沥青路面全厚式再生是一种日益流行的柔性路面改造方法。全厚式再生技术包括现场粉碎沥青层和部分底层或路基，添加外加剂(水泥、乳化沥青、泡沫沥青等)稳定后形成新的基层，通常回收的深度从100~300 mm不等^[1-3]。沥青路面全深式就地冷再生技术自引入我国以来，鉴于其经济实用的特点，在我国已经得到了大量应用。早期多用于低等级道路，但随着大功率道路再生机械设备的开发与改进，设计体系的完善以及复合型外加剂的使用，越来越多的城市道路和高等级公路采用全厚式再生处理。目前，全厚式再生技术作为一种更灵活、更有利于延长路面使用寿命的技术，广泛应用于各种经常出现裂缝、坑槽的道路^[4]。

尽管全厚式再生工艺在一些地方已经使用了好几年，但再生沥青面层(RAP)相对于再生基层的掺加比例对再生材料性能的影响还没有进行充分研究。虽然国内有研究表明旧沥青混凝土掺量不宜过大，包括旧版再生技术规范^[5]提出了“使用水泥、石灰等无机结合料作为再生结合料时的全深式就地冷再生，沥青层厚度占再生厚度的比例不宜超过50%”。新版规范^[6]未提及此比例问题。一些出版物表明，再生材料可由接近100%的RAP组成，仅包含极少量的基层材料^[7-8]。一项已发表的研究表明，随着RAP量的增加，基层的强度明显降低^[9]。这项工作的作者建议，在回收的基础材料中，RAP的最大含量应限制在60%以内。但是，由于RAP的用量和来源都会影响再生材料的力学性能，因此需要进一步的试验。

RAP用量规定不一的主要原因之一是研究对象不一致，一部分学者研究对象是未经胶结料稳定的再生材料，一部分学者研究对象为水泥或沥青稳定料。比如有学者系统研究了RAP含量对不添加结合料时的全厚式再生料性能的影响，包括CBR值、刚度，湿度敏感性等^[10]，但是无法将研究结论用于水泥或沥青稳定再生材料。一些研究者认为，以材料强度和耐久性为标准，应将RAP的最大用量限制在50%，但是采用用沥青或化学稳定剂稳定时该比例可以提高^[11]。因此RAP用量的规定需要针对不同的胶结料分开研究。

对全厚式再生而言，全世界使用最多的稳定剂是沥青乳液和波特兰水泥^[12-14]，全厚式再生水泥具有许多技术、经济和环境优势^[15]。RAP比例对全厚式水泥稳定再生材料性能的影响有学者进行了研究^[16]，但是仅仅关注了无侧限抗压强度和湿度敏感性这两项性能，因此并不全面。故而，在水泥全厚式再生实际使用过程中，材料设计单位往往沿袭水泥稳定碎石的设计体系，仅考虑级配满足规范，抗压强度达到强度设计值，从而导致水泥用量往往较大，引发再生层出现早期开裂等后果。

本研究旨在探讨RAP对水泥稳定全厚式再生材料各项性能的影响。具体而言，本研究选取不同比例的旧沥青混凝土和旧半刚性基层材料，通过室内试验，包括无侧限抗压强度、劈裂强度、回弹模量、软化系数、耐冻系数、累计冲刷量、干缩系数试验，分析旧沥青混凝土比例对全厚式再生材料性能的影响规律，并讨论沥青老化的影响，从而为以后的规范修订和工程应用提供参考。

在某破损路面将面层和半刚性基层分别使用全厚式再生机械铣刨破碎分别得到RAP和基层再生料，再按比例进行混合。实际全厚式就地再生时以厚度控制比例，例如旧沥青混凝土的掺量为20%代表就地再生5 cm沥青面层和20 cm半刚性基层。水泥掺量取2.0%，3.0%，4.0%，5.0%。本研究所用水泥为某牌325水泥，基本性质如表 1所示。

图 1给出了再生沥青面层材料和再生基层材料水洗并干燥后的粒径分布。将RAP和再生基层进行混合时，材料组合方案和编号如表 2所示。从图中可以看到，沥青面层和基层的级配曲线较为接近。各材料组合方案的合成级配曲线满足规范^[17]规定的级配范围，而且5种材料组合差异较小。

图 1 RAP和再生基层的粒径分布 Fig. 1 Distribution of particle sizes of RAP and reclaimed base course

混合料的最佳含水量和最大干密度的确定根据试验规程^[18]中击实试验的方法进行。5种材料组合在不同水泥剂量(2.0%，3.0%，4.0%，5.0%)条件下分别进行击实试验，得到最佳含水量和最大干密度。

再根据击实结果，按最佳含水量和计算得到的干密度(压实度取98%)采用静压成型方法制备尺寸为15 cm×15 cm的圆柱体试件，试件进行标准养生并进一步进行无侧限抗压试验、劈裂强度试验、回弹模量试验，水稳定性试验，冻稳定性试验，冲刷试验。干缩试验试件为静压成型的10 cm×10 cm×40 cm中梁试件。

水泥稳定材料冻融循环本课题采用冻结16 h和融解8 h的冻融过程，连续进行5次，冻融循环全部完成后进行抗压强度试验。冲刷试验在冲刷试验机上进行30 min。干缩试验利用常规的手持应变仪(精度0.001 mm)测量中梁的干缩变形直到试件体积基本不变为止。

以4%的水泥用量为例，各材料组合的含水量-干密度(OWC-MDD)关系曲线如图 2所示。从图 2中可以看到，RAP含量为100%(E组)时，最佳含水量和最大干密度均为最低。将最大干密度和最佳含水量与RAP含量进行线性拟合，发现两者与RAP含量均有强烈的线性递减关系，如图 3所示。对于OMC，在较高的RAP含量下实现最佳颗粒湿润所需的水较少，因为涂有沥青的颗粒吸收的水较少。随着RAP含量的增加，MDD降低，因为RAP的比重比纯石料低(沥青的比重约为1.0)。

图 2 各材料组合的含水量-干密度关系(4%水泥) Fig. 2 Relationship between moisture content and dry density of each material combination (4% cement)

图 3 OWC/MDD和RAP含量的关系(4%水泥) Fig. 3 Relationship between OWC/MDD and RAP (4% cement)

无侧限抗压强度的试验结果如图 4所示。对数据进行方差分析(结果见表 3)，结果表明，RAP含量、水泥含量均具有显著性。随着水泥用量的增加，无侧限抗压强度普遍增加；RAP含量增加时，无侧限抗压强度基本上呈降低趋势。

图 4 无侧限抗压强度试验结果 Fig. 4 Test result of unconfined compressive strength

RAP含量增加使无侧限抗压强度降低是因为RAP颗粒上裹附的沥青涂层阻止水泥浆和骨料表面之间形成黏结，随着RAP含量的增加，给定试样中更多的骨料表面积涂有沥青水泥，因此不太可能与水泥浆形成牢固的黏结。在水泥含量为2.0%时，无侧限抗压强度并没有随着的RAP的增加而降低，这是因为没有足够的水泥对骨料进行胶结。

规范^[17]规定用于基层的水泥稳定材料7 d龄期无侧限抗压强度≥2 MPa。因此水泥掺量为2.0%的不满足基层要求，只能考虑用作底基层。水泥掺量为3%时RAP含量也不能过高，否则也不满足基层的强度要求。

劈裂强度的试验结果如图 5所示。方差分析结果如表 4所示，结果表明，RAP含量、水泥含量均具有显著性。随着水泥用量的增加，劈裂强度普遍增加；RAP含量增加时，劈裂强度基本上呈降低趋势。根据文献[19]，劈裂强度需要满足0.2 MPa的要求，且认为达到0.4 MPa则被视为性能优良。可见本研究中的劈裂强度基本达到强度，但是要使得性能优良需要水泥剂量在5%以上并且控制RAP的含量。

图 5 劈裂强度试验结果 Fig. 5 Test result of splitting strength

劈裂强度的试验结果和方差分析如图 6和表 5所示。结果表明，RAP含量、水泥含量均具有显著性。随着水泥用量的增加，抗压回弹模量增加；抗压回弹模量含量增加时，抗压回弹模量降低。抗压回弹模量与抗压强度的影响规律性较为一致且显著性都较强，也体现了两者之间的模量关联性^[20]。

图 6 回弹模量试验结果 Fig. 6 Test result of resilience modulus

在路面材料性能研究中，常采用软化系数来表示材料的耐水性，其计算方法为软化系数K=材料在饱水状态下的极限抗压强度/材料在未饱水状态下的极限抗压强度。

软化系数的试验结果和方差分析如图 7和表 6所示。RAP的含量有显著影响，再生材料的软化系数均在0.7以上，这表明水泥稳定再生沥青路面材料都具有良好的水稳定性；但是随着旧沥青混凝土掺量的增加，软化系数有所降低。不同水泥含量的总体均值并非显著地不同，但是进一步分析也得知水泥含量和RAP含量的交互作用具有显著影响，说明水泥掺量的影响在RAP含量不同时的表现不一致。

图 7 水稳定性试验结果 Fig. 7 Test result of water stability

冻稳定性由耐冻系数表征，其计算方法为耐冻系数K₁=材料在冻融循环后的抗压强度/材料未经冻融的饱水抗压强度。

耐冻系数的试验结果和方差分析如图 8和表 7所示。不同水泥含量的总体均值也并非显著地不同，但是进一步分析也发现水泥含量和RAP含量具有交互作用。

图 8 冻稳定性试验结果 Fig. 8 Test result of freezing stability

累计冲刷量的试验结果和方差分析如图 9和表 8所示。结果表明，RAP含量、水泥含量均具有显著性：水泥含量增加时，抗冲刷能力的量降低；RAP增加时，抗冲刷能力升高。

图 9 抗冲刷能力试验结果 Fig. 9 Test result of erosion resistance

导致这一趋势的原因可以解释为水泥水化反应与细集料形成浆体，在含有旧沥青混凝土的情况下，许多细集料表面被沥青裹覆，从而影响这些细集料与骨料的黏结力，导致在冲刷时容易脱落。RAP含量越高，细集料被裹附的程度越高，越不容易与粗集料黏结，水泥用量少时也不容易黏结。

干缩系数的试验结果和方差分析如图 10和表 9所示。结果表明，RAP含量、水泥含量均具有显著性：水泥含量增加时，干缩系数增加；RAP增加时，干缩系数降低。

图 10 抗干缩能力试验结果 Fig. 10 Test result of dry shrinkage resistance

由于水泥本身具有干缩性，因此会导致干缩系数增加。RAP使干缩系数降低可以解释为：在水泥稳定冷再生混合料失水产生收缩应力时，由于混合料的旧沥青混凝土中含有沥青，沥青是一种黏弹性物质，会对这种收缩应力产生一定的松弛作用，从而降低材料的干缩系数。

在RAP含量为50%时，选取沥青面层受老化严重的路段回收RAP和基层进行无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量等试验，性能优化效果如图 11所示。其中累计冲刷量和平均干缩系数的下降比例视为性能优化比例。

图 11 沥青老化对各性能的影响 Fig. 11 Influence of asphalt aging on properties

从图 11可以看到除了干缩系数外，各项性能均得到一定程度的优化，其中无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量这几项力学性能尤为明显。随着旧沥青老化程度的增加，再生材料的强度在明显增加，这说明旧沥青结合料变的更加脆硬的情形下，旧沥青混凝土表现出“黑石料”的作用(图 12)，等效于形状更大的集料，从而对材料的整体抗压强度、弯拉强度、刚度均有利。此外，裹覆在集料表面的老化严重的旧沥青更容易和水泥浆获得更好的黏结效果，故而会改善再生材料的水稳定性，冻稳定性等。沥青老化加重唯一不利的是抗干缩能力，因此老化后沥青的应力松弛能力降低，但是相对未使用RAP的水稳再生基层来说仍有优化作用。因此在全厚式水泥稳定再生材料的实际使用中，应尽量选用老化程度高的沥青，甚至将RAP材料进行高温老化后再使用，以获得更好的材料性能。

图 12 全厚式水泥稳定再生材料的结构 Fig. 12 Structure of cement stabilized full-depth reclamation material

通过室内试验和方差分析，研究了旧沥青混凝土和旧半刚性基层材料比例对全深式水泥稳定再生路面材料的影响，并讨论了沥青老化的影响，得到如下结论：

(1) 最大干密度和最佳含水量与RAP含量均有强烈的线性递减关系。

(2) 在较低水泥剂量下，2.0%水泥掺量的强度不满足基层要求，只能考虑用作底基层，水泥掺量为3%时RAP含量也不能过高。

(3) 通过方差分析，发现水泥用量对无侧限抗压强度、劈裂强度、回弹模量、累计冲刷量、干缩系数都有强烈的影响关系，对软化系数、耐冻系数没有强烈的影响关系，但是水泥含量和RAP含量的交互作用具有显著影响，说明水泥掺量的影响在RAP含量不同时的表现不一致。

(4) RAP的含量增加，对各项材料性能均有显著影响。其中仅有干缩性能为有利影响，是由沥青的黏弹性和应力松弛作用导致，而其他性能均为不利影响。

(5) 沥青老化时，除了干缩系数外，各项性能均得到一定程度的优化，其中力学性能尤为明显，是因为旧沥青混凝土表现出“黑石料”的作用，且老化严重的旧沥青更容易和水泥浆获得更好的黏结效果。故推荐将RAP材料进行高温老化后再使用。