1. 前言
随着我国公路交通的迅速发展，新建公路里程屡创新高，石料资源短缺成为限制我国公路交通事业发展面临的重要问题。此外，传统的热拌沥青混合料由于其存在施工温度高、资源浪费严重、施工工期短等诸多不利因素，与我国提出的“绿色交通”理念相悖。冷拌再生沥青混合料实现了冷拌技术与再生技术的有机结合，常温条件下拌和与施工，具有成本低、污染少、节约资源、保护环境、延长施工季节等独特的优势，在国家大力提倡“资源节约型社会”的新时代背景下，具有广阔的应用前景。
根据胶结料不同可以将冷拌混合料分为三种类型，即：乳化型冷拌混合料、溶剂型冷拌混合料、反应型冷拌混合料[1] [2]。国外自上个世纪五六十年代已经开始了冷拌混合料的研究，英国、法国[3]主要采用乳化型冷拌混合料，根据使用目的不同研发了不同类型的乳化沥青；芬兰[4] [5]开展了溶剂型冷拌混合料技术研究，并铺筑了多条试验路，应用效果良好；日本、澳大利亚[6]经过长期研究，形成了反应型冷拌混合料设计与施工成套体系；我国[7]-[10]主要借鉴国外经验，从冷拌混合料的强度形成机理、冷拌混合料的组成设计进行了研究。
我国对于冷拌混合料的配合比设计仍以马歇尔击实法作为主要设计方法。但研究表明当混合料中含有大量铣刨料时，混合料容易反弹不易压实。而旋转压实法通过对混合料的揉搓作用对试件施以垂直压力和水平剪切力，可以使混合料更容易达到所需的压实度，与道路实际施工具有较高的一致性。现阶段，我国对于旋转压实设计方法在冷拌再生沥青混合料中的应用尚未形成系统的体系，本文基于旋转压实法对冷拌再生混合料的配合比设计及评价方法进行研究，指导旋转压实法在冷拌再生混合料中的工程应用。
2. 原材料技术指标
2.1. 铣刨料
本研究所用铣刨料来自于某国省道养护项目，将铣刨料破碎筛分为10~15 mm、5~10 mm、0~5 mm三档，对各档铣刨料进行抽提筛分试验，试验结果见图1。
Figure 1. Extraction and screening results of milling and planing materials
图1. 铣刨料抽提筛分结果
2.2. 沥青
根据“溶剂和溶解理论”制备溶剂型冷拌沥青[11] [12]，溶剂型沥青主要由基质沥青、稀释剂(煤油)和冷拌添加剂(抗剥落剂)经搅拌混合而成。本项目所用沥青为90#基质沥青，沥青技术指标见表1。
Table 1. Technical index of 90# base asphalt
表1. 90#基质沥青技术指标
检测项目 |
单位 |
检测结果 |
技术要求 |
针入度(25℃, 5 s, 100 g) |
0.1mm |
88 |
80~100 |
针入度指数PI |
/ |
−1.3 |
−1.5~+1.0 |
软化点 |
℃ |
45 |
≥45 |
10℃延度 |
cm |
>150 |
≥20 |
15℃延度 |
cm |
>150 |
≥100 |
蜡含量(蒸馏法) |
% |
2.1 |
≤2.2 |
闪点 |
℃ |
290 |
≥245 |
溶解度 |
% |
99.79 |
≥99.5 |
密度(15℃) |
g/cm3 |
1.010 |
实测记录 |
TFOT (163℃, 85 min) |
质量变化 |
% |
−0.04 |
≤±0.8 |
残留针入度比 |
% |
85 |
≥57 |
残留延度(10℃) |
cm |
57 |
≥6 |
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)对所用冷拌沥青进行蒸馏，并检测冷拌沥青技术指标，试验结果见表2。
Table 2. Technical index of cold mixed asphalt
表2. 冷拌沥青技术指标
试验项目 |
闪点 (℃) |
25℃布氏粘度 (Pa∙s) |
225℃蒸馏残留物 |
针入度 (0.1 mm) |
软化点 (℃) |
15℃延度 (cm) |
质量损失 (%) |
检测结果 |
66 |
1.251 |
77 |
48 |
>150 |
87.5 |
采用阿布森法回收铣刨料中的沥青，根据预估最佳沥青用量，向老化沥青中加入冷拌沥青，对比分析铣刨料回收沥青和“铣刨料回收沥青 + 冷拌沥青”的技术指标，试验结果见图2。
Figure 2. Technical index of asphalt
图2. 沥青技术指标
由上述试验可知，掺加冷拌沥青后，回收沥青的针入度和延度值增大，软化点减小。是因为沥青路面在服务期限内，受到阳光、自然环境等因素的作用，造成沥青发生老化现象，加入冷拌沥青后对回收的老化沥青具有一定的再生功能，一定程度上恢复了老化沥青的性能指标。
2.3. 冷拌沥青施工和易性
冷拌沥青混合料在常温条件下施工，要求冷拌沥青在常温条件下具有较小的粘度，本研究通过布氏粘度试验分析了冷拌沥青粘度随温度的变化规律，试验结果见图3。
由上述试验可知，当温度较低时，沥青的粘度较大，不利于沥青混合料的拌和。随着温度的升高，沥青粘度逐渐减小，沥青混合料的施工和易性逐渐增强。当温度由5℃上升到25℃，沥青的粘度发生显著减小，表明温度对沥青的粘度有着重要影响，当温度大于25℃，沥青的粘度逐渐趋于稳定状态，综上研究推荐冷拌沥青混合料拌和温度宜大于25℃。
Figure 3. Brinell viscosity of cold mix asphalt
图3. 冷拌沥青布氏粘度
3. 冷拌再生混合料配合比设计
3.1. 级配设计
我国现有规范对冷拌再生混合料级配范围尚未进行规定，本研究参考我国《公路沥青路面再生技术规范》(JTG T 5521)中乳化沥青冷再生混合料级配范围进行冷拌混合料级配设计，级配类型为细粒式A，混合料设计级配见表3。
Table 3. Design gradation of mixture
表3. 混合料设计级配
筛孔尺寸(mm) |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
0.3 |
0.075 |
抽提后级配 |
100.0 |
96.4 |
80.5 |
62.8 |
45.2 |
17.5 |
10.7 |
抽提前级配 |
100.0 |
95.1 |
72.6 |
55.9 |
29.8 |
11.7 |
6.3 |
级配上限 |
100 |
100 |
80 |
75 |
55 |
25 |
9 |
级配下限 |
100 |
90 |
60 |
45 |
25 |
6 |
2 |
对比抽提前后级配曲线发现，抽提后级配发生明显的细化，主要是由于铣刨料中细集料和矿粉由沥青包裹成块状或粘附在粗集料上导致抽提前混合料级配偏粗，由于冷拌沥青混合料常温施工，铣刨料不会加热分散，因此混合料级配设计以抽提前级配为准。
3.2. 成型方法
旋转压实法是美国SHRP计划的研究成果[13] [14]，为了明确旋转压实法和马歇尔击实法在冷拌再生混合料设计中的适用性，分别采用两种方法在常温下(25℃)成型混合料试件，分析两种成型方式对混合料的压实效果，测得不同成型次数条件下混合料空隙率见表4，混合料空隙率随压实次数变化曲线见图4。
Figure 4. Void ratio of mixed materials with different molding methods
图4. 不同成型方式混合料空隙率
Table 4. Voidage of mixture under different compaction times
表4. 不同成型次数下混合料空隙率
成型次数 |
50 |
75 |
100 |
150 |
200 |
马歇尔击实法 |
17.8 |
15.2 |
14.8 |
13.2 |
12.5 |
旋转压实法 |
18.4 |
16.1 |
12.3 |
11.5 |
10.7 |
注：① 马歇尔击实法成型步骤：称取1180 g混合料常温条件下(25℃)双面击实总击实次数的2/3次，连同试模竖立于25℃烘箱中养生24小时，拿出试件立即双面击实总击实次数的1/3次，常温中养生24 h，测定体积指标。② 旋转压实法成型步骤：称取4000 g拌合均匀的混合料常温条件下(25℃)压实规定次数，室温中养生24 h测定体积指标。
由上述试验可知，当成型次数小于75次，两种成型方式下混合料空隙率差异不明显，随成型次数的增加，旋转压实混合料空隙率明显降低。图4可以看出马歇尔击实200次与旋转压实100次的混合料空隙率基本一致，表明旋转压实法更容易使冷拌再生混合料达到理想的密实状态。由旋转压实曲线可以看出，当压实次数小于100次时，随压实次数的增加混合料空隙率显著降低，当压实次数超过100次，随压实次数增加混合料空隙率变化趋于平缓，表明压实次数为100次时，混合料已达到密实状态，继续增加压实次数对混合料密实度提高没有实质性影响。综上研究推荐旋转压实法成型冷拌再生混合料压实次数宜控制为100次。
3.3. 最佳沥青用量确定
基于旋转压实法确定冷拌再生混合料最佳沥青用量，初定沥青用量为1.5%，并以±0.3%的间隔上下浮动两个沥青用量，采用旋转压实法成型冷拌再生混合料试件，分别进行扫刷质量损失试验和25℃马歇尔稳定度试验。扫刷质量损失表征冷拌混合料的抗飞散性能，常温条件下成型76 ± 5 mm的冷拌沥青混合料试件，将成型好的试件放置于室温环境中4 h后进行试件扫刷试验，测定混合料的质量损失率见图5。
Figure 5. Quality loss of scanning and brushing of cold mixed recycled mixtures
图5. 冷拌再生混合料扫刷质量损失
由上述试验可知随沥青用量的增大，冷拌再生混合料扫刷质量损失逐渐降低，抗飞散损耗性能逐渐增强，相关规范要求冷拌混合料质量损失率不宜超过8%，由试验结果可以确定冷拌再生混合料的最低沥青用量应不小于1.7%。
马歇尔稳定度表征混合料的早期强度，由于混合料成型初期，稀释剂的存在导致沥青胶结力较差，冷拌混合料试件置于60℃水浴中会造成混合料松散破坏，因此本研究参考相关规范以25℃马歇尔稳定度评价冷拌混合料的早期强度。采用固定装料量的方式将4000 g拌和均匀的混合料装入试模，常温条件下(25℃)旋转压实100次，室温条件下养生24 h后测定体积指标并进行马歇尔稳定度试验，试验结果见图6。
Figure 6. Initial strength of cold mixed recycled mixture
图6. 冷拌再生混合料初始强度
由上述试验可知，随着沥青用量的增加，冷拌再生混合料空隙率逐渐减小，马歇尔稳定度先增加后降低，表现出与热拌沥青混合料相同的变化规律，表明冷拌沥青混合料同样存在一个最佳沥青用量，保证混合料兼具良好的强度和体积稳定性。综合冷拌再生混合料的扫刷质量损失和马歇尔稳定度结果，确定混合料最佳沥青用量为1.7%。
4. 冷拌再生混合料性能评价
4.1. 最终强度
冷拌再生沥青混合料在常温条件下拌和，由于沥青中稀释剂的存在，混合料间粘附性较差，不易压实，混合料间空隙率较大，初始强度较低。随着自然环境和行车荷载的作用，稀释剂逐渐挥发，混合料进一步压实，空隙率逐渐减小，强度逐渐增强。因此冷拌再生沥青混合料性能评价既要考虑初始强度又要考虑最终强度。结合前文研究成果，确定冷拌再生混合料初始强度评价方法为：称取4000 g混合料常温条件下(25℃)旋转压实100次，室温中养生24 h测定体积指标，然后将试件放入25℃水浴中养生45~60 min测定混合料马歇尔稳定度。
为了模拟混合料的最终强度，本研究对混合料的成型温度和压实次数进行了研究，分别在20℃、40℃、60℃、80℃温度下成型混合料试件。将拌和均匀的混合料放入盘中，均匀摊铺成50 mm厚的一层，然后将盘子放入110℃烘箱中养生24 h后降温至成型温度，在规定温度下成型混合料试件，旋转压实300次，成型过程中混合料空隙率变化如图7所示。
Figure 7. Change rule of void ratio of mixture
图7. 混合料空隙率变化规律
由上述试验可知，随压实次数的增加混合料空隙率逐渐降低，初始阶段混合料空隙率降低较快，压实一定次数后，空隙率变化趋于平缓。由图可知旋转压实100次后，混合料空隙率趋于稳定状态，为进一步分析压实100次后混合料空隙率变化规律，将旋转压实100次以后混合料空隙率变化单独绘制成图并进行线性拟合，混合料空隙率变化规律如图8所示。
Figure 8. Change rule of voidage of mixture after 100 times of rotary compaction
图8. 旋转压实100次后混合料空隙率变化规律
由图8可知混合料空隙率与压实次数间具有较好线性关系，其中拟合函数斜率表征了空隙率对压实次数的敏感程度，研究表明温度越低，混合料空隙率对压实次数越敏感。主要是因为温度越高，混合料越容易压实，当压实一定次数后，混合料达到理想的密实度，继续增加压实次数对混合料空隙率影响不明显。综上研究表明当压实次数为100次时，混合料空隙率变化趋于平缓，且达到规定密实度，确定冷拌再生混合料最终强度评价以旋转压实100次为标准压实次数。
根据上述研究以旋转压实100次作为标准压实次数，进一步分析了成型温度对混合料性能的影响，按照热拌沥青混合料马歇尔稳定度试验方法分别测定不同温度条件下混合料马歇尔稳定度和空隙率指标如图9所示。
Figure 9. Final strength index of mixture at different temperatures
图9. 不同温度条件下混合料最终强度指标
由上述试验可知，随成型温度的升高混合料空隙率逐渐降低，马歇尔稳定度增大。参考热拌沥青混合料设计标准空隙率宜控制为3~6，由图9可以看出混合料成型温度宜控制为55℃~75℃，同时由马歇尔稳定度变化曲线可知，当成型温度大于60℃，混合料稳定度值增加不明显，最终确定混合料成型温度为60℃。因此确定混合料最终强度的评价方法为：将拌和均匀的混合料放在盘中，均匀摊铺成50 mm厚的一层，将盘子放入110℃烘箱中养生24 h后降温至60℃，旋转压实100次，压实完成后立即脱模常温养生24 h，测定混合料体积指标，放入60℃水浴中养生45~60 min，测定混合料马歇尔稳定度。
综上研究表明，虽然初始状态下冷拌再生混合料的空隙率较大，强度低，但是随着稀释剂的挥发，在最终状态下混合料具有良好的密实度和强度，主要是因为随着稀释剂的挥发，沥青粘附性增加，混合料粘聚成一个受力的共同体，提高了混合料的抗变形能力，同时在温度和交通荷载的作用下，沥青混合料被进一步压实，空隙率减小，密实度显著增加。
4.2. 高温稳定性
冷拌再生路面在铺设初期，混合料粘附性较差，极易产生车辙病害[15]。车辙试验是评价混合料高温稳定性的重要指标，结合冷拌再生混合料特点，论文提出冷拌再生混合料初始动稳定度和最终动稳定度评价方法，进而评价冷拌再生混合料的高温稳定性。冷拌再生混合料初始动稳定度评价方法为：常温条件下均匀拌合混合料，参照热拌沥青混合料车辙试件成型方法成型冷拌再生混合料车辙板试件，常温下养生2天后进行车辙试验。
对上述方法成型的车辙板取芯测算空隙率为8.5%，与混合料最终4.5%的空隙率相差较大。为保证混合料达到规定的密实度，论文提出冷拌再生混合料最终动稳定度评价方法为：常温条件下均匀拌合混合料，参照热拌沥青混合料车辙试件成型方法制备试件，放入110℃的烘箱中养生24 h，取出试件按照上述方法再重新碾压一遍，常温下养生2天进行车辙试验。
分别对冷拌再生混合料的初始动稳定度和最终动稳定度进行试验，并与热拌沥青混合料进行对比分析，试验结果如图10所示。
Figure 10. Evaluation of high temperature stability of mixture
图10. 混合料高温稳定性能评价
由上述试验可知，混合料初始动稳定度较低，主要是因为初始阶段沥青粘附性较差，混合料尚处于松散状态，外力作用下容易发生压密变形，因此应避免冷拌再生混合料在高温和重载交通道路中使用，以防止出现压密型车辙病害。随稀释剂的挥发，混合料最终动稳定度得到显著提高，高温稳定性得到极大改善。由图10可知，冷拌再生混合料最终动稳定度与热拌沥青混合料基本一致，说明随着冷拌再生混合料强度的形成，混合料具有良好的高温稳定性。
4.3. 水稳定性
冷拌再生混合料由于胶结料粘附性差，混合料空隙率大更容易发生水损害，为了进一步评价混合料的水稳定性，本研究以残留稳定度和冻融劈裂强度比评价冷拌再生混合料的水稳定性，由于稀释剂会随着时间逐渐挥发，所以本研究仅对最终状态下冷拌再生混合料的水稳定性进行评价，残留稳定度试验和冻融劈裂试验方法与热拌沥青混合料试验方法一致，试验结果如表5所示。
Table 5. Water stability test results of cold mixed recycled mixture
表5. 冷拌再生混合料水稳定试验结果
技术指标 |
浸水马歇尔试验 |
冻融劈裂试验 |
浸水前强度， kN |
浸水后强度， kN |
残留稳定度， % |
未冻融强度， MPa |
冻融后强度，MPa |
冻融劈裂强度比， % |
试验结果 |
11.72 |
15.35 |
76.4 |
0.55 |
0.78 |
70.5 |
由上述试验可以看出冷拌再生沥青混合料的水稳定性相对较差，混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比仅仅满足我国规范对热拌沥青混合料的最低要求，主要是由于随着混合料的逐渐密实，稀释溶剂不能完全挥发，始终会有残留物溶于沥青中，影响了沥青与集料间的黏附性。另外由于冷拌再生混合料的初始空隙率较大，水分更容易进入混合料内部，在荷载作用下产生动水压力，破坏混合料的空间结构，造成集料剥落松散，因此要注意冷拌再生混合料的防水问题，避免混合料出现早期的水损害问题。
5. 结论
1) 掺加冷拌沥青后，回收沥青的针入度和延度值增大，软化点降低，一定程度上恢复了老化沥青的性能指标，随温度的升高，冷拌沥青施工和易性逐渐增强，建议冷拌沥青混合料拌和温度宜大于25℃。
2) 旋转压实法更容易使冷拌混合料达到理想的密实状态，确定以旋转压实100次作为冷拌再生混合料的标准压实功，基于初始强度和扫刷质量损失确定冷拌再生混合料最佳沥青用量为1.7%。
3) 分析了不同成型温度条件下冷拌再生混合料空隙率变化规律，提出先将混合料均匀摊铺成50 mm厚的一层，然后放入110℃烘箱中养生24 h后降温至60℃，旋转压实100次，最后脱模常温养生24 h评价冷拌再生混合料的最终强度。
4) 冷拌再生混合料初始动稳定度较低，易发生压密型车辙病害，最终动稳定度与热拌沥青混合料相当，具有良好的高温稳定性，但混合料水稳定性相对较差，易发生水损病害。
基金项目
日喀则市级科技计划项目(RKZ2023ZY-002)。
NOTES
*通讯作者。