公路交通科技  2021, Vol. 38 Issue (12): 1−11, 46

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王秋平
WANG Qiu-ping
在役乳化沥青冷再生路面与冷再生混合料性能衰变规律
Study on In-service Emulsified Asphalt Cold Recycled Pavement and Decay Rule of Cold Recycled Mixture Performance
公路交通科技, 2021, 38(12): 1-11, 46
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2021, 38(12): 1-11, 46
10.3969/j.issn.1002-0268.2021.12.001

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收稿日期: 2021-06-07
在役乳化沥青冷再生路面与冷再生混合料性能衰变规律
王秋平     
云南省曲靖市设计研究院有限责任公司, 云南 昆明 655000
摘要: 为了研究乳化沥青冷再生路面在服役期间的技术状况与路用性能衰减趋势,选择我国华北某高速公路大修工程采用的5 km厂拌乳化沥青冷再生试验路段作为研究对象,分析服役6 a内乳化沥青冷再生路面PCIRDIRQIPSSI随运营年限和标准轴载累计当量轴次的衰减规律,通过硬路肩、行车道、超车道处钻芯取样试验,并基于室内力学性能试验和高低温路用性能试验,分析在役乳化沥青冷再生路面运营期间力学性能与路用性能衰减规律。结果表明,乳化沥青路面试验段的典型病害为反射裂缝,服役6 a,承受了16 763 922次累计当量轴次作用后,乳化沥青冷再生路面的PCIRDIRQIPSSI指标分别下降至92.9(优)、89(良)、90.2(优)、93.6(优),试验段乳化沥青冷再生路面表现出了优异的耐久性能和良好的服务水平。随着服役年限增加,乳化沥青冷再生路面芯样的劈裂强度、无侧限抗压强度、动态压缩模量、三轴剪切黏聚力均呈增大趋势,相较于室内新成型乳化沥青混合料,运营期间乳化沥青冷再生路面芯样的高低温性能不减反增。受水泥水化反应、二次压密作用及新旧沥青浸润、融合作用的影响,旧沥青重新发挥出黏结强度,从而显著提高了乳化沥青冷再生混合料的力学强度与高低温路用性能。
关键词: 道路工程     乳化沥青冷再生路面     乳化沥青冷再生混合料     路面技术状况     衰减规律     力学性能    
Study on In-service Emulsified Asphalt Cold Recycled Pavement and Decay Rule of Cold Recycled Mixture Performance
WANG Qiu-ping    
Yunnan Qujing Design and Research Institute Co., Ltd., Kunming Yunnan 655000 China
Abstract: In order to study the decline of the technical condition and road performance of emulsified asphalt cold recycled pavement during service, selecting the 5 km plant-mixed emulsified asphalt cold recycled test section in the major repair project of an expressway in North China as the research object, the attenuation rules of PCI, RDI, RQI and PSSI of emulsified cold regenerated asphalt pavements in 6 years of service with operating years and cumulative equivalent axle times of standard axle load are analysed. Through testing core drilling samples at hard shoulders, driving lanes and overtaking lanes by indoor mechanical performance test and high and low temperature road performance test, the mechanical properties and road performance attenuation rule of in-service emulsified asphalt cold recycled pavement during operation are analyzed. The result shows that (1) The typical disease of the emulsified asphalt pavement test section is reflective cracks. After 6 years of service and 16 763 922 times of cumulative equivalent axle action, the PCI, RDI, RQI, and PSSI indicators of the emulsified asphalt cold-recycled pavement dropped to 92.9 (excellent), 89 (good), 90.2 (excellent), 93.6 (excellent) respectively, the emulsified asphalt cold recycled pavement of the test section shows excellent durability and good service level. (2) As the service life increases, the splitting strength, unconfined compressive strength, dynamic compression modulus, triaxial shear cohesion of the core samples of emulsified asphalt cold recycled pavement show the increasing trends. Compared with newly formed indoor emulsified asphalt mixture, the core samples of the high and low temperature performance of the emulsified asphalt cold recycled pavement do not decrease but increases during operation. (3) Affected by the cement hydration reaction, secondary compaction, and the infiltration and fusion of new and old asphalt, the old asphalt regained its bonding strength, thereby significantly improved the mechanical strength and high and low temperature road performance of the emulsified asphalt cold recycled mixture.
Key words: road engineering     emulsified asphalt cold recycled pavement     emulsified asphalt cold recycled mixture     technical condition of pavement     decay rule     mechanical property    
0 引言

目前我国有大量的沥青路面陆续进入大、中修期,沥青路面养护维修任务艰巨。沥青路面科学的再生利用是建设绿色公路的必然要求,也是建设资源节约型、环境友好型社会必须面对的重要课题。乳化冷再生技术是沥青路面最常用的冷再生方式之一,具有成本低、施工速度快、节能、减排环保以及良好的工程经济性等优势,因此在国内外高速公路、城镇主干线公路和地方道路都有广泛的应用[1-3]

使用性能方面,国内研究表明[2-4],在半刚性基层沥青路面大中修工程中,通过加铺冷再生半柔性层,能够有效抑制下卧层半刚性基层的反射裂缝、改善旧路的抗疲劳耐久性能。低成本、10~16 cm乳化沥青冷再生结构层具有优异的抗裂性能,在我国大量使用半刚性基层大背景下,冷再生结构层具有极大的推广应用价值。美国宾夕法尼亚州跟踪检测了40多条沥青冷再生路段,研究表明[4-6],在加铺相同结构层厚度条件下,设置冷再生基层(下面层)的沥青路面其抗反射裂缝能力是直接加铺方案的2~3倍,而加铺冷再生方案的工程造价仅为直接加铺方案的2/3。

强度形成机理方面,有研究表明[2-4],对于实际使用效果优异的半柔性材料,其材料组成完全有别于热拌沥青混合料和水泥稳定类材料,主要源于其特殊的原材料组成和独特强度形成机理:在材料组成方面,冷再生混合料包含有机类材料(乳化沥青、老化沥青)、无机胶凝类材料(水泥),既有废旧沥青路面材料(老化沥青、黑石),又有新添加的砂石材料,从对强度的贡献而言,既有胶结料提供的黏结力,又有颗粒嵌挤提供的摩阻力,也有新旧沥青交融产生的黏结力。美国俄罗冈州在确定乳化沥青用量时,考虑RAP表面旧沥青含量和就沥青老化程度对冷再生混合料新旧沥青交融程度和旧沥青黏结力发挥程度的影响,提出了乳化沥青用量的修正公式,研究结果表明[4-6],乳化沥青冷再生混合料中的旧沥青会同新添加沥青一样发挥黏结作用。同济大学孙立军[7]教授研究表明,受旧料与沥青结合浸润与压密作用影响,乳化沥青冷再生路面在服役过程中存在疲劳寿命增长的过程。交通运输部公路科学研究所徐剑等[8-9]研究表明,乳化沥青冷再生路面符合永久性路面结构的特征。中交第一公路勘察设计研究院有限公司王宏等[10]研究表明,冷再生路面在服役过程中存在沥青重新分布过程。长安大学刘娜等[11]研究表明,在冷再生实体工程竣工验收后2~5 a内,冷再生基层的力学性能随使用年限的增长而不断提高,劈裂强度最大可增大至新成型冷再生混合料的3.48倍,乳化沥青冷再生基层芯样的抗压回弹模量明显大于ATB基层。

国内外有关乳化沥青冷再生混合料性能评价方面的研究大多是针对室内新成型乳化沥青混合料[12-16],有关乳化沥青冷再生路面中长期使用性能衰减规律和在役乳化沥青冷再生路面力学性能和路用性能方面的研究不多[15-17]。目前乳化沥青冷再生技术处于大面积推广应用阶段,但是国内在乳化沥青冷再生路面服役期的性能跟踪观测方面还有欠缺,现场工程应用检测数据不能很好反馈验证室内研究[17-19],本研究结合实体工程应用情况,调查分析了服役6 a期间乳化沥青冷再生路面,为掌握乳化沥青冷再生路面技术状况衰变规律,为研究冷再生路面结构设计与强度形成机理提供借鉴。

1 试验准备 1.1 概况

试验路段是国家高速公路网重要组成部分,地处我国华北冬严寒区。旧路为双向4车道高速公路,改建后为双向6车道高速公路,旧路路面结构:4 cm AC-16中粒式沥青混凝土+5 cm AC-25中粒式沥青混凝土+40 cm水泥稳定碎石+20 cm水泥粉煤灰综合稳定砂砾,路面结构总厚度为69 cm,于2005年11月建成通车。运营8 a后,路面承受了远超设计累计当量轴次后,加之所在地区冬季严寒、漫长,昼夜温差大的气候特点,导致沥青路面反射裂缝、疲劳开裂严重,路面结构承载能力指数普遍为50~65,PCI下降至46以下, RQI下降至61。改建段设计采用乳化沥青冷再生技术方案,铣刨原9 cm沥青混凝土层后自下而上整体加铺依次为:20 cm水泥稳定碎石+12 cm乳化沥青冷再生基层+6 cm AC-20C改性沥青混合料下面层(18%胶粉+2.5%SBS复合改性沥青)+4 cmAC-13C改性沥青混合料表面层(SBS改性沥青)。改建项目于2014年10月竣工。本次调查的乳化沥青冷再生路面长度为5 000 m,每1 km为一个评定单元,试验段代号依次为A1~A5。

环境作用:从气象站收集得到2015—2020年的平均气温8.2~8.9 ℃,最大昼夜温差平均值为6~22 ℃。年平均降雨量为325.4~534.6 mm,湿度系数为0.375,月最高气温为35.6 ℃,月最低气温为-19.3 ℃。

荷载作用:根据收费站收集得到交通参数,重车比例为0.32。换算2015—2020年标准轴载累计当量轴次分别为1 850 550,3 713 479,6 810 199,9 806 786,13 087 349,16 763 922。

1.2 原材料与配合比

(1) 乳化沥青:乳化沥青主要性能指标见表 1

表 1 乳化沥青技术性能测试结果 Tab. 1 Test result of emulsified asphalt technical performance
试验项目 试验结果 质量要求
破乳速度 慢裂 慢裂或中裂
粒子电荷 阳离子 阳离子
筛上残留物(1.18 mm筛)/% 0.05 ≤0.1
恩格拉黏度E25 6.1 2~30
蒸发残留物 残留分含量/% 63 ≤62
溶解度/% 98.6 ≥97.5
25 ℃针入度/(0.1 mm) 72 50~300
15 ℃延度/cm 57.1 ≥40
与粗集料的黏附性 >2/3 >2/3
与粗、细粒式集料拌和试验 矿料裹覆均匀 均匀
常温存储稳定性 1 d/% 0.3 ≤1
5 d/% 1.3 ≤5

(2) RAP:根据试验检测报告,乳化沥青冷再生混合料中的RAP主要性能见表 2

表 2 RAP技术性能 Tab. 2 RAP technical performance
材料 检测项目 技术要求 试验结果
RAP 含水率/% ≤3 <1
沥青含量/% 4.2
砂当量 ≥60 62
最大粒径 <31.5 ≤26.5
RAP中粗集料 针片状含量/% ≤15 11.7
压碎值/% ≤26 20.8
RAP中细集料 棱角性,流动时间/s ≥35 41
4.75 mm以下的RAP砂当量 ≥50 58

(3) 矿料级配: 根据RAP和新集料(石灰岩碎石)筛分试验结果,在满足JTG F41—2008矿料级配要求前提下,以最大利用RAP为原则,确定机制砂的掺配比例为15%,RAP掺量为85%(>9.5 mm RAP掺量50%,< 9.5 mm RAP掺量35%)。配合比设计结果见表 3表 4

表 3 合成级配表 Tab. 3 Synthetic gradation table
筛孔/mm RAP 机制砂 合成级配 级配限值(中粒式)
85% 15% 100%
26.5 100 100 100 100
19 96.4 100 96.9 90~100
9.5 81.7 100 84.4 60~80
4.75 53.8 100 60.7 35.0~65
2.36 35.1 76.1 41.3 20.0~50
0.3 5.8 23.2 8.4 3.0~21
0.075 2.1 10.9 3.4 2.0~8.0

表 4 推荐的乳化沥青冷再生混合料配合比 Tab. 4 Recommended smix ratio of emulsified asphalt cold recycled mixture
乳化沥青用量/% 拌和加水量/% 水泥用量/% ITS/MPa 干湿ITS比/% TSR/%
4.0 3.7 1.5 0.67 96.7 92.2

(4) 其他:采用矿渣硅酸盐水泥P.S.A 42.5和实验室自来水。

1.3 试验方法

使用性能衰变规律:采用人工调查方式获取乳化沥青冷再生路面的病害类型,依据《公路状况技术评定标准》(JTG 5210—2018)中各类病害损害类型、权重及换算系数,计算各类病害的损害面积占比。采用考普勒斯路面质量综合检测设备逐年实测乳化沥青冷再生路面的PCIPQIRDIPSSI,分析乳化沥青冷再生沥青路面技术状况随服役年限(标准轴载累计当量轴次)的衰变规律。

通过钻芯取样试验,基于室内力学性能试验、高低温路用性能试验分析行车道、超车道、硬路肩乳化沥青冷再生混合料强度随当量轴次的变化趋势,并与室内新成型乳化沥青混合料进行对比,揭示在役乳化沥青冷再生混合料性能衰减规律。

1.4 试件制备与试验方法

钻芯取样:现场芯样直径为150 mm,取芯位置为行车道、超车道轮迹带和硬路肩中间位置,2015—2020年间取芯时间间隔1 a。室内新成型乳化沥青冷再生混合料的矿料级配、乳化沥青用量、拌和用水量、RAP掺量等原材料组成均与施工现场一致,室内新成型乳化沥青冷再生混合料养生温度为60 ℃,养生时间为48 h,养生结束后,不脱模室温冷却12 h后备用。

试验方法:按照标准试件尺寸二次加工芯样,试验操作步骤、加载方式等严格按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)、《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521—2019)、《路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)进行,主要试验参数见下文。

2 乳化沥青冷再生路面技术状况评价 2.1 PCI指标

JTG 5210—2019《公路技术状况评定标准》,计算路面破损率并换算PCI。试验结果取5 km调查路段的PCI均值,2014—2020年间乳化沥青冷再生路面PCI指标衰变规律见表 5

表 5 乳化沥青冷再生路面PCI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Tab. 5 Rules of PCI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years
运营年份 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
累计当量轴次 0 1 850 550 3 713 479 6 810 199 9 806 786 13 087 349 16 763 922
PCI A1 100 99.4 97.4 95.2 94.2 93.4 93.1
A2 100 98.9 95.7 95.1 94.5 93.8 92.6
A3 100 99.1 96.2 95.4 93.9 93.4 93.1
A4 100 99.2 96.6 95.7 94.9 94.1 93.3
A5 100 99.4 96.9 95.4 94.3 93.4 92.4
代表值 100 99.2 96.5 95.3 94.4 93.6 92.9

表 5图 1可知:

图 1 乳化沥青冷再生路面PCI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Fig. 1 Rules of PCI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years

(1) 随着服役年限和车辆荷载作用次数的增加,乳化沥青路面的PCI持续下降,在服役的前3 a(承受标准轴载累计当量轴次6 810 199次),乳化沥青路面的PCI衰减明显,试验段PCI代表值由100衰减95.3,PCI下降明显; 而服役3~6 a期间,5 km试验段的PCI代表值仅由94.4衰减至92.9。在服役期间乳化沥青路面的PCI衰减规律呈“先快后慢”的两阶段衰减规律。通过调查试验段典型病害和钻芯取样发现:本地区内,乳化沥青路面的典型病害为反射裂缝,这主要与旧路下承层病害处理不彻底有关。在服役初期,由于沥青混合料的早期强度较低,不足以抵抗下承层反射裂缝的发展,导致在行车荷载作用下,旧路基层反射裂缝发展至沥青混凝土层。

(2) 服役6 a后(承受了16 763 922次标准轴载作用后),乳化沥青路面的PCI仍评定为优,验证了乳化沥青路面具备良好的耐久性。

(3) 通过拟合回归可以发现,乳化沥青路面PCI随累计当量轴次增加呈指数关系衰减,PCI与服役年限之间符合文献[7-9]提出的路面使用性能衰变方程,这与热拌沥青混凝土路面使用性能衰变规律相吻合,回归的拟合方程可为乳化沥青冷再生路面确定预防性养护时机提供借鉴。

2.2 RDI指标

车辙深度指数(RDI)是评价沥青路面车辙病害严重程度,采用考普勒斯路面质量综合检测系统(COPRES-13G)对全线进行路面车辙连续检测。按照JTG 5210—2019《公路技术状况评定标准》,实测车辙深度并根据模型参数计算A1~A5试验段的RDI,结果见表 6

表 6 乳化沥青冷再生路面RDI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Tab. 6 Rules of RDI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years
运营年份 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
累计当量轴次 0 1 850 550 3 713 479 6 810 199 9 806 786 13 087 349 16 763 922
RDI A1 100 98.4 95.4 91.2 90.2 89.4 88.2
A2 100 96.9 94.7 92.2 90.5 88.5 87.7
A3 100 97.4 94.1 93.3 91.8 90.4 89.1
A4 100 96.2 93.6 92.7 91.3 90.2 89.4
A5 100 96.4 94.9 93.2 92.5 91.5 90.7
代表值 100 97.1 94.5 92.5 91.3 90.0 89.0

表 5图 2可知:

图 2 乳化沥青冷再生路面RDI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Fig. 2 Rules of RDI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years

(1) 随着服役年限和累计当量轴次增加,乳化沥青路面的RDI逐渐增大,服役6 a后,试验段乳化沥青冷再生路面的RDI下降至89.0,与PCI变化规律相类似,在服役前3 a,乳化沥青冷再路面RDI下降趋势较为明显,RDI随服役年限与车辆荷载轴载作用次数增加呈先快速减小后缓慢降低的趋势。分析以为,本研究沥青层均使用改性沥青,调查期间,受夏季突发极端高温天气影响,车辙变形量主要来源于沥青路面结构层的剪切疲劳变形和路面结构层的压密变形,由于乳化沥青冷再生路面的早期强度较低,在车辆荷载作用下更易于产生压密变形。此外,在服役期间,沥青混凝土层压密变形也主要集中在服役早期。

(2) 服役6 a后,试验段乳化沥青路面无明显车辙病害,车辙深度指数由初始100降低至89,试验段换算车辙深度代表值5.5 mm,RDI评定为良。结合钻芯取样发现,轮迹处车辙变形量主要源于加铺层沥青混凝土的压密变形,乳化沥青冷再生结构层无明显破损或剪切失稳变形,验证了乳化沥青路面具备优异的抗车辙性能。

(3) 乳化沥青路面结构层RDI随累计当量轴次增加呈指数关系衰减,RDI与服役年限之间的衰减规律符合文献[7-9]提出的路面结构行为衰变预估方程。

2.3 RQI指标

JTG 5210—2019《公路技术状况评定标准》采用行驶质量指数(RQI)评价路面平整度水平,通过激光平整度仪测试国际平整度指数IRI,带入计算模型,换算得到RQI,结果见表 7

表 7 乳化沥青冷再生路面RQI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Tab. 7 Rules of RQI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years
运营年份 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
累计当量轴次 0 1 850 550 3 713 479 6 810 199 9 806 786 13 087 349 16 763 922
RQI A1 100 97.3 95.1 93.2 92.2 91.6 90.3
A2 100 96.1 94.9 93.4 91.9 90.7 90.1
A3 100 97.1 95.8 93.2 91.7 90.9 90.2
A4 100 96.9 95.2 92.5 91.2 90.9 90.1
A5 100 97.1 95.1 93.1 92.1 91.2 90.2
代表值 100.0 96.9 95.2 93.1 91.8 91.1 90.2

表 7图 3可知,(1)服役6 a后、承受了16 763 922次累计当量轴次作用后,乳化沥青路面的RQI仍为90.2,评定为优,表明乳化沥青冷再生路面具备良好的耐久性和优异的服务水平。(2) 服役期间,乳化沥青路面RQI衰减规律呈“先快速减小后缓慢降低”的趋势,在服役的前3 a,RQI随累计当量轴次的增加明显降低,服役3~6 a期间,RQI代表值由91.8降低至90.2,RQI仅衰减1.6。(3)乳化沥青路面结构层RQI随累计当量轴次增加呈指数关系衰减,RQI与服役年限之间的衰减规律符合文献[7-9]提出的路面结构行为衰变预估方程。

图 3 乳化沥青冷再生路面RQI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Fig. 3 Rules of RQI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years

2.4 PSSI指标

承载能力指数是反映路面结构承受车辆荷载后的剩余结构强度。通过实测弯沉值,将测试弯沉与设计弯沉之比代入JTG 5210—2019《公路技术状况评定标准》计算模型,换算得到路面结构承载能力指数(PSSI),结果见表 8

表 8 乳化沥青冷再生路面PSSI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Tab. 8 Rules of PSSI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years
运营年份 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
累计当量轴次 0 1 850 550 3 713 479 6 810 199 9 806 786 13 087 349 16 763 922
PSSI A1 100 98.9 98.1 97.9 96.8 95.7 94.3
A2 100 99.5 99.1 98.6 97.9 96.5 93.6
A3 100 99.2 98.8 98.2 97.3 95.9 93.1
A4 100 98.9 98.2 97.9 97.1 95.2 92.7
A5 100 99.4 98.9 98.1 97.7 95.7 94.1
代表值 100.0 99.2 98.6 98.1 97.4 95.8 93.6

表 8图 4可知:

图 4 乳化沥青冷再生路面PSSI随累计当量轴次与运营年数的变化规律 Fig. 4 Rules of PSSI of emulsified asphalt cold recycled pavement varying with cumulative equivalent axle number and operating years

在服役前3 a承受累计轴次6 810 199后,乳化沥青冷再生路面PSSI由初始100下降至98.1,服役3~6 a期间承受16 763 922次累计当量轴次后乳化沥青冷再生路面的PSSI代表值仍达到了93.6,服役6 a后乳化沥青冷再生路面的承载能力仍评定为优,表明乳化沥青冷再生路面具备优异的耐久性能。乳化沥青冷再生路面的承载能力指数随服役年限、累计当量轴次的增加持续减小,PSSI随标准轴载累计当量轴次增加呈指数关系减小,PSSI与服务年限之间的拟合关系符合文献[7-9]提出的路面结构行为衰变预估方程。

3 乳化沥青冷再生路面性能试验 3.1 力学性能

力学性能试验的取芯位置:硬路肩中间位置(编号C1,下同)、行车道轮迹处(编号C2,下同)、超车道轮迹处(编号C3,下同),取芯间隔为1 a,按照不同力学性能试验的平行试件数量要求,每组取芯4~6个。对照组采用室内新成型的乳化沥青混合料(编号C4,下同)。试验方法严格参照JTG/T5521—2019,JTGE20—2011等相关规范与试验规程,力学性能试验结果见表 9

表 9 乳化沥青冷再生路面力学性能试验结果汇总 Tab. 9 Summary of mechanical performance test results of emulsified asphalt cold recycled pavement
运营年份 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
累计当量轴次 0 1 850 550 3 713 479 6 810 199 9 806 786 13 087 349 16 763 922
劈裂强度/MPa C1 0.675 1.183 1.464 1.683 1.776 1.842 1.901
C2 0.675 0.892 1.015 1.365 1.453 1.53 1.614
C3 0.675 0.792 0.946 1.253 1.315 1.393 1.401
C4 0.675
无侧限抗压强强度/MPa C1 2.258 2.765 3.214 3.784 4.265 4.465 4.642
C2 2.258 2.542 2.874 3.335 3.841 4.224 4.330
C3 2.258 2.412 2.721 3.184 3.531 3.874 4.191
C4 2.258
动态压缩模量/MPa C1 5 250 6 732 7 633 8 874 9 123 10 444 10 764
C2 5 250 6 084 7 212 8 054 8 569 9 123 9 304
C3 5 250 5 985 6 754 7 555 8 231 8 655 8 759
C4 5 250
三轴剪切内摩擦角/(°) C1 45.4 46.1 46.6 46.7 46.5 46.6 46.5
C2 45.4 47.2 48.2 49.1 49.7 50.1 50.2
C3 45.4 46.8 47.8 48.5 48.9 49.3 49.5
C4 45.4
三轴剪切黏聚力/MPa C1 0.344 0.472 0.488 0.501 0.514 0.521 0.525
C2 0.344 0.398 0.419 0.448 0.478 0.491 0.501
C3 0.344 0.385 0.402 0.423 0.454 0.467 0.471
C4 0.344

表 8可知:

(1) 硬路肩处、行车道和超车道处乳化沥青路面芯样的力学强度远大于室内新成型乳化沥青混合料,并且随着服役年限增加、标准轴载累计当量轴次增大,硬路肩处、行车道和超车道轮迹处乳化沥青路面芯样的劈裂强度、无侧限抗压强度、动态压缩模量、三轴剪切内摩擦角和黏聚力不减反增,乳化沥青路面在服役6 a期间,乳化沥青混合料的力学强度存在增长过程,随服役年限的增大,乳化沥青冷再生混合料在服役期间自身力学强度的增长幅度大于车辆荷载和环境作用的疲劳损伤作用。

(2) 相同服役年限,超车道乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度、无侧限抗压强度、动态压缩模量、三轴剪切内摩擦角和黏聚力均大于超车道乳化沥青混合料,这主要是行车道的车道系数大于超车道,并且行车道承受的大客车、货车交通量远大于超车道所致,硬路肩处,由于几乎不承受车辆荷载,因此路面芯样的各项力学强度均最高。

(3) 对比不同服役年限乳化沥青冷再生路面芯样的劈裂强度试验结果可以发现,乳化沥青冷再生路面服役1~6 a后,相较于室内新成型乳化沥青冷再生混合料,硬路肩处乳化沥青冷再生路面芯样的劈裂强度增大了75.3%, 116.9%, 149.3%, 163.1%, 172.9%, 181.6%,行车道路面芯样的劈裂强度增大了32.1%, 50.4%, 102.2%, 115.3%, 126.7%, 139.1%,超车道路面芯样的劈裂强度增大了17.3%, 40.1%, 85.6%, 94.8%, 106.4%, 107.6%,服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的劈裂强度可达到1.401~1.901 MPa,达到了室内新成型乳化沥青冷再生混合料劈裂强度的2.08~2.83倍,服役期间乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度可达到热拌沥青混合料相同水平,这与文献[11]乳化沥青路面芯样试验结果相吻合。

(4) 对比不同服役年限乳化沥青冷再生路面芯样的无侧限抗压强度试验结果可以发现,乳化沥青冷再生路面服役1~6 a后,相较于室内新成型乳化沥青冷再生混合料,硬路肩处乳化沥青冷再生路面

芯样的无侧限抗压强度分别增大了22.5%, 42.3%, 67.7%, 88.9%, 97.7%, 105.6%,行车道路面芯样的无侧限抗压强度度增大了1.62%, 27.3%, 47.7%, 70.1%, 87.1%, 91.8%,超车道路面芯样的无侧限抗压强度增大了6.8%, 20.5%, 41%, 56.4%, 71.6%, 85.6%,服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的无侧限抗压强度可达到4.191~4.642 MPa,达到了室内新成型乳化沥青冷再生混合料无侧限抗压强度的1.86~2.06倍,服役6 a后乳化沥青冷再生混合料的无侧限抗压强度可达到低剂量水泥稳定碎石的相同水平。

(5) 对比不同服役年限乳化沥青冷再生路面芯样的动态压缩模量试验结果可以发现,乳化沥青冷再生路面服役1~6 a后,相较于室内新成型乳化沥青冷再生混合料,硬路肩处乳化沥青冷再生路面芯样的动态压缩模量分别增大了28.2%, 45.3%, 69%, 73.8%, 98.9%, 105%,行车道路面芯样的劈裂强度增大了15.9%, 37.4%, 53.4%, 63.2%, 73.8%, 77.2%,超车道路面芯样的劈裂强度增大了14%, 28.6%, 43.9%, 56.8%, 64.9%, 66.8%,服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的动态压缩模量可达到8 759~10 764 MPa,为室内新成型乳化沥青冷再生混合料动态压缩模量的1.67~2.05倍,服役6 a后,乳化沥青冷再生混合料的动态压缩模量比JTG/T5521—2019推荐的乳化沥青冷再生混合料动态压缩模量(20 ℃, 10 Hz)提高了1.5倍以上,在役乳化沥青冷再生混合料的动态压缩模量可达到热拌沥青混合料相同水平。

(6) 在服役6 a期间乳化沥青冷再生混合料的三轴剪切试验黏聚力不减反增,硬路肩芯样内摩擦角在服役2 a后基本保持不变。对比不同服役年限乳化沥青冷再生路面芯样的黏聚力可以发现,乳化沥青冷再生路面服役1~6 a后,相较于室内新成型乳化沥青冷再生混合料,硬路肩处乳化沥青冷再生路面芯样的黏聚力分别增大了37.2%, 41.9%, 45.6%, 49.4%, 51.5%, 52.5%,行车道路面芯样的黏聚力增大了4%, 6.2%, 8.1%, 9.5%, 10.4%, 10.6%,黏聚力分别增大了15.7%, 21.8%, 30.2%, 39%, 42.7%, 45.6%,超车道路面芯样的黏聚力增大了3.1%,5.3%、6.8%, 7.7%, 8.6%, 9.0%,黏聚力分别增大了11.9%, 16.9%, 23%, 32%, 35.8%, 36.9%。服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的黏聚力可达到0.471~0.525 MPa,黏聚力比室内新成型乳化沥青冷再生混合料增大了27%~53%,黏聚力的增大,主要是在行车荷载作用下,乳化沥青冷再生混合料被二次压密,集料之间的嵌挤作用增强。

综上可知,在行车荷载作用下,随着使用年限增加,乳化沥青冷再生路面芯样的各项力学性能均呈增大趋势,乳化沥青冷再生路面芯样的力学强度不减反增,这也可以解释,乳化沥青冷再生混合料的初期力学强度虽不及热拌沥青混凝土的1/3,而乳化沥青路面的PCI, PSSI, RQI, RDI指标在服役期间下降幅度明显低于常规半刚性基层。分析以为:室内加速养生方式仅模拟了乳化沥青冷再生混合料含水率最低状态,并不能代表乳化沥青冷再生混合料强度完全形成时强度最高时的最佳状态,乳化沥青冷再生路面的力学性能与养生时间有关,在服役期间存在力学性能长期增长的过程。这一方面,随着服役(养生)时间增加,乳化沥青冷再生混合料内部的水泥逐渐发生水化反应,水泥水化产生的胶凝材料与养生时间有关;另一方面,在加铺热拌沥青混凝土时,由于上层热拌沥青混凝土传递热量,同时产生二次压实作用,使得乳化沥青冷再生混合料压实度进一步提高。同时,服役期间行车荷载的再次压实作用,也有助于乳化沥青冷再生混合料力学性能的提高。此外,根据沥青的时-温换算原理,可以将高温作用等效为长时间或者长时间等效为高温,沥青在高温-荷载-短时间作用下与沥青在常温-荷载-长时间作用具有一定的等效关系,将高温换算为长时间,新旧沥青在高温下短时间交融能恢复老化沥青黏结强度。同样,在常温条件下,新旧沥青长时间交融,也能激发老化沥青的黏结强度,在新旧沥青长时间交融,服役过程中新旧沥青重新融合,长时间的交融作用在某种程度上起到了加热老化沥青作用,旧沥青重新发挥胶结料作用,表现出了热沥青的黏结效果。换言之,在乳化沥青强度形成初期,冷再生中的RAP主要起到“黑色集料”作用,而在服役期间,RAP表面老化沥青发挥黏结作用虽然缓慢,但是持续时间长,通过对比三轴剪切试验黏聚力指标可以发现,受环境作用和二次压密作用影响,新旧沥青产生交融,旧沥青迁移、融合,旧沥青发挥了黏结作用,黏聚力逐渐增大。水泥水化反应、二次压密作用和新旧沥青交融产生黏结强度,旧沥青重新发挥出黏结强度,并且在乳化沥青冷再生混合料中旧沥青含量较高,因此乳化沥青冷再生混合料的力学强度均明显提高。硬路肩处乳化沥青冷再生混合料的力学强度提高幅度最大,表明乳化沥青冷再生混合料在服役过程中,老化沥青发挥黏结强度对冷再生混合料力学性能的贡献大于混合料二次压密作用。

3.2 乳化沥青冷再生路面高、低温路用性能

采用低温SCB试验、汉堡车辙试验评价乳化沥青冷再生路面芯样的低温抗裂性能与高温稳定性,同时与室内新成型乳化沥青冷再生混合料进行对比。低温SCB试验采用直径150 mm半圆试件,试件厚30 mm,在试件中心部位预切宽、高均为15 mm矩形开口,试验加载速率5 mm/min,加载支点间距80 mm,以弯拉强度、弯曲应变和断裂能密度为评价指标[14]。采用直径150 mm芯样,试件高度为100 mm,试验温度60 ℃,汉堡车试验加载频率52 Hz,试验钢轮接地压强0.705 MPa,总加载次数为20 000次,在干燥条件下进行,以轮迹处的车辙深度为评价指标[15],试验结果汇总见表 10

表 10 乳化沥青冷再生路面路用性能试验结果汇总 Tab. 10 Summary of road performance test results of emulsified asphalt cold recycled pavement
运营年份 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
累计当量轴次 0 1 850 550 3 713 479 6 810 199 9 806 786 13 087 349 16 763 922
弯拉强度/MPa C1 2.733 3.245 3.654 4.034 4.239 4.456 4.525
C2 2.733 2.994 3.236 3.459 3.674 3.923 4.111
C3 2.733 2.834 3.121 3.289 3.452 3.632 3.712
C4 2.733
断裂能密度/(J·m-2) C1 207.5 396.8 584.5 674.9 723.8 784.7 799.4
C2 207.5 335.7 444.3 498.5 539.6 579.4 613.5
C3 207.5 304.5 399.4 443.2 495.5 522.4 545.8
C4 207.5
汉堡车辙试验变形量/mm C1 7.84 7.23 6.74 6.43 6.22 6.03 5.86
C2 7.84 6.42 6.22 5.85 5.55 5.23 5.03
C3 7.84 5.65 5.34 5.23 5.04 4.98 4.78
C4 7.84

表 10可知:

(1) 低温性能方面,相同服役年限,承受交通荷载作用次数越小,乳化沥青冷再生混合料的弯拉强度和断裂能密度越高、低温性能越好,表现为断裂能密度与弯拉强度大小排序为:硬路肩处芯样>超车道芯样>行车道芯样。对比不同服役年限(累计当量轴次)乳化沥青冷再生路面芯样的弯拉强度和弯曲应变能试验结果可以发现,乳化沥青冷再生路面服役1~6 a后,相较于室内新成型乳化沥青冷再生混合料,硬路肩处乳化沥青冷再生路面芯样的弯拉强度分别增大了18.7%,33.7%,47.6%,55.1%,63%,65.6%,断裂能密度分别提高了91.2%,181.7%,225.3%,248.8%,278.2%,285.3%,行车道路面芯样的弯拉强度增大了9.5%,18.4%,26.6%,34.4%,43.5%,50.4%,断裂能密度分别提高了61.8%,114.1%,140.2%,160%,179.2%,195.7%,超车道路面芯样的弯拉强度增大了3.7%,14.2%,20.3%,26.3%,32.9%,35.8%,断裂能密度分别提高了46.7%,92.5%,113.6%,138.8%,151.8%,163%,服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的预切口弯拉强度和断裂能密度可达到3.712~4.525 MPa和545.8~799.4 J/m2,为室内新成型乳化沥青冷再生混合料预切口弯拉强度和断裂能密度的1.36~1.66倍和2.63~3.85倍,服役期间乳化沥青冷再生路面低温性能存在增长过程。

(2) 室内相同加载次数条件下,随着服役年限增加,硬路肩、行车道、超车道路面芯样的汉堡车辙深度逐渐减小,硬路肩处芯样的车辙深度最大,行车道芯样的车辙深度最小。乳化沥青冷再生路面芯样的车辙深度小于室内新成型乳化沥青冷再生混合料。乳化沥青冷再生路面芯样的高低温性能优于室内新成型乳化沥青冷再生混合料,这主要是,行车道和超车道路面芯样承受了车辆荷载作用,芯样的压密变形基本完成,在试验加载过程中车辙变形量相对较小,在长时间服役过程中,由于老化沥青发挥黏结强度,使得路面芯样的黏聚力增大,黏结强度提高,乳化沥青冷再生混合料中接触界面黏结强度的提高,有助于改善冷再生混合料的低温抗裂性能,压密作用提高了集料的骨架嵌挤强度,这有助于改善冷再生混合料的抗变形能力。

4 结论

(1) 乳化沥青路面试验段的典型病害为反射裂缝,改建加铺乳化沥青冷再生结构层由于下承层病害处理不彻底导致的反射裂缝主要发生在服役初期(1~3 a)。服役6 a、承受了16 763 922次累计当量轴次作用后,乳化沥青冷再生路面的PCIRDIRQIPSSI指标分别下降至92.9(优)、89(良)、90.2(优)、93.6(优),试验段乳化沥青冷再生路面表现出了优异的耐久性能和良好的服务水平。

(2) 随着服役年限增加,在行车荷载作用下,乳化沥青冷再生路面芯样的劈裂强度、无侧限抗压强度、动态压缩模量、三轴剪切黏聚力和内摩擦角力均呈增大趋势,乳化沥青冷再生路面芯样的力学强度不减反增。服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的劈裂强度、无侧限抗压强度、动态压缩模量、黏聚力分别达到了0.471~0.525 MPa,1.401~1.901 MPa,4.191~4.642 MPa,8 759~10 764 MPa,0.471~0.525 MPa。相较于室内新成型乳化沥青冷再生混合料,服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的劈裂强度、无侧限抗压强度、动态压缩模量、黏聚力分别提高了2.08~2.83倍、1.86~2.06倍、1.67~2.05倍、0.27~ 0.53倍。

(3) 相同服役年限,硬路肩处乳化沥青冷再生路面芯样的混合料的力学性能和高低温性能排序为:硬路肩处芯样>超车道芯样>行车道芯样。服役6 a后乳化沥青冷再生路面芯样的预切口弯拉强度和断裂能密度可达到3.712~4.525 MPa和545.8~799.4 J/m2,为室内新成型乳化沥青冷再生混合料预切口弯拉强度和断裂能密度的1.36~1.66倍和2.63~ 3.85倍。

(4) 在乳化沥青强度形成初期,冷再生中的RAP主要起到“黑色集料”作用,而在服役期间,受水泥水化反应、二次压密作用及新旧沥青浸润、融合作用的影响,旧沥青重新发挥出黏结强度,从而显著提高了乳化沥青冷再生混合料的力学强度与高低温路用性能,且老化沥青发挥黏结强度对冷再生混合料力学性能的贡献大于服役期间乳化沥青冷再生混合料承受荷载二次压密作用。

参考文献
[1]
王宏. 不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征[J]. 公路交通科技, 2016, 33(7): 27-34.
WANG Hong. Meso-microscopic Void Distribution Characteristics of EmuIsified AsphaIt CoId RecycIed Mixture with Different Cement Contents[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2016, 33(7): 27-34.
[2]
唐中, 洪锦祥, 林俊涛. 水泥与乳化沥青对冷再生强度的影响及作用机理[J]. 建筑材料学报, 2017, 20(2): 310-315.
TANG Zhong, HONG Jin-xiang, LIN Jun-tao. Effect and Action Mechanism of Cement and Emulsified Asphalt on the Strength of Cold Regeneration[J]. Journal of Building Materials, 2017, 20(2): 310-315.
[3]
吕政桦, 申爱琴, 覃潇, 等. 乳化沥青冷再生混合料性能优化及机理研究[J]. 建筑材料学报, 2018, 21(4): 614-619.
LV Zheng-hua, SHEN Ai-qin, QIN Xiao, et al. Performance Optimization and Mechanism of Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixtures[J]. Journal of Building Materials, 2018, 21(4): 614-619.
[4]
HAFEEZ I, KAMAL M A, MIRZA M W, et al. Laboratory Fatigue Performance Evaluation of Different Field Laid Asphalt Mixtures[J]. Construction and Building Materials, 2013, 44(7): 792-802.
[5]
FU P C, JONES D, HARVEY J T. The Effects of Asphalt Binder and Granular Material Characteristics on Foamed Asphalt Mix Strength[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25(2): 1093-1101.
[6]
FU P C, JONES D, HARVEY J T. Dry and Soaked Laboratory Tests for Foamed Asphalt Mixes[C]// Asphalt Paving Technology: Proceedings of the Technical Sessions. [S. l. ]: Association of Asphalt Paving Technologists, 2008.
[7]
孙立军, 程怀磊, 刘黎萍. 在役乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2017, 45(11): 1468-1474.
SUN Li-jun, CHENG Huai-lei, LIU Li-ping. Fatigue Characteristics of In-situ Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixtures[J]. Journal of Tongji University: Natural Science Edition, 2017, 45(11): 1468-1474.
[8]
徐剑, 石小培, 秦永春. 乳化沥青冷再生路面性能衰变与病害特征分析[J]. 公路, 2015(5): 207-212.
XU Jian, SHI Xiao-pei, QIN Yong-chun. Distress Characteristics and Performance Decay Law of Asphalt Emulsion Stabilized Cold Recycling Pavement[J]. Highway, 2015(5): 207-212.
[9]
徐剑, 石小培, 秦永春. 乳化沥青冷再生路面性能衰变规律研究[J]. 公路交通科技, 2015, 32(1): 19-24.
XU Jian, SHI Xiao-pei, QIN Yong-chun. Research on Performance Decay Law of Emulsified Asphalt Cold Recycled Pavement[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015, 32(1): 19-24.
[10]
田迎春, 王宏. 在役泡沫沥青冷再生混合料性能研究[J]. 公路, 2019(1): 223-231.
TIAN Ying-chun, WANG Hong. Research on Performance of In-service Foamed Asphalt Cold Recycled Mixture[J]. Highway, 2019(1): 223-231.
[11]
刘娜. 泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料中长期使用性能研究[D]. 西安: 长安大学, 2012.
LIU Na. Medium and Long-term Service Performance of Foamed Asphalt and Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture[D]. Xi'an: Chang'an University, 2012.
[12]
高磊. 乳化沥青冷再生混合料的裂纹发展行为及抗裂机理研究[J]. 南京: 东南大学, 2016.
GAO Lei. Research on Crack Development Behavior and Anti-crack Mechanism of Cold Emulsified Recycled Asphalt Mixture[J]. Nanjing: Southeast University, 2016.
[13]
罗海龙. 乳化沥青冷再生混合料的细观结构研究[J]. 南京: 东南大学, 2015.
LUO Hai-long. Study on the Mesostructure of Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture[J]. Nanjing: Southeast University, 2015.
[14]
汪德才, 郝培文, 李瑞霞, 等. 乳化沥青冷再生混合料低温抗裂性的试验研究[J]. 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2020, 44(1): 64-68.
WANG De-cai, HAO Pei-wen, LI Rui-xia, et al. Experimental Study on Low Temperature Anti-cracking Performance of Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture[J]. Journal of Wuhan University of Technology: Transportation Science and Engineering Edition, 2020, 44(1): 64-68.
[15]
李卫勇, 张雷, 杨建华, 等. 圆柱形试件用于国标车辙动稳定度试验的可行性分析[J]. 重庆交通大学学报: 自然科学版, 2017, 36(12): 22-29.
LI Wei-yong, ZHANG Lei, YANG Jian-hua, et al. Feasibility Analysis of Cylindrical Specimen for National Standard Rutting Dynamic Stability Test[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science Edition, 2017, 36(12): 22-29.
[16]
王宏, 刘锋. 不同成型方式泡沫沥青冷再生混合料细微观结构性能研究[J]. 公路交通科技, 2016, 33(2): 19-27.
WANG Hong, LIU Feng. Research of Microstructure Performance of Foamed Asphalt Cold Recycled Mixture in Different Compaction Methods[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2016, 33(2): 19-27.
[17]
王宏, 刘锋, 张葆永. 不同养生温度乳化沥青冷再生混合料空隙分布特征[J]. 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2015, 39(2): 388-392.
WANG Hong, LIU Feng, ZHANG Bao-yong. Void Distribution of Emulsified Asphalt Cold Mix With Different Curing Temperature[J]. Journal of Wuhan University of Technology: Transportation Science and Engineering Edition, 2015, 39(2): 388-392.
[18]
高磊. 乳化冷再生混合料的裂纹发展行为及抗裂机理硏究[D]. 南京: 东南大学, 2016.
GAO Lei. Research on Crack Development Behavior and Anti-crack Mechanism of Emulsified Cold Recycled Mixture[D]. Nanjing: Southeast University, 2016.
[19]
张紫红. 厂拌冷再生用乳化沥青性能及应用技术研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2017.
ZHANG Zi-hong. Research on Performance and Application Technology of Emulsified Asphalt for Cold Recyced Plant Mix[D]. Xi'an: Xi'an University of Science and Technology, 2017.