乳化沥青冷再生混合料设计与性能评价方法
赖辉
【摘?要】根据乳化沥青冷再生混合料强度形成机理，提出乳化沥青冷再生混合料配合比设计方法，并针对乳化沥青冷再生混合料的和易性和早期强度两项关键指标进行了详细的介绍，提出了乳化沥青冷再生混合料和易性评价方法及早期强度的保证措施。同时，结合工程实践提出了乳化沥青冷再生路面施工质量影响的主要因素及其控制指标和参数。论文对于乳化沥青冷再生混合料配合比设计及相关工程实践具有重要参考价值。
【关键词】冷再生;乳化沥青;配合比设计;和易性;早期强度
Design and performance evaluation method of emulsified asphalt cold recycled mixture
Lai Hui
（Chongqing Municipal Design and Research Institute?Chongqing?400000）
【Abstract】According to the formation mechanism of emulsified asphalt cold recycled mixture， the design method of emulsified asphalt cold recycled mixture was proposed. The key indicators of workability and early strength of emulsified asphalt cold recycled mixture were introduced in detail. Evaluating method for the evaluation of the ease of emulsified asphalt cold recycled mixture and early strength. At the same time， combined with engineering practice， the main factors and control indexes and parameters of the construction quality of emulsified asphalt cold recycled pavement were proposed. The paper has important reference value for the mix design of emulsified asphalt cold recycled mixture and related engineering practice.
【Key words】Cold regeneration;Emulsified asphalt;Mix design;Workability;Early strength
1. 引言
（1）自2003年第一条乳化沥青冷再生在沪宁高速上的应用开始，乳化沥青冷再生变逐渐在一些省份开始进行一些试验性的研究和试验段的铺筑，在江西九景高速、昌九高速甚至得到了大规模的应用，虽然从当时的情况来看，取得了一定的突破，但在实施过程中仍然存在许多问题，如混合料得不到良好的裹覆、路面成型慢等。造成这些问题的根本原因在于对乳化沥青冷再生混合料的组成设计与性能评价方面的认识存在不足，有待进一步研究。
（2）乳化沥青冷再生混合料组成包括乳化沥青、旧沥青、集料、水泥，乳化沥青中又包含乳化剂、水和基质沥青，其组成成分相对普通的热拌沥青混合料复杂。由于冷再生混合料中一般都含有水分，冷再生混合料的配合比设计和半刚性材料的配合比设计也存在相似之处。因此很多学者在进行乳化沥青冷再生混合料设计时，最佳含水量按照半刚性基层的土工击实试验来确定，混合料的级配合成、最佳乳化沥青用量、以及混合料的最终性能验证过程则跟热拌混合料比较相似。因此在进行《沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）编制时，由于缺乏足够的工程经验和数据支持，乳化沥青冷再生混合料的设计是在综合半刚性基层和热拌混合料的设计方法基础上编制的。
（3）总体而言，乳化沥青冷再生混合料兼具沥青混合料和水稳混合料的特性，在配合比设计时，需要充分考虑材料组成及特性，考虑路用性能目标，采用平衡的理念进行综合考虑。本文针对乳化沥青冷再生混合料配合比设计的关键技术问题，即冷再生混合料的和易性和早期强度进行了试验研究和分析。
2. 和易性设计与评价方法
根据乳化沥青冷再生项目的施工过程中的经验和教训总结可知，乳化沥青冷再生混合料面临最大的困难是混合料的施工和易性和早期强度难以平衡，即解决了和易性的问题，早强又较差，混合料难以形成强度;刻意的提高早强性能，又容易出现粘车、卸车困难、碾压粘轮等问题。最主要的原因是目前，国内外并没有合适的规范来保证混合料具备良好的施工和易性，也没有较好的试验方法来量化混合料的和易性。根据乳化沥青混合料在施工过程中的情况，其和易性应体现在：易拌和，易铲运，易摊铺，易压实;压实之后，混合料应有一定的强度保持稳定。
因此在试验室则分别根据其在工程中的表现情况，通过室内模拟实验来检验乳化沥青冷再生混合料的施工和易性，即分别通过拌合试验、Mass Viscorsity试验、旋转压实试验，并对旋转压实后的试件养生后进行空隙率指标和劈裂强度测试。
2.1?拌合试验。
（1）拌合试验时一种经验性很强的试验，必须要经过大量的过程实践，通过实际项目中成功或失败案例的混合料状况来判断试验室拌合出的混合料是否达到较好的状态，一般按照以下的步骤进行试验。
（2）综合考虑旧料、新料（如果需要）、活性填料性质、气候及施工条件，备用3～5种乳化沥青配方，对每个配方，按照0.5%的变化量确定5个乳化沥青用量，在各乳化沥青用量下与合成级配的矿料按照以获得最佳裹覆状况得到的最佳含水率分别进行试拌，观察混合料的工作性、拌和均匀性、与集料裹覆状态及混合料的浆态。如果拌和完成后集料表面颜色接近乳化沥青本身颜色，且裹附均匀全面，基本无花白料，和易性好，有少量浆体，但浆体不流淌、不聚集，粗细料不分离，则混合料达到理想拌和状态。3个以上乳化沥青用量下均能实现理想拌和状况的配方即可推薦为配伍性试验的初选乳化沥青配方。
（3）试验过程中，我们主要是通过拌合试验来判断混合料的裹覆状况，通过上面的拌合状况，基本上可以从经验判断出乳化沥青配方的适用情况及RAP料的控制要求。并根据拌合状况初步选择一批乳化沥青配方进行下一步试验。
2.2?Mass Viscorsity试验。
（1）Mass Visicosity采用的是瑞典Denimo Tech A/S公司制造的用于评价沥青混合料或乳化沥青混合料工作性的试验设备。主要是通过向料框中装入约6000～6500g料，并启动推力杆，使其缓缓推动混合料，并记录推动过程中的电流。当混合料中存在>10mm粒径的集料，可能在刚开始推动或推动快结束时发生集料卡住机器的情况，造成电流过大，对试验结果产生比较大的影响，因此在试验时采用<10mm的RAP料。另推动的速度共分9档，经试验研究，发现在进行乳化沥青冷再生混合料施工和易性试验，放在第6档时，推动速度适中，能较好体现不同乳化沥青配方的差异性。
（2）为评价不同乳化沥青配方之间的差异，采用奉贤隋唐河路用的RAP料，按4.75～9.5mm：0～4.75mm：水泥=38.5：60：1.5，乳化沥青用量5.0%，外加水3.0%进行拌合，拌合用的乳化沥青配方分别为PC55（2.5%）、W5（3.0%）、0720G。拌合后的混合料放入25℃、80%湿度的恒温恒湿箱中养生，并进行0h、1h、2h…6h的Mass Viscorsity试验。需注意的是，乳化沥青冷再生混合料推动时的电流随着放置时间的延长而逐渐增大，但对于PC55配方的混合料，其电流在前面4h内均较W5和0720G配方的混合料大，且在第4h達到最大值。表明该配方粘聚力起的最快，即破乳速度最快，在前面4h的施工和易性最差;0720G配方在前面3h内电流最小，之后逐渐增大，在第4h后有较大的增加幅度，表明其在前面3h内施工和易性最好，第4h后施工和易性有较大的降低趋向，说明其可工作时间约为4h。
2.3?旋转压实试验。
（1）当今国际上最广泛应用的混合料成型方法是马歇尔击实和旋转压实，但很多专家认为，马歇尔击实在模拟路面实际压实状况以及评价路面实际使用性能方面存在缺陷，旋转压实的搓揉成型方法比马歇尔击实成型方法更接近沥青路面现场施工的实际情况，同时旋转压实能够详细反映在试件成型过程中每次压实所产生的变形。本文将采用旋转压实的方法来评价乳化沥青冷再生混合料的施工和易性。
（2）即将不同乳化沥青配方的冷再生混合料拌和好之后，装入锡盒用锡纸密封，放入与现场匹配温度和湿度的恒温恒湿箱中，分别放置0h、1h、2h…后进行旋转压实试验，根据混合料空隙率的变化曲线，及试件强度的衰减趋势，来判断该配方下乳化沥青冷再生混合料的可工作时间。2012年施工的多个项目均是通过该试验来确定乳化沥青配方的施工和易性，如京沈辅路、天津滨石高速、奉贤隋唐河路等等。
3. 早强设计与评价方法
根据和易性试验初步选定的乳化沥青配方，在其推荐液体组合下，成型试件，在与现场施工想对应的温度和湿度条件下进行养生，养生结束后立即进行混合料早期强度试验（粘结力试验、磨耗试验和钻芯试验）。粘结力试验（配合钻芯）和磨耗试验分别测试混合料表面和内部的粘聚力早期形成状况。表面的粘聚力形成状况，表征最早交通开放时间。内部粘聚力状况，表征混合料整体性的初步形成和化学凝聚作用的基本完成。其评价指标包括：粘结力评价、磨耗评价、钻芯评价。
3.1?粘聚力试验。
（1）粘聚力试验时通过对Hveem试验（ASTM D1560）进行修正，用于评价乳化沥青冷再生混合料的早期粘聚力情况。其试验原理是：运用杠杆加载原理，通过钢珠供料口开启大小的调节;使钢珠匀速下落到容量筒内实施对被测试件的匀速加载，直到试件被掰开的瞬间，自动关闭钢珠供料口，自动停止加载。再通过称重落入容量筒的钢珠，获得加载值，并通过下列公式计算得到粘聚力值。
C=LW（0.031H+0.0027H2）式（1）
C——粘聚力值，g/cm2;
L——球重，g;
W——试件直径，cm;
H——试件高度，cm。
（2）一般是将成型好的乳化沥青冷再生试件（试件尺寸直径×高度=150mm×75～80mm）放入与现场施工时的气候条件相对应的温度和湿度的恒温恒湿箱中养生4h后进行试验，用于模拟再生混合料抵抗车辆轮胎冲击的能力，是判断乳化沥青冷再生层开放交通时机的重要指标。在未找到有效的评价乳化沥青冷再生混合料和易性的试验方法之前，粘聚力试验是乳化沥青配方选择的主要指标，但后来经实践证明，早期粘聚力好的乳化沥青配方在施工过程中的表现未必就好，甚至粘车等现象更严重。因此，后来仅将粘聚力指标作为配方选择的一个参考指标。
3.2?扫刷试验。
（1）扫刷试验是ASTM 规范上D 7196 - 06试验，用于评价乳化沥青冷再生混合料抵抗早期车轮磨耗能力。试件的成型及养生与粘聚力试验相同，一般粘聚力试验完成后就立即进行扫刷试验。由于国内并不生产扫刷试验设备，课题组采用的磨耗试验的仪器是改进的 A-120 Hobart 搅拌器和用于稀浆封层湿轮磨耗试验的磨耗头 （包括软管） （ISSA TB-100），并与定做安放试件的托盘组装而成。磨耗实验的旋转速度在ISSA TB-100 中没有改进。在磨耗实验中，需将磨耗头上的负重取下。磨耗头和与试件接触的软管的重量应为 600±15g。制备的试件在磨耗头下有四周的防护，为了得到正确的结果，需将试件放在中心，并能允许磨耗头上下自由活动。用于防护和中置的仪器必须允许试件最少可被磨掉10mm。
（2）一般每个试件磨耗的时间为15min，在磨耗前后分别称重，计算磨耗后的质量损失，通过质量损失来判定乳化沥青冷再生混合料抵抗临时车辆轮胎磨耗的能力强弱，一般磨耗质量损失量为2.0%。
3.3?取芯试验。
取芯试验主要是模拟现场混合料取芯状况，保证乳化沥青冷再生混合料碾压成型后能够尽快进入下一步工序。取芯试验有两种模拟方式，车辙板取芯（模拟厚度≤10cm路面）和大试件取芯（模拟厚度≥10cm路面）。目前采用较多的为大试件取芯试验，其试验条件为：旋转压实150mm直径，15cm厚度试件，旋转次数为30次，试件成型四周和底部用保鲜膜包裹密实后放入15℃，90%（条件比较严苛）的湿度恒温恒湿箱48h，取出试件进行取芯试验。取芯试验内容包括完整性和强度。
4. 适用于冷再生的乳化沥青技术要求
通过上述乳化沥青配方的系统设计，综合考量，得出能够与现场实际适应情况最优的乳化沥青配方，最终选出的乳化沥青配方应具有以下条件：
（1）能够与RAP料的活性相匹配，与RAP料按照推荐的液体含量拌合后，具有良好的裹覆状态，和较低的水敏感性。
（2）具有良好的施工和易性，通过Mass Viscorsity和旋转压实试验确定的可工作时间能够满足现场拌合、运输、等待和摊铺过程的时间需要。
（3）具有良好的可压实性，压实后试件的空隙率低，压实过程中排出水的质量较多，即具有碾压破乳的特性。
（4）具有较好的早期强度，具有一定的粘聚力，抗扫刷能力较强，能够抵抗临时交通的磨耗，快速取出完整芯样，能够较快的开放交通或加铺罩面。
（5）设计出的乳化沥青配方需要经过混合料性能验证，从多个项目的试验结果来看，通过本章试验进行系统设计得到的乳化沥青配方，经过混合料的性能验证，均能得到非常好的路用性能，本文性能验证方面的内容将不做过多讨论。
5. 乳化沥青冷再生施工质量关键因素及影响规律
（1）从工程应用数据来看，影响乳化沥青冷再生路面施工质量的主要因素有RAP料的活性指标（砂当量、亚甲蓝）、乳化沥青配方、施工时的天气条件。由于目前国内外对于乳化沥青冷再生的研究大多数还局限在混合料层面方面的内容，对RAP料主要从级配控制、回收沥青的性质等方面做了一些研究。从现有的文献、规范中，極少看到关于RAP料活性指标对乳化沥青冷再生混合料的影响研究。但从实施的项目情况来看，RAP的2个指标砂当量和亚甲蓝对于乳化再生混合料的裹覆状况、乳化沥青的破乳速度产生的很大的影响。
（2）砂当量主要是测定细集料中所含的粘性土或杂质的含量，以评定集料的洁净程度，用SE表示。亚甲蓝试验是测量细集料中是否存在膨胀性粘土矿物，并测定其含量，以评定集料的洁净程度，以亚甲蓝值MBV表示。
（3）在乳化沥青冷再生混合料体系中，砂当量主要评价的是集料与沥青的粘附，影响混合料的裹覆状况，砂当量值越大，表明集料洁净程度越好，对混合料的裹覆状况越有利。而亚甲蓝则是评价RAP料中活性物质吸附能力的大小，影响乳化沥青的破乳速度，亚甲蓝值越大，其吸附能力越强，乳化沥青的破乳速度越难以控制。在所实施的项目中，可以看到，大多数项目的砂当量值超过85%，混合料的裹覆状况均较好。
6. 结语
（1）根据乳化沥青冷再生混合料的强度形成机理，提出了乳化沥青混合料配合比设计的核心内容，包括和易性评价（包括拌合试验、Mass Viscorsity试验、旋转压实试验）和早强评价（包括粘聚力试验、扫刷试验、取芯试验）。分别针对乳化沥青配方设计的各个环节进行详细的讲解，并通过不同项目设计过程中的照片来说明各试验的注意点和侧重方向。提出了能够量化乳化沥青冷再生混合料施工和易性的评判方法，如Mass Viscorsity、旋转压实试验，能够较快捷的判断出乳化沥青配方与RAP、环境条件的配伍性，并得出混合料的可工作时间。通过对现场运输和等待时间的考量，可以判断设计出的乳化沥青配方的施工和易性是否满足现场需要。
（2）影响乳化沥青沥青冷再生施工质量的主要因素是RAP料的活性指标（砂当量、亚甲蓝）、乳化沥青配方以及施工时的天气条件。其中，RAP料特性及乳化沥青配方是关键的内在因素，起决定性作用，实际工程中应该特别注意。
