jìn)行網(wǎng)格剖分和瞬態(tài)研究，設(shè)置相應(yīng)的研究步長和總研究時間，以研究在不同氣溫環(huán)境下，路面溫度場的變化規(guī)律.求解的時間范圍為0～1 440 h，在外部輻射源中規(guī)定了求解的起始時間分別為7月1日～8月29日，此處的0即為當(dāng)日的零點(diǎn)開始計算，步長0.5 h，計算1 440 h(60天)內(nèi)的溫度變化.模擬結(jié)果見圖2.

圖2 蕪合高速夏季溫度場三維模型及溫度變化規(guī)律

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在7-8月份的夏季，瀝青路面表面的最高溫度在59～64℃，距離路表2cm的最高溫度約為58～60℃，冷再生層層頂?shù)淖罡邷囟仍?0～56℃，與路表溫度相比下降了約8℃，冷再生層層底的最高溫度在44～48℃.

夏季時，路表在太陽輻射和大氣溫度的共同作用下，吸收大量熱量溫度快速升高，經(jīng)過冷再生層的傳熱后，溫度下降明顯.這是由于一方面乳化瀝青冷再生混合料其空隙較熱拌瀝青混合料空隙較大，但并非連通空隙，造成材料的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，傳遞熱量時耗散較多；另一方面冷再生層厚度較厚，熱量傳遞到冷再生層底也較慢，與路表溫度相比下降了約15℃.這表明10cm的冷再生層可以有效降低路面結(jié)構(gòu)層溫度.根據(jù)AASHTO的瀝青路面設(shè)計規(guī)范，應(yīng)當(dāng)取距離路表面2cm處的溫度作為最不利狀態(tài)下的溫度.因此在夏季高溫條件下冷再生層的試驗(yàn)溫度設(shè)定為51℃.董尼婭[8]運(yùn)用comsol研究了傳統(tǒng)高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)的夏季溫度場，并與實(shí)測溫度作為對比，確定了中面層的試驗(yàn)溫度為58℃.

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 分層蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析

4種不同類型的瀝青混合料的MSRL試驗(yàn)所得的累積微應(yīng)變曲線如圖3所示.

圖3 四種瀝青混合料累積永久應(yīng)變與荷載作用次數(shù)對應(yīng)關(guān)系

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)4種瀝青混合料的累積永久變形均未超過20 000 με，仍處于蠕變穩(wěn)定階段，產(chǎn)生的累積微應(yīng)變從大到小順序?yàn)椋篊EAM>MCEAM>AC-20>Sup-20，表明普通乳化瀝青冷再生混合料的抗高溫變形能力較差，Sup-20熱拌瀝青混合料最優(yōu)；

(2)2種冷再生混合料與熱拌瀝青混合料相比，在蠕變遷移階段產(chǎn)生的應(yīng)變快速增加，永久應(yīng)變快速積累，但是應(yīng)變發(fā)展速率逐漸降低.這是由于冷再生混合料的空隙率較大約為10%，而熱料在4%左右，在施加荷載的初始階段會產(chǎn)生較大的變形；

(3)MCEAM在加載結(jié)束后與CEAM相比，其累積微應(yīng)變約減少25%，這意味著SBR膠乳可以顯著改善冷再生混合料的高溫性能；而MCEAM與AC-20曲線較為接近，且蠕變發(fā)展速率小于AC-20，表明改性乳化瀝青冷再生層作為高速公路中面層具有良好的高溫抗變形能力.

表6為4種瀝青混合料的復(fù)合平均應(yīng)變率和復(fù)合蠕變勁度模量.

表6 四種瀝青混合料的高溫蠕變參數(shù)

從表6中可以看出MCEAM與AC-20、Sup-20熱拌瀝青混合料的復(fù)合蠕變速率均在2.2～2.4 με/次之間，遠(yuǎn)小于普通乳化瀝青的3.52με/次，表明改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能.復(fù)合蠕變勁度模量CCSM因?yàn)榭紤]了預(yù)加載階段的累積應(yīng)變，所以對于蠕變遷移階段變形較大的冷再生混合料，其勁度模量均小于熱拌瀝青混合料.

4.2 全厚式蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析

6種路面結(jié)構(gòu)的MSRL試驗(yàn)所得的累積微應(yīng)變曲線如圖4所示.

圖4 六種路面結(jié)構(gòu)累積永久應(yīng)變與荷載作用次數(shù)對應(yīng)關(guān)系

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)6種路面結(jié)構(gòu)組合蠕變試驗(yàn)的累積微應(yīng)變從大到小的順序?yàn)椋篈>D>C>E>F>B.A>D>C>B驗(yàn)證了上文改性乳化瀝青冷再生層的高溫性能優(yōu)于普通乳化瀝青冷再生層的結(jié)論，同時表明AC-13+MCEAM+AC-25這種路面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)相比，具有更好的抵抗變形能力；C>E>F意味著冷再生層作為下面層其整體的高溫性能優(yōu)于AC-13+AC-20+AC-25路面結(jié)構(gòu)；B是在改性乳化瀝青冷再生層作為中面層的條件下，在其上面加鋪4cmAC-13的路面結(jié)構(gòu)組合，可以看出這種路面結(jié)構(gòu)的累積微應(yīng)變最小，其抵抗車轍變形能力最強(qiáng).

圖5和圖6為全厚式蠕變試驗(yàn)得到的蠕變參數(shù)復(fù)合平均應(yīng)變率和復(fù)合蠕變勁度模量以及二者的相關(guān)性.從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)A的復(fù)合平均應(yīng)變率最大且復(fù)合蠕變勁度模量最小，表明普通乳化瀝青冷再生層作為高速公路的中面層，其整體的高溫性能較差，容易產(chǎn)生車轍病害，影響路面的使用壽命，不建議使用.

(2)B的復(fù)合平均應(yīng)變率最小，復(fù)合蠕變勁度模量較大，說明改性乳化瀝青冷再生層作為高速公路中面層均有較好的抗車轍能力；同時B的復(fù)合蠕變勁度模量最大，表明其剛度最大，試驗(yàn)加載完產(chǎn)生的累積應(yīng)變最小.

圖6 復(fù)合蠕變勁度模量與復(fù)合平均應(yīng)變率相關(guān)性分析

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合蠕變勁度模量與復(fù)合平均應(yīng)變率呈明顯的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.83，相關(guān)性良好.

5 結(jié)論

(1)冷再生層作為高速公路的的中面層路面，在夏季高溫條件下，層底的溫度與路表相比下降了約15℃，表明10 cm的冷再生層可以有效降低路面結(jié)構(gòu)層溫度；

(2)改性乳化瀝青冷再生混合料的復(fù)合蠕變速率與兩種熱料接近，均在2.2～2.4 με/次之間，遠(yuǎn)小于普通乳化瀝青的3.52 με/次，表明改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能.

(3)AC-13+MCEAM+AC-25這種路構(gòu)與傳統(tǒng)的高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)相比，具有更好的抵抗變形能力.

(4)在整體結(jié)構(gòu)中，冷再生層作為高速公路的下面層，其整體的高溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)；

(5)高溫蠕變參數(shù)復(fù)合蠕變勁度模量與復(fù)合平均應(yīng)變率呈明顯的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)性良好.