就地熱再生混合料性能影響關鍵因素的試驗研究

仰建崗，張 偉，姚玉權，郭澤文，陸春霖

(1.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013；2.華東交通大學 道路工程研究所，江西 南昌 330013；3.華東交通大學 交通運輸與物流學院，江西 南昌 330013；4.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

瀝青路面就地熱再生技術具有施工速度快、交通影響小、完全利用原路面瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavements，RAP)的特點，具有良好的經濟、環境效益，并在路面養護中被廣泛應用[1-4]。然而，其施工容易受施工環境、路況條件等因素的影響，使得碾壓后的瀝青路面存在壓實度不均勻以及水穩定性不足的風險。目前，關于材料組成及施工環境等因素對就地熱再生瀝青混合料性能影響的研究已經積累了較多的研究成果。M.Adnan等[5]研究發現RAP摻量與再生瀝青混合料水穩定性呈負相關，且溫拌再生瀝青混合料的水穩定性更低。Ameri等[6]認為，再生劑可以增加再生瀝青混合料的抗疲勞性能。Ali等[7]報道，再生劑可以增加再生瀝青混合料抗水損以及疲勞性能，但會降低高溫穩定性。Hassan等[8]研究發現，有機與油基再生劑均可以改善再生瀝青混合料性能，但是有機再生劑的影響更明顯。Zaumanis等[9]研究了9種類型的再生劑對老化瀝青的影響，發現不同類型的再生劑對老化瀝青性能影響程度具有差異，不同再生劑軟化效率差異最大可達到12倍，且再生劑可以改善瀝青混合料的低溫性能。仰建崗等[10]、范鵬云等[11]研究表明，再生劑可以改善再生瀝青混合料性能至新瀝青混合料水平。然而，現有研究主要集中在再生劑以及溫拌劑對再生瀝青混合料性能的影響機理方面，關于就地熱再生施工的氣候環境、原路面狀況和施工機械復雜多變等方面對再生瀝青混合料性能影響程度關注較少。此外，就地熱再生施工中如何根據外界條件的變化來動態調整材料組成來保障施工質量方面的研究也較少。

根據工程經驗，就地熱再生技術在施工過程中施工溫度動態變化，為研究施工溫度、材料組成對再生瀝青混合料性能的影響，選擇碾壓溫度、再生劑用量、溫拌劑用量為研究因素，分別研究了其對再生瀝青混合料空隙率及水穩定性的影響規律。首先，設計正交試驗并采用極差分析法分析了3種因素對再生瀝青混合料性能的影響程度；其次，構建二次回歸方程分析了3種因素對再生瀝青混合料性能的影響規律；最后，采用灰色關聯法分析了空隙率與水穩定性之間的相關性，提出就地熱再生施工中可作為參考標準的關鍵控制指標。在此基礎上，提出了就地熱再生施工過程質量控制方法。本研究技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

1 原材料與研究方法

1.1 原材料技術性能

設計再生瀝青混合料的原材料包括玄武巖集料、再生劑、溫拌劑、礦粉、SBS改性瀝青、RAP，并根據規范[12-13]要求分別測定原材料的技術指標。玄武巖礦料的技術指標見表1；再生劑的技術指標見表2；溫拌劑的技術指標見表3；礦粉的技術指標見表4；SBS改性瀝青技術指標見表5。

RAP取自泉南高速石吉段，采用就地熱再生加熱機組加熱、銑刨方法獲取RAP。此外，采用抽提法分離RAP中的瀝青與集料，測定瀝青含量為4.17%，礦料級配如圖2所示。采用阿布森法將瀝青溶液中的老化瀝青與溶劑分離，并測試老化瀝青性能指標，當再生劑摻加為舊瀝青質量3%(RAP質量的0.1%)時的再生瀝青針入度指標與老化前一致。RAP技術性能指標見表6。

表1 玄武巖礦料技術性能Tab.1 Technical performance of basalt ore

表2 再生劑技術性能Tab.2 Technical performance of rejuvenator

表3 溫拌劑技術性能Tab.3 Technical performance of warm mix agent

表4 礦粉技術性能Tab.4 Technical performance of mineral powder

表5 SBS改性瀝青技術性能Tab.5 Technical performance of SBS modified asphalt

表6 RAP技術性能Tab.6 Technical performance of RAP

1.2 研究方案

1.2.1 設計試驗方案

為研究碾壓溫度(A)、再生劑用量(B)以及溫拌劑用量(C)對再生瀝青混合料性能的影響規律，設計3因素3水平正交試驗，因素水平見表7。其中，碾壓溫度110，130，150 ℃分別表示原路面加熱溫度不足、適宜和較高的情況；再生劑和溫拌劑的最大用量范圍取自產品手冊。

表7 設計因素水平Tab.7 Level of design factors

1.2.2 配合比設計

根據面層常用材料類型，本研究設計級配類型為AC-13型再生瀝青混合料，級配曲線如圖2所示。其中，RAP摻量為90%，新集料摻量為10%，并通過馬歇爾試驗得到再生瀝青混合料最佳瀝青用量為4.9%。

圖2 設計級配Fig.2 Design gradation

1.2.3 試件成型與試驗方法

研究主要考慮再生瀝青混合料的壓實度與水穩定性，分別采用空隙率、凍融劈裂抗拉強度比指標表示。因此，將各組正交試驗方案按照規程要求進行馬歇爾試驗。再生瀝青混合料在制備過程中，RAP加熱溫度為130 ℃，新集料加熱溫度為190 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度為170 ℃，拌和溫度為150 ℃。為控制各組再生瀝青混合料壓實溫度，分別將各組拌和后的再生瀝青混合料置于110，130，150 ℃ 烘箱中保溫1 h，待達到設計壓實溫度后開始試件的制備工作，具體試件制備流程如圖3所示。每組方案依據規程要求進行測試[13]。

圖3 試件制備流程Fig.3 Sample preparation process

1.2.4 研究方法

(1)因素影響權重分析

采用極差分析法分析因素對空隙率指標以及凍融劈裂抗拉強度比指標的影響權重，確定因素影響程度。

(2)回歸分析

采用二次回歸方程分析研究因素與空隙率、凍融劈裂抗拉強度比指標之間的變化關系[10]。方程可表示為：

(1)

一般，二次回歸擬合模型主要包括線性模型、交叉模型、純二次模型以及完全二次模型，其中，完全二次模型需要的試驗組數量最高。根據計算可知建立完全二次模型需要至少10組試驗，而本研究設計試驗組為9組，僅考慮線性模型、交叉模型、純二次模型的回歸分析，并以擬合優度(R2)與剩余標準差(S)評價模型的可靠性。剩余標準差S的計算公式為：

(2)

式中，Q為殘差平方和；fQ為殘差自由度。

(3)灰色關聯分析

灰色關聯包括灰色絕對關聯、灰色相對關聯、灰色綜合關聯。灰色絕對關聯度表示兩個數據集之間的幾何相似程度，灰色相對關聯度表示兩個數據集相對各自起始點之間的變化速率的相似程度，灰色綜合關聯度可以綜合表示兩數據集之間的關聯程度。其中，灰色絕對關聯采用始點零化算子計算，灰色相對關聯采用初值化算子計算，計算方法如式(3)～(6)所示，并采用式(7)計算灰色絕對關聯度[14-17]。

(3)

(4)

(5)

(6)

ρ0i=θε0i+(1-θ)r0i，

(7)

2 試驗結果分析與討論

2.1 試驗結果

按照規范[13]分別計算空隙率(VV)、未凍融劈裂抗拉強度(RT1)、凍融劈裂抗拉強度(RT2)以及凍融劈裂抗拉強度比(TSR)，結果見表8。由表8可知，碾壓溫度(A)、再生劑用量(B)以及溫拌劑用量(C)對空隙率的影響均正相關，對水穩定性指標的影響規律不明顯。

2.2 極差分析

采用極差分析法計算不同因素與指標之間的極差，分析因素對指標的影響程度大小，計算結果見表9、表10。由表9、表10可知，碾壓溫度、再生劑以及溫拌劑對空隙率以及凍融劈裂抗拉強度比指標的影響程度具有差異性。此外，不同因素對空隙率的影響程度排序為：碾壓溫度>再生劑>溫拌劑，而對凍融劈裂抗拉強度比的影響程度排序為：再生劑>溫拌劑>碾壓溫度。

表8 試驗結果Tab.8 Test result

表9 空隙率極差分析Tab.9 Range analysis of air voids

表10 凍融劈裂抗拉強度比極差分析Tab.10 Range analysis of freeze-thaw splitting tensile strength ratio

2.3 回歸分析

建立二次回歸模型分析不同因素對指標影響的變化趨勢。此外，為減小碾壓溫度與再生劑用量、溫拌劑用量之間的數據差異，采用對數函數對碾壓溫度數據進行預處理，計算公式為：

x1=lnT,

(8)

式中，x1為處理后的碾壓溫度；T為實際碾壓溫度。

采用計算機建立3種因素與空隙率、凍融劈裂抗拉強度比指標之間的線性、純二次、交叉模型，并分別計算擬合優度R2與剩余標準差S，結果見表11。

表11 擬合優度與剩余標準差計算結果Tab.11 Calculation result of fit goodness and residual standard deviation

由表11可知，純二次模型擬合空隙率指標的擬合優度與剩余標準差最優，擬合模型見式(9)；交叉模型擬合的凍融劈裂抗拉強度比指標的擬合優度與剩余標準差最優，擬合模型見式(10)。并根據公式(9)、式(10)分別分析空隙率、凍融劈裂抗拉強度比在不同碾壓溫度情況下隨再生劑、溫拌劑的變化趨勢，結果如圖4、圖5所示。

y1=-171.406 3+77.010 5x1-0.226 7x2-

(9)

y2=1.928 9-0.209 6x1+1.513 8x2-

0.791 9x3-0.301 8x1x2+0.160 3

x1x3+0.002 6x2x3，

(10)

式中，y1為空隙率；y2為凍融劈裂抗拉強度比；x1為處理后的碾壓溫度；x2為再生劑用量；x3為溫拌劑用量。

圖4 不同碾壓溫度下的空隙率與再生劑以及溫拌劑用量變化規律Fig.4 Variations of air voids, rejuvenator and warm mix agent dosage at different rolling temperatures

圖5 不同碾壓溫度下的凍融劈裂抗拉強度比與再生劑以及溫拌劑用量變化規律Fig.5 Variations of freeze-thaw splitting tensile strength ratio, rejuvenator and warm mix agent dosage at different rolling temperatures

由圖4可見，再生瀝青混合料空隙率隨碾壓溫度的增加而減小。相同碾壓溫度情況下，再生瀝青混合料空隙率隨再生劑用量的增加而顯著減小，而空隙率隨溫拌劑用量的增加而減小的趨勢不顯著。由圖5可見，再生瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比隨碾壓溫度的增大以及再生劑用量的增加總體呈增大趨勢。然而，碾壓溫度在110,130 ℃時，再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比隨溫拌劑用量的增加呈降低趨勢，而150 ℃時則反之。此外，碾壓溫度越低時，再生劑以及溫拌劑對再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比的影響越顯著。

2.4 灰色關聯分析

一般，就地熱再生現場施工過程中不能及時測量再生瀝青混合料水穩定性，而空隙率指標可以即時檢測。采用灰色關聯分析法分析再生瀝青混合料空隙率與凍融劈裂抗拉強度比之間的相關性，計算得到灰色絕對關聯度為0.818 2，相對關聯度為0.669 8，綜合關聯度為0.744 0。可見，空隙率與凍融劈裂抗拉強度比之間相關性水平較高。因此，就地熱再生施工過程中可通過控制空隙率指標保障水穩定性，可將空隙率指標作為施工中的關鍵控制指標。

通過灰色關聯分析可知空隙率可作為就地熱再生現場施工關鍵控制指標。此外，通過對不同地區就地熱再生養護工程調研，發現就地熱再生施工期間的碾壓溫度基本分布在110～140 ℃，結合公式(9)得到不同碾壓溫度的再生瀝青混合料空隙率分布，如圖6所示。

圖6 不同碾壓溫度再生瀝青混合料空隙率的變化規律Fig.6 Variation of air voids of recycled asphalt mixture at different rolling temperatures

規范[18]要求再生瀝青混合料空隙率控制范圍為3%～6%。由圖6可知，碾壓溫度大于140 ℃時，空隙率基本滿足規范要求；當碾壓溫度小于140 ℃，再生瀝青混合料均有空隙率不合格的情況。此外，隨著碾壓溫度的增加，不合格空隙率所占面積在逐漸降低。因此，鑒于就地熱再生施工過程中現場施工溫度受環境因素的影響發生動態變化，為控制就地熱再生施工質量的均勻性，并保障施工進度，可根據施工過程中所需控制的目標空隙率/最低空隙率要求，動態調整再生劑/溫拌劑添加量，從而保障不同施工溫度條件下就地熱再生瀝青混合料的施工質量。

綜上所述，就地熱再生施工過程中，考慮到施工溫度的不均勻性，為保障就地熱再生施工質量以及施工均勻性，可通過動態控制再生劑/溫拌劑添加量的方式保障施工質量。

3 結論

(1)碾壓溫度、再生劑用量分別對再生瀝青混合料空隙率、凍融劈裂抗拉強度比指標影響程度最高。空隙率指標與凍融劈裂抗拉強度比指標之間的變化趨勢相反，但兩種指標之間的關聯度較高，可采用空隙率指標作為現場就地熱再生施工性能控制的關鍵指標。

(2)碾壓溫度低于140 ℃時，不同再生劑以及溫拌劑用量的就地熱再生瀝青混合料均存在空隙率不滿足規范3%～6%的控制要求。因此，需要動態調整再生劑或溫拌劑用量使再生瀝青混合料壓實質量滿足控制范圍要求。

(3)為動態控制就地熱再生施工質量，建議采用紅外熱成像設備采集就地熱再生施工全過程路表、再生瀝青混合料、攤鋪、碾壓溫度分布，分析不同斷面溫度分布的均勻性以及溫度差異，判斷溫度是否滿足壓實需求。同時，采用無核密度儀測定復壓完成后的就地熱再生路面空隙率/壓實度，分析檢測斷面壓實度分布均勻性并判斷是否滿足設計要求。否則，根據現場壓實溫度以及目標空隙率要求，結合回歸模型計算合理的再生劑與溫拌劑用量，動態調整就地熱再生機組施工時的再生劑以及溫拌劑添加量，以達到控制施工質量以及施工均勻性的目的。