新舊料與溫拌橡膠改性瀝青的摻配比例對熱再生混合料性能的影響

張夢齊

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

0 引 言

廢舊瀝青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)是原瀝青路面經(jīng)專用機(jī)械銑刨、破碎產(chǎn)生的廢棄材料。熱再生作為一種環(huán)保可持續(xù)的技術(shù)不僅可將這種廢棄材料充分利用，而且也會(huì)帶來巨大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。然而，由于高摻量的RAP熱再生混合料在長期交通荷載和自然環(huán)境作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞開裂和水損害等耐久性問題，再加上國內(nèi)再生專用施工設(shè)備的不足等問題，瀝青路面的再生技術(shù)受到一定的限制。

膠粉改性瀝青具有優(yōu)異的低溫抗裂性能和抗疲勞性能。高摻量的膠粉在瀝青中充分溶脹，顆粒表面可形成瀝青質(zhì)含量較高的凝膠膜，膠粉體積大幅增長以及瀝青的粘度和彈性灰度明顯提升致使混合料疲勞恢復(fù)效率提高，其疲勞性能較大提升。董瑞琨、梁文兵等使用廢食用油預(yù)脫硫膠粉(WRO)加工生產(chǎn)預(yù)脫硫橡膠改性瀝青，隨著WRO摻量增加，改性瀝青高溫黏性降低，彈性增加。瀝青質(zhì)和WRO中的橡膠烴是影響WROMA高溫彈性的主導(dǎo)因素，兩者含量越高，改性瀝青彈性越明顯。洪峰，程培峰研究HDPE-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料疲勞性能發(fā)現(xiàn)HDPE-橡膠粉復(fù)合改性瀝青的性質(zhì)對瀝青混合料疲勞特性具有顯著的影響，性能良好的瀝青使得混合料具有良好的抗疲勞能力，能有效延緩瀝青路面反射裂縫的發(fā)生。Bennert，Thomas；Maher，Ali等對試驗(yàn)路進(jìn)行跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)，常規(guī)瀝青混合料和摻量30%RAP在1～3年內(nèi)開始開裂，但摻量30%RAP在裂紋開始后裂紋擴(kuò)展速率較快。摻加30%RAP的熱再生混合料較常規(guī)瀝青相比，新舊瀝青層間界面融合的程度不同，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率較快。陳龍等通過構(gòu)建瀝青試樣模型發(fā)現(xiàn)新-舊瀝青界面相互作用狀態(tài)將直接影響再生混合料及其路面的使用性能和服役壽命。熱再生瀝青混合料鋪筑完成至通車運(yùn)行，在交通荷載、環(huán)境因素的雙重作用下，新舊瀝青混溶擴(kuò)散使瀝青混凝土性能發(fā)生一定程度的增強(qiáng)。另外，就地?zé)嵩偕鷻C(jī)組常采用160～240 ℃加熱粑松原瀝青路面，在110～140 ℃之間攤鋪碾壓。高溫加熱RAP導(dǎo)致RAP進(jìn)一步老化，然而降低熱再生混合料的溫度，原路面的RAP的粑松受到極大限制，將會(huì)導(dǎo)致原路面厚度加熱深度不足，病害處理不到位。

鑒于此，本研究采用美國Troxler公司的SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型馬歇爾試件、北京今谷神劍氣動(dòng)式壓實(shí)機(jī)QCX-4成型車轍板，將溫拌橡膠改性瀝青作為熱再生瀝青混合的膠結(jié)料改善就地?zé)嵩偕旌狭系钠谛阅堋Ｍㄟ^馬歇爾體積參數(shù)試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)，研究新舊料與溫拌橡膠改性瀝青拌合的摻配比例對熱再生混合料性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

RAP料來源于甘孜藏族自治州甘孜縣G227大修養(yǎng)護(hù)工程中的面層銑刨，RAP的油石比為3.6%；新舊料摻配比例為20∶80，熱再生混合料的級配類型選用ARAC-13。熱再生改性瀝青選用溫拌橡膠改性瀝青，外摻3.17%。溫拌橡膠改性瀝青加工采用90#基質(zhì)瀝青，40目膠粉摻量17%，剪切轉(zhuǎn)速5 000 r/min，剪切時(shí)間60 min，剪切溫度控制在190～200 ℃，發(fā)育時(shí)間60 min，發(fā)育溫度控制在170～180 ℃，硫磺2%、溫拌劑外摻0.6%。

表1 橡膠改性瀝青技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果

通過全自動(dòng)瀝青抽提儀器對RAP料舊瀝青進(jìn)行抽提回收，采用Buchi-R-215型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對混合液進(jìn)行處理，將三氯乙烯蒸餾后得到的瀝青進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果如下。

表2 RAP料舊瀝青性能指標(biāo)

石料及RAP料選用的技術(shù)指標(biāo)選用滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》、JTGF80/1-2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》。

表3 新舊集料性能

表4 熱再生混合料的級配設(shè)計(jì)表

1.2 試驗(yàn)方案

熱再生瀝青混合料在鋪筑完成后期，混合料的高溫性能有明顯的改善。新舊瀝青之間的滲透擴(kuò)散對混合料的性能有明顯的影響。在探究溫拌橡膠改性瀝青同新舊料的摻配比例對熱再生混合料高溫性能和水穩(wěn)性能的影響前期，作者將回收的RAP料，非改性熱再生混合料，橡膠改性瀝青熱再生混合料采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型馬歇爾試件，評價(jià)新舊瀝青的混溶擴(kuò)散對熱再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度的影響。

本文采用馬歇爾體積參數(shù)測試試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)溫拌熱再生橡膠改性瀝青混合料的性能的影響。采用美國Troxler公司的SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型Φ100 mm×63.5 mm的圓柱形試件。采用北京今谷神劍氣動(dòng)式壓實(shí)機(jī)QCX-4成型300 mm×3 000 mm×50 mm的車轍板。將溫拌橡膠改性瀝青的摻配比例按照0∶10、3∶7、4∶6、5∶5四種比例與新舊料分開拌和1 min，將拌和好的新瀝青混合料和RAP料瀝青混合料混合拌和2 min，瀝青混合料的成型參照現(xiàn)行JTG E20-2011《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，熱再生混合料的設(shè)計(jì)空隙率在5%～8%之間。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 瀝青混溶及滲透擴(kuò)散

從表5看出，三種熱再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度均大于100%，經(jīng)48 h浸水養(yǎng)生后，熱再生混合料的強(qiáng)度均有明顯的增強(qiáng)。橡膠改性瀝青熱再生混合料的浸水殘留穩(wěn)定度增幅最高。其中，橡膠改性瀝青熱再生混合料的增幅相對于基質(zhì)瀝青熱再生混合料的殘留穩(wěn)定度大2.2%。由此可以推測，熱再生瀝青混合料中新舊瀝青之間存在滲透擴(kuò)散導(dǎo)致其48 h浸水養(yǎng)生后穩(wěn)定度增加。熱再生瀝青混合料主要有新瀝青、新石料和RAP料三部分，而瀝青在混合料中有兩種存在方式，一種為自由瀝青，一種為結(jié)構(gòu)瀝青。其中，起粘附作用的主要為結(jié)構(gòu)瀝青。瀝青的用量對瀝青混合料的性能而言至關(guān)重要。較軟瀝青中的輕組分可使RAP中老化硬化的瀝青得到一定程度的改善。當(dāng)RAP料同新瀝青拌和攤鋪后，包裹在RAP料外的老化硬化瀝青與新瀝青有一定程度的滲透擴(kuò)散使熱再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度提高。

表5 不同熱再生混合料類型的浸水殘留穩(wěn)定度

2.2 馬歇爾穩(wěn)定度

從圖1中可看出，熱再生瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度隨著摻配比例的提高而增加。5∶5摻配比例的溫拌橡膠改性瀝青的熱再生瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最大，較0∶10摻配比例的熱再生混合料的性能高4.44%。這說明，隨著新料裹覆溫拌橡膠改性瀝青含量增加時(shí)，新舊料間的粘結(jié)作用提升明顯。特別是當(dāng)溫拌橡膠改性瀝青與新舊料的摻配比例按照5∶5拌和混溶時(shí)，熱再生瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度值最大。

圖1 不同摻配比例的熱再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度

2.3 浸水殘留穩(wěn)定度

從表6可以看出，熱再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度隨摻配比例的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。其中，5∶5摻配比例熱再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度最大，相比0∶10的摻配比例增9.3%。在60 ℃條件下經(jīng)過24 h后的養(yǎng)生，未裹覆瀝青的新料與全部裹覆瀝青的舊料混合后的穩(wěn)定度下降。隨著新料裹覆瀝青含量的增加，熱再生混合料的穩(wěn)定度均有明顯的增強(qiáng)。

表6 不同摻配比例的熱再生混合料的浸水殘留穩(wěn)定度

2.4 劈裂強(qiáng)度

從圖2可以看出，熱再生瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨著摻配比例的增加，熱再生瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度先上升后降低。其中，4∶6摻配比例的熱再生瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度最大，0∶10摻配比例的熱再生混合料的劈裂強(qiáng)度最小。這說明，隨著新料同溫拌橡膠改性瀝青拌和的比例提升，即裹覆在新料表面的溫拌橡膠改性瀝青越來越多，充分裹覆在新混合料表面的瀝青同RAP料拌和后能夠更好的粘結(jié)在一起致使粘結(jié)力提升，粘結(jié)力的增強(qiáng)使得熱再生瀝青混合料的抗剪切能力提高。

圖2 不同摻配比例的熱再生混合料劈裂強(qiáng)度

2.5 勁度模量和凍融劈裂強(qiáng)度

從圖3可以看出，未經(jīng)凍融的瀝青混合料勁度模量的隨著摻配比例的增加，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。其中，5∶5摻配比例的瀝青混合料的勁度模量最大。然而，經(jīng)過凍融后按照4∶6摻配比例的瀝青混合料的勁度模量最大。四種摻配比例的熱再生瀝青混合料的勁度模量經(jīng)凍融后的增幅分別為16.67%、24.51%、21.02%、10.64%。3∶7的摻配比例的熱再生瀝青混合料的增幅最大，而5∶5的摻配比例的熱再生瀝青混合料的增幅最小。

圖3 不同摻配比例的熱再生混合料勁度模量

從圖4看出，隨著摻配比例的增加，熱再生瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。4∶6摻配比例的熱再生瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比最大。這說明，不同的摻配比例對瀝青混合料的抗水損害性能影響不一樣。新料的溫拌橡膠改性瀝青一部分提供結(jié)構(gòu)瀝青，一部分作為自由瀝青可以通過滲透擴(kuò)散的方式同RAP料粘結(jié)在一起。該比例下的拌和方式對溫拌橡膠改性瀝青混合料的抗水損害性能起著促進(jìn)作用。

圖4 不同摻配比例的熱再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度比

綜上，選用4∶6的摻配比例的溫拌橡膠改性瀝青同新舊料拌和形成的熱再生混合料的整體性能較好。根據(jù)以上試驗(yàn)，對4∶6摻配比例的熱再生混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 4∶6摻配比例的熱再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度

從表7中可以看出45 ℃、60 ℃熱再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于1 000次/mm，滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合該項(xiàng)目處于甘孜州藏族自治州，高海拔紫外現(xiàn)強(qiáng)的特點(diǎn)，為增強(qiáng)熱再生混合料同新料之間的粘結(jié)以及瀝青混溶擴(kuò)散，建議就地?zé)嵩偕捎?∶6的摻配比例將溫拌橡膠改性瀝青同新舊料拌和。

3 結(jié) 論

(1)4∶6的摻配比例將溫拌橡膠改性瀝青同新料和RAP料分開拌和后再混合攪拌形成的熱再生混合料的性能較其他方式拌和的混合料較好。

(2)新料表面裹覆的瀝青有助于提高混合料內(nèi)部的粘聚力。同時(shí)，熱再生混合料經(jīng)過養(yǎng)生后，新舊料間混溶對穩(wěn)定度及劈裂強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)作用。

(3)建議采用4∶6摻配比例用于熱再生混合料的生產(chǎn)。同時(shí)，就地?zé)嵩偕Y(jié)合實(shí)際工廠和運(yùn)輸?shù)那闆r，避免因?yàn)樾率系挠褪冗^高導(dǎo)致溫拌橡膠瀝青流淌，應(yīng)對摻配比例做出限制。