0 引言

废旧沥青路面材料的“高质化”、“高层位”回收利用是公路交通领域实现“碳达峰”、“碳中和”绿色低碳发展的重要途径。乳化沥青冷再生技术是实现沥青路面再生的主要方式之一，与传统热再生技术相比，乳化沥青冷再生技术具有冷拌冷铺施工便捷、RAP掺量大、综合单价低等诸多优势^[1-3]。与泡沫沥青冷再生技术相比，乳化沥青冷再生混合料生产过程中不需要对水稳拌和站改造，仅需添加乳化沥青供应设备，包含乳化沥青输送管路、乳化沥青流量控制系统等。实体工程增加生产投入约为5万元，施工便捷。乳化沥青冷再生混合料可根据RAP特性调整乳化沥青配方，具有早期强度高、水稳定性好、耐久性优良等优势^[4-5]。

配合比设计阶段，2019版《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)延续了2008版规范马歇尔二次击实法制备乳化沥青冷再生混合料试件的方法，即将拌和均匀的乳化沥青混合料装入试模，放入马歇尔击实仪中首先双面击实各50次或75次(大马歇尔)，待60 ℃养生至恒重(一般养生48 h)后趁热立即进行双面击实各25次或37次(大马歇尔)。二次击实一方面是为了消除试件在养生过程中产生的膨胀变形，另一方面一定程度上模拟了现场摊铺上覆热拌沥青混合料对乳化沥青冷再生混合料的二次热压实作用。

对于乳化沥青冷再生混合料试件成型方法，不少学者从宏观和微细观角度进行了大量研究。郑南翔^[6]基于工业CT无损扫描技术研究了室内马歇尔试件二次击实作用对乳化沥青冷再生混合料微细观集料分布规律与空隙结构的影响，结果表明，二次热击实作用可以减少乳化沥青冷再生混合料中的有害空隙，增大一次击实功可以显著改善粗集料取向交角，最终推荐采用规范建议的“50+25”马歇尔成型方法。肖刘路等^[7]基于复合车辙板试件在室内模拟了加铺上覆热拌沥青混合料对乳化沥青冷再生混合料常规路用性能的增强作用，其中动稳定度提升超30%，低温弯曲应变能和弯拉强度增幅超20%，空隙率降低约2%。杨进^[8]结合昌九高速公路改扩建实践情况，对比分析了铺筑上覆热拌沥青混合料前后冷再生结构层的空隙率变化情况，结果表明，经二次压实作用后，乳化沥青冷再生结构层平均空隙率下降了约3%，并建议室内配合比设计时对成型条件加以修正。郝林等^[9]对比分析了旋转压实、马歇尔击实和振动成型3种成型方式对乳化沥青冷再生混合料常规力学性能与路用性能的影响，并基于CT扫描试验分析了不成型方式对乳化沥青冷再生微细观空隙结构的影响，结果表明，旋转压实成型试件内部粗集料嵌挤和接触程度最佳，乳化沥青砂浆厚度最大。王宏等^[10]对比分析了马歇尔击实、旋转压实、轮碾压实和冷再生芯样的微细观空隙结构与集料颗粒取向，发现旋转压实和振动成型试件的粗集料取向角与现场压实最为接近，马歇尔击实过程中会产生粗集料被击碎的现象。国外也有研究表明，乳化沥青冷再生混合料室内配合比设计阶段采用的二次热压实会破坏已经形成胶凝结构的水泥石晶体。60 ℃养生温度已超过了乳化沥青中沥青的软化点，二次热击实会破坏沥青的黏结状态，从而导致室内马歇尔击实确定的乳化沥青冷再生混合料强度偏大^[11-12]。

上述相关研究为室内配合比设计选择合理的试件成型方法奠定了良好的基础，但既有研究大多采用室内模拟试验，针对室内不同压实方法成型的试件开展的常规路用性能试验缺少现场二次热压实效果的量化分析^[12-18]。试验方法方面，已有研究较少涉及低应变水平下的疲劳试验和微细观空隙结构方面的研究^[16-20]。因此，本研究以马歇尔双面击实试件、现场钻芯试验为研究对象，基于常规力学性能试验、Overlay Tester反射裂缝试验、低应变水平下的四点弯曲疲劳试验，量化分析了现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能及耐久性能的增强效果，并基于工业CT无损检测技术探讨了二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料微细观空隙结构的影响规律。研究成果为完善乳化沥青冷再生混合料试件成型方法及性能评价体系提供借鉴。

1 试验段路面结构与乳化沥青冷再生混合料配合比设计 1.1 试验段路面结构

改扩建项目位于内蒙古自治区，设计年限内的大客车和货车交通量为1 294.7万辆，设计交通荷载等级为重载交通。改扩建项目新建段设计采用的路面结构为4 cm厚AC-13C改性沥青混凝土+SBS改性乳化沥青黏层+6 cm厚AC-20C改性沥青混凝土+1 cm厚SBS改性乳化沥青碎石封层+12 cm厚中粒式厂拌乳化沥青冷再生混合料下面层+PC-2乳化沥青透层+36 cm厚骨架密实型水泥稳定碎石基层+20 cm厚骨架密实型水泥稳定碎石底基层。新建段铣刨旧路9 cm沥青混凝土后铺设洒布乳化沥青透层，设计结构为4 cm厚AC-13C细粒式SBS改性沥青混凝土表面层+ SBS改性乳化沥青黏层+6 cm厚AC-20C中粒式改性沥青混凝土中面层+1 cm厚SBS改性乳化沥青碎石封层+12~18 cm厚中粒式厂拌乳化沥青冷再生混合料下面层，以乳化沥青冷再生为结构补强层兼调平层。

1.2 试验原材料

试验采用的原材料均来源于实体工程。RAP混合料采用铣刨方式获得，自然风干后经二次筛分后分为0~5，5~15，15~25 mm共3档存放，RAP主要技术指标见表 1。采用实验室自制乳化沥青，其主要技术指标见表 2。10~20 mm新集料为石灰岩碎石，矿粉由石灰岩磨制而成，试验用水为自来水。经检验，原材料各项技术指标均满足JTGT 5521—2019规范要求。

1.3 乳化沥青冷再生配合比设计

根据原材料筛分试验结果，经室内初步试验，确定乳化沥青冷再生混合料中的原材料0~5 mm RAP，5~15 mm RAP，15~25 mm碎石，10~20 mm碎石，矿粉配比为39∶20∶25∶10∶6。RAP掺量为84%，外掺水泥用量为1.5%，乳化沥青冷再生混合料矿料级配见表 3。经室内击实试验确定最佳拌和用水量为4.1%，以劈裂强度峰值确定最佳乳化沥青用量为3.8%，配合比设计结果汇总见表 4。

1.4 试验段铺筑

试验段单幅铺筑宽度为11.25 m，两台摊铺机进行阶梯摊铺，摊铺机铺筑速度为2.5 m/min。初压采用两台15 t双钢轮振动压路机以2~3 km/h速度碾压3遍，复压采用两台30 t胶轮以3~4 km/h速度碾压8遍，终压采用两台13 t双钢轮压路机静压2遍收光，碾压完成后检测乳化沥青冷再生结构层压实度与平整度满足规范要求。铺筑完成后现场自然养生，考虑到项目区内蒸发量大，养生期间通过喷洒水雾间断保湿，避免因水分快速蒸发导致的表面微裂缝。待养生3~7 d且能够钻出完整芯样后铺设9~13.2 mm单粒径SBS改性乳化沥青碎石封层，接着铺筑6 cm厚AC-20C中粒式改性沥青混凝土中面层。中面层沥青混凝土铺筑2 d后钻取乳化沥青冷再生混合料试样备用。

1.5 试样制备

选取室内马歇尔击实试样与现场未加铺中面层热拌沥青混合料的冷再生混合料钻芯样为对照组。

(1) 大型马歇尔试件。马歇尔试样采用JTGT 5521—2019规范附录F规定的成型方法成型大型击实试件。先双面各击实112次，60 ℃养生2 d后再趁热双面各击实37次，冷却12 h后脱模备用。后续试验过程中根据具体试验尺寸要求，再切割或钻芯进行二次加工，该方法制备的芯样计为室内成型试样。

(2) 现场钻芯取样。待加铺中面层热拌沥青混凝土后，采用取芯机钻芯取样，获取直径150 mm、高120 mm乳化沥青冷再生混合料芯样，计为现场二次热压实试样。待养生结束，铺筑热拌沥青混凝土前现场钻取得乳化沥青冷再生混合料芯样计为现场压实试样。为避免因芯样加工过程中试样掉粒影响试样尺寸，待获取芯样后统一在25 ℃鼓风烘箱中放置3 d，以确保后续试验与大型马歇尔试件在基本相同的含水率和养生龄期条件下进行。

2 力学性能

采用20 ℃无侧限抗压强度试验、60 ℃贯入剪切试验和20 ℃动态压缩模量试验评价乳化沥青冷再生混合料的力学性能。力学性能试验的试件尺寸、加载方式、试验温度等严格参照相关规范要求进行，试验结果见表 5。

由表 5可知，乳化沥青冷再生混合料的20 ℃无侧限抗压强度接近低剂量水泥稳定级配碎石，且60 ℃贯入剪切强度大于1.5 MPa。同时20 ℃动态压缩模量约为热拌沥青混合料的50%，乳化沥青冷再生混合料具有优异的力学性能。

3种成型条件下，乳化沥青冷再生混合料的15 ℃劈裂强度、20 ℃无侧限抗压强度、60 ℃贯入剪切强度及动态压缩模量由大到小排序为现场二次热压实、现场压实、室内成型。现场二次压实成型乳化沥青冷再生混合料的20 ℃无侧限抗压强度、60 ℃贯入剪切强度马歇尔击实乳化沥青冷再生混合料动态压缩模量分别提高了24.2%，22.8%，29.8%。5 Hz和10 Hz动态压缩模量分别提高了21.4%和26.4%。现场二次热压实成型乳化沥青冷再生混合料的20 ℃无侧限抗压强度、60 ℃贯入剪切强度比现场压实乳化沥青冷再生混合料动态压缩模量分别提高了10.8%，9.9%，16.7%。5 Hz和10 Hz动态压缩模量分别提高了8.7%和9.3%。由此可见，采用马歇尔击实方法测试的乳化沥青冷再生混合料力学性能低于现场压实，室内马歇尔成型方式制备的试件低估了乳化沥青冷再生混合料的力学性能，二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能影响显著。

3 乳化沥青冷再生混合料耐久性能 3.1 抗反射裂缝性能

Overlay Tester试验的标准试件尺寸为150 cm(半弧形)×75 mm(长)×38 mm(高)。将乳化沥青冷再生试件用环氧树脂固定在底板上，可移动端以三角形波加载，连续加载5 s达到最大位移0.625 mm后卸载5 s，位移归零，三角形波之间无间歇时间。采用初始荷载峰值和1 200次加载结束后峰值荷载损失率这两个指标综合评价乳化沥青冷再生混合料的抗反射裂缝性能。试验结果见表 6。

由表 6可知，3种成型方式条件下乳化沥青冷再生混合料的加载周期均达到了1 200次，且最大荷载损失率不超过80%，总断裂能大于850 N/m，符合重载交通沥青混合料面层的抗反射裂缝性能要求^[17]。3种成型方式条件下乳化沥青冷再生混合料的最大拉力和总断裂能由大到小排序为现场二次热压实、现场压实、室内成型。现场二次压实与现场压实试件的最大荷载损失率小于马歇尔击实。相较于室内马歇尔击实，现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的总断裂能、最大拉力提高了22.8%和40.2%，最大荷载损失率降低了6.3%。相较于现场压实，现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的总断裂能、最大拉力提高了10.8%和9.8%，最大荷载损失率降低了2.9%。

综合考虑最大荷载损失率、最大拉力、总断裂能3个评价指标，现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的抗反射裂缝性能最优。这主要是因为现场压实乳化沥青冷再生混合料的抗反射裂缝性能优于马歇尔击实。这主要是由于现场压实的压实功大，且现场压实作用下集料在钢轮共振及胶轮揉搓作用下能够调整三维状态，以达到最稳定状态，乳化沥青冷再生混合料的密实度和稳定性更高。经现场二次热压实后乳化沥青冷再生混合料的抗反射裂缝性能进一步提高，这主要是因为铺筑上层热拌沥青混合料热量向下传递对乳化沥青冷再生混合料起到了类似加热作用，受沥青感温性影响，在二次补压作用下乳化沥青冷再生混合料更易于被压实。

3.2 疲劳性能

采用控制应变加载模式疲劳试验评价乳化沥青冷再生混合料的耐久性，疲劳试验在UTM-10材料试验机上进行，试验温度为20 ℃，四点弯曲疲劳试验的应变水平为150，200，250，300 με。开启试验设备的断裂保护功能，设置疲劳试验终止条件为试件劲度模量下降到初始劲度模量的50%，疲劳试验结果见表 7，疲劳试验拟合曲线见图 1。

由表 7和图 1可知，随着疲劳试验施加的应变增大，3种成型方式条件下乳化沥青冷再生混合料的弯曲劲度模量均呈线性减小。疲劳寿命与应变水平之间符合良好的双对数递减关系，拟合优化度R²大于0.95，疲劳试验结果及拟合方程与既有研究基本一致^{[13, 16]}。对比疲劳方程的拟合参数，现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的疲劳方程斜率绝对值最小，其次是现场压实，室内马歇尔成型的乳化沥青冷再生混合料疲劳方程斜率绝对值最大。这表明现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料疲劳寿命对应变水平的敏感性最低，抗疲劳性能相对较好。

参考已有研究成果^[16]，取室内疲劳寿命达到1亿次对应的应变水平为乳化沥青冷再生混合料的疲劳极限，计算得到室内马歇尔成型、现场压实、现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的疲劳极限应变依次为119.7，124.5，132.1 με。通过调整路面结构厚度，控制在此应变水平下，乳化沥青冷再生混合料符合长寿命沥青路面耐久性能要求。对比疲劳极限应变可以发现，经现场二次热压实后乳化沥青冷再生混合料抗疲劳性能有明显提高，相应的路面结构可适当减薄，按照室内成型马歇尔试件疲劳参数确定的路面结构厚度偏保守。

4 乳化沥青冷再生混合料空隙结构 4.1 空隙率

采用表干法测试乳化沥青冷再生混合料的空隙率，为确保试验结果的准确性，每组8个平行试件，取8个试件标准值。现场二次热压实试样的钻芯取样位置尽量与现场压实试样保持在同一纵断面。计算空隙率标准值与变异系数，结果见表 8。

由表 8可知，3种成型方式下乳化沥青冷再生混合料的空隙率变异系数均小于10%，试验数据离散性小。现场二次热压实空隙率比室内成型试样空隙率降低了3.2%，乳化沥青冷再生混合料的现场压实空隙率小于室内成型试件。这主要由于是现场双钢轮压振动碾压与胶轮揉搓碾压的压实功大于马歇尔击实。此外，受钢膜的侧向约束作用，马歇尔击实过程集料与乳化沥青砂浆主要产生竖向位移，在现场振动碾压和揉搓碾压作用下，乳化沥青冷再生中的集料不仅产生竖向位移，也会产生水平移动和竖向转动，碾压作用下集料能够调整到相对最稳定状态，密实度达到最大，空隙率进一步降低。现场二次热压实试样空隙率比现场压实试样空隙率降低了2.1%，这表明铺筑上层沥青混凝土后乳化沥青冷再生混合料的空隙率进一步降低，铺筑热拌沥青混凝土会对乳化沥青冷再生产生二次压密作用，且二次压密效果显著。这主要是由于压实热拌沥青混合料过程中压实功传递会对下承层乳化沥青冷再生混合料产生二次压密作用，同时上层热拌沥青混合料热量向下传递会对乳化沥青冷再生混合料起到加热作用，沥青的感温性使得乳化沥青冷再生更易于压实。目前乳化沥青再生混合料配合比设计阶段采用60 ℃，养生不少于40 h后立即二次击实，一定程度上模拟了现场的二次热压实作用。但从空隙率指标来看，现场压实效果优于室内成型，室内马歇尔击实与现场压实条件并不吻合，后续研究可通过调整压实功或增加二次击实次数以实现空隙率指标与现场相匹配。

4.2 微细观空隙结构

乳化沥青冷再生混合料的空隙率虽大，但乳化沥青冷再生混合料却表现出了致密、不透水的性质，现场实测渗水系数接近0，这与其独特的空隙结构特性有关。空隙率指标仅宏观反映了总空隙率大小，无法区分空隙大小分布特征及空隙在乳化沥青冷再生混合料中的分布规律。本研究基于德国某公司225 kV工业CT系统，获取3种成型方式的乳化沥青冷再生混合料CT切片，扫描间距为0.1 mm。利用VGStudio MAX软件的三维重构功能实现CT图像三维可视化，并测算空隙率。以表干法实测空隙率与三维可视化测算空隙率相等或接近为基本原则，得到每个独立空隙在乳化沥青冷再生混合料内部的三维坐标、空隙体积、表面积等物理参数，每组4个平行试件。借鉴已有研究成果^{[3, 6, 10]}，统计乳化沥青冷再生混合料的空隙级配、等效平均空隙直径及空隙率沿竖向分布规律。

4.2.1 空隙级配

根据计算输出的excel表单统计乳化沥青冷再生混合料空隙级配，最大空隙体积为100 mm³，最小空隙体积为0.1 mm³，中间空隙体积按照接近50%上级空隙体积递减，空隙级配统计结果见表 9。

由表 9可知，乳化沥青冷再生混合料中的总空隙密度约为0.117~0.136个/mm³，空隙组成中小于1 mm³空隙数量占总空隙94%以上，大于10 mm³空隙数量占比不足1%，小于0.1 mm³空隙数量占比大于70%。乳化沥青冷再生混合料内部空隙表现出了空隙数量多、微空隙占比高的特点。

不同成型方式条件下乳化沥青冷再生混合料空隙级配差异较大。这主要表现在, 室内成型乳化沥青冷再生混合料试件中大于100 mm³空隙数量为现场压实和现场二次热压实空隙数量的1.33倍和1.97倍；大于50 mm³空隙数量为现场压实和现场二次热压实空隙数量的1.52倍合1.99倍；大于20 mm³空隙数量为现场压实和现场二次热压实空隙数量的1.26倍和1.71倍；小于1 mm³空隙数量比现场压实和现场二次热压实空隙数量降低了0.72%和1.27%；其中小于0.1 mm³空隙数量比现场压实和现场二次热压实空隙数量降低了2.52%和4.25%。综上可见，现场压实乳化沥青冷再生混合料内部的大空隙数量明显低于室内马歇尔成型方法，二次热压实作用能进一步降低乳化沥青冷再生混合料内部的大空隙数量，同时增加微空隙数量，二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料空隙级配影响显著，现场压实效果优于室内马歇尔压实二次击实。

4.2.2 等效空隙直径

将乳化沥青冷再生混合料内部所有空隙等效为直径相等的球体，根据空隙个数和总空隙体积反算等效空隙直径，并统计沿试件高度方向等效空隙直径分布规律，结果如图 2所示。

由图 2可知，室内成型、现场压实、现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的等效空隙直径分别为0.666，0.656，0.497 mm，现场压实与现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的等效空隙直径比室内成型乳化沥青冷再生混合料等效空隙直径降低了15.6%和25.4%。现场压实等效空隙直径小于室内马歇尔击实，这主要是由于振动压实与马歇尔击实压实功及压实机理差异所致。经现场二次热压实后，乳化沥青冷再生混合料的等效空隙直径进一步减小，这主要是由于铺筑上层热拌沥青混合料对乳化沥青冷再生混合料的加热作用使冷再生中的老化沥青与新沥青软化，施工和易性提高，从而更易于压实，同时二次热压实也同样有“补压”作用。沿试件高度方向等效空隙直径呈先减小后增大趋势，等效空隙直径大致呈“C”形分布。这主要是由于等效空隙直径计算方法不同于总空隙率，试件两端更容易形成连通空隙，空隙数量减少，导致等效空隙直径增大。

5 微细观空隙结构与宏观性能的拟合关系

分别建立了3种成型方式下乳化沥青冷再生混合料等效空隙直径与其动态压缩模量、疲劳寿命、力学性能之间的拟合关系(见图 3)。

由图 3拟合结果可知，随着等效空隙直径增大，乳化沥青冷再生混合料力学性能与疲劳性能呈负线性关系减小，且拟合优化度均大于0.95，负线性拟合关系良好。由此可见，现场压实乳化沥青冷再生混合料力学性能优于室内成型，主要与不同压实方法下乳化沥青冷再生混合的均匀性、集料稳定性和密实度有关。经二次热压实后空隙率减小，同时微观空隙级配变化，等效空隙直径减小是二次热压实作用改善乳化沥青冷再生混合料力学性能与疲劳性能的主要原因。

6 结论

基于现场钻芯取样试验、室内力学性能试验和疲劳性能试验, 量化分析了现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能及耐久性能的增强效果，并基于工业CT无损检测技术分析了现场二次热压实对乳化沥青冷再生路面微细观空隙结构的影响规律，得到了如下结论。

(1) 根据试验段数据和实体工程跟踪检测结果，推荐现场12~18 cm厚乳化沥青冷再生下面层的摊铺速率为2.5 m/min。初压采用15 t双钢轮振动压路机以2~3 km/h速度碾压3遍，复压采用30 t胶轮以3~4 km/h速度碾压8遍，终压采用两台13 t双钢轮压路机静压2遍收光，可为同类项目提供借鉴。

(2) 3种成型条件下，现场二次压实成型乳化沥青冷再生混合料的20 ℃无侧限抗压强度、60 ℃贯入剪切强度马歇尔击实乳化沥青冷再生混合料动态压缩模量分别提高了24.2%，22.8%，29.8%，5 Hz和10 Hz动态压缩模量分别提高了21.4%和26.4%，现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料力学性能有明显的增强作用。

(3) 现场二次压实成型乳化沥青冷再生混合料的总断裂能、最大拉力比室内马歇尔二次压实分别提高了22.8%和40.2%，最大荷载损失率降低了6.3%。以疲劳寿命达到1亿次对应的应变水平作为乳化沥青冷再生混合料的疲劳极限，计算得到室内马歇尔成型、现场压实、现场二次热压实乳化沥青冷再生混合料的疲劳极限应变依次为119.7，124.5，132.1 με。现场二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料抗反射裂缝性能和抗疲劳耐久性能有明显增强作用。

(4) 现场二次热压实空隙率比室内成型试样空隙率降低了3.2%，比加覆上层热拌沥青混合料前空隙率降低了2.1%。经现场二次热压实作用，乳化沥青冷再生混合料内部的大空隙数量减少，等效空隙直径减小，二次热压实作用对乳化沥青冷再生混合料性能的增强机理在于二次热压实作用增强了乳化沥青冷再生混合料密实度，降低了微细观空隙直径，改善了微细观空隙级配。