不同工況對再生瀝青混合料壓實特性的影響

余森開， 仰建崗， 黃錦化， 張 偉

(1. 中鐵十六局集團路橋工程有限公司， 北京 101500； 2. 華東交通大學交通運輸與物流學院， 南昌 330013; 3. 江西省道路與鐵道工程重點實驗室， 南昌 330013)

廠拌熱再生技術可以充分利用原路面瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement, RAP)，設計的再生瀝青混合料可以用于各路面結構層，具有良好的節能、減排、經濟效益，使其在瀝青路面預防性養護中得到了廣泛的應用[1-2]。然而，廠拌熱再生瀝青混合料在設計施工過程中常會面臨級配、RAP摻量、瀝青含量、攤鋪碾壓溫度等因素的影響，出現設計施工后的再生瀝青混合料性能與設計性能之間的存在偏差，并影響再生瀝青混合料的壓實特性，進而引發再生瀝青混合料的施工質量問題[3-4]。

再生瀝青混合料是一種多相復合材料[5-6]，在壓實特性研究方面，汪水銀等[7]研究了集料級配、瀝青含量和壓實溫度對瀝青混合料壓實特性的影響。Hervé等[8]采用三軸試驗研究了瀝青混合料的壓實度對疲勞損傷和強度破壞準則的影響。Delrio等[9]研究了瀝青混合料在壓實過程中的體積特性、空隙率及所需的剪切力和壓實能，發現瀝青混合料的壓實特性與集料球度、瀝青標號和瀝青含量有關。Dessouky等[10]采用旋轉壓實試驗分析了瀝青混合料的和易性能和壓實性能，評價了瀝青混合料內部結構對壓實特性的影響。延西利等[11]采用3種品牌的溫拌瀝青與2種品牌的熱拌瀝青對比研究了不同擊實次數與擊實溫度條件下溫拌瀝青混合料的壓實特性與難易系數。張琛等[12]采用旋轉壓實儀研究了不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料和易性與壓實特性之間的相關性。綜上所述，級配、RAP摻量、瀝青含量以及壓實溫度影響瀝青混合料壓實特性，且與施工質量相關。然而，在壓實特性研究方面關于再生瀝青混合料的研究較少。

現依托福建省福銀高速三明段廠拌熱再生瀝青路面養護工程，采用正交試驗法研究再生瀝青混合料設計施工過程中級配、RAP摻量、碾壓溫度與空隙率、壓實能量指數、壓實速率、鎖點之間的關系，并基于極差分析、方差分析研究因素對壓實特性指標的影響顯著性。同時，采用回歸分析法建模分析因素與壓實特性指標之間變化規律，并采用實體工程論證因素對壓實特性指標的影響。研究成果有望為再生瀝青混合料配合比設計以及現場施工質量控制提供參考。

1 原材料檢測與方案設計

1.1 原材料檢測

再生瀝青混合料原材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene triblock copolymer, SBS)改性瀝青、石灰巖集料、礦粉、再生劑、RAP。SBS改性瀝青技術指標如表1所示。石灰巖集料規格分別為0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm，其與礦粉技術指標如表2所示。再生劑技術指標如表3所示。

表1 SBS改性瀝青技術指標Table 1 Physical indexes of SBS modified asphalt

表2 石灰巖集料技術指標Table 2 Physical indexes of limestone aggregate

表3 再生劑技術指標Table 3 Physical indexes of rejuvenator

RAP采用銑刨、破碎、篩分的方法將原路面AC20瀝青混合料分為0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm三種類型，并采用離心分離法分離RAP中的集料與瀝青，測算0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm RAP的瀝青含量分別為6.66%、3.14%、2.23%，級配如圖1所示。此外，并采用4.75 mm篩孔將RAP中的集料劃分為粗、細集料兩種類型。采用阿布森法將離心分離得到的瀝青溶液中的老化瀝青與溶劑分離，測定老化瀝青以及RAP集料的基本性能指標，結果如表4所示。

圖1 三種規格的RAP級配Fig.1 Gradation of the aggregates in the three RAP classications

表4 RAP技術指標Table 4 Physical indexes of RAP

1.2 試驗方案設計

根據工程經驗，設計AC20再生瀝青混合料級配，分布如圖2所示，并根據分形理論計算不同級配曲線的分形維數的數值，用n表示。之后，對級配、RAP摻量、壓實溫度因素分別設計三種水平，結果如表5所示。并根據表5設計正交試驗方案，結果如表6所示。根據設計試驗方案，分別采用旋轉壓實儀制備馬歇爾試件，每組試驗方案制備試件4個，各組再生瀝青混合料的瀝青含量均為4.50%。

圖2 設計級配曲線Fig.2 Design grading curve

表5 因素水平Table 5 Different levels of different factors

表6 正交試驗方案Table 6 Orthogonal test scheme

試件制作過程中，石灰巖、礦粉、SBS改性瀝青的加熱溫度分別為180、180、160 ℃，加熱時間為2 h；RAP的加熱溫度為130 ℃，加熱時間不超過2 h；再生劑常溫添加，并以老化瀝青針入度指標恢復到新瀝青針入度范圍時的用量作為設計用量，得到再生劑用量為老化瀝青含量的3%[13]。

1.3 研究指標

采用空隙率(void ratio, VV)、壓實能量指數(compaction energy index, CEI)、壓實速率(slope of accumulated compaction energy,K)、鎖點(lock point, LP)指標表示再生瀝青混合料壓實特性[11,12]。

(1)空隙率?？障堵?VV)的測算方法可按照規程中T0705中的步驟執行。

(2)壓實能量指數。旋轉壓實的過程中的瀝青混合料密實曲線圖3計算壓實能量指數(CEI)。CEI表示再生瀝青混合料壓實到92%壓實度所需功，采用壓實曲線92%以下所圍成的面積計算。壓實過程中CEI的值越小，再生瀝青混合料越容易壓實。

圖3 瀝青混合料壓實曲線Fig.3 Compaction curve of asphalt mixture

(3)壓實速率。壓實速率(K)表示再生混合料的可壓實性能，計算方法如式(1)所示。壓實速率K越大表示瀝青混合料壓實過程中壓實一次密度上升速率越快。

(1)

式(1)中：G1為初始8次壓實次數對應的壓實度，%；G2為設計壓實次數的壓實度，%；n為壓實度首次到達94%時壓實次數。

(4)鎖點。鎖點(LP)為再生瀝青混合料在壓實過程中第2次出現連續兩個相同高度時的壓實次數，表示混合料中骨架的形成程度。

1.4 研究方法

(1)極差分析與方差分析。采用極差與方差分析法分析因素對壓實特性的影響程度與影響規律，計算方法參考文獻[14]。

(2)回歸分析。采用回歸分析法建立因素與壓實特性指標的二次回歸模型探究因素對壓實特性的影響，模型如式(2)所示，并采用擬合優度R2評估模型的擬合程度[4]。

(2)

式(2)中：b0、bj、bij、bjj為各項回歸參數；Xj為模型中的一次項；XiXj為模型中的交叉項；Xj2為模型中的二次項；ε為模型誤差。

(3)工程實證分析。根據實體工程，驗證因素變化對壓實特性的影響，用于論證室內研究的可靠性。此外，采用無核密度儀PQI 380測試現場再生瀝青混合料的壓實度，試驗段施工后的壓實度測點分布如圖4所示。

圖4 壓實度檢測Fig.4 Compactness test

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

根據設計試驗方案測算壓實特性指標，結果如表7所示。

表7 試驗結果Table 7 Test results

2.2 極差與方差分析

根據表7試驗結果，計算不同因素對壓實特性指標極差，結果如表8所示。由表8可見，空隙率(VV)、壓實能量指數(CEI)、鎖點(LP)極差分析結果基本一致，因素的影響程度均表現為級配>壓實溫度 >RAP摻量。然而，因素對壓實速率(K)的影響程度略有不同，表現為級配>RAP摻量>壓實溫度。分析因素對壓實特性指標的影響程度，級配的影響程度最高。

表8 極差分析結果Table 8 Results of range analysis

根據極差分析結果可知，再生瀝青混合料壓實特性指標受級配影響程度最高，這可能是因為級配構成再生瀝青混合料骨架，越細的級配骨架之間的空隙也就越小，引起混合料的空隙率降低、壓實越容易、骨架結構越容易形成。壓實溫度對再生瀝青混合料影響次之，這可能是因為壓實溫度影響再生瀝青混合料中瀝青的粘聚力，根據摩爾-庫倫理論，再生瀝青混合料的破壞過程滿足庫倫公式關系[15]，庫倫公式中抗剪強度的大小與內聚力有關，瀝青混合料的內聚力與瀝青以及集料表面粘附性相關聯。然而，較高的碾壓溫度將會降低瀝青的粘聚力，導致抗剪強度的降低，使再生瀝青混合料更容易碾壓，引起空隙率(VV)、壓實能量指數(CEI)的降低。RAP摻量對再生瀝青混合料壓實特性影響最小，這可能是因為RAP摻量的改變影響再生瀝青混合料中老化瀝青含量以及礦料級配，然而，相較于再生瀝青混合料級配以及瀝青含量來看，RAP摻量、級配占再生瀝青混合料總體級配與瀝青含量總體比例較小，所以影響程度較低。

采用方差分析判斷影響因素與壓實特性指標的影響程度的顯著性，顯著性大小采用F表示，F值越大表明因素對指標影響越顯著，并結合文獻[4]中顯著性水平判斷方法，評估影響影響因素的顯著程度，結果如表9所示。

表9 方差分析結果Table 9 Analysis of variance results

由表9可見，方差計算過程中R2>0.95，說明方差計算結果可靠。從方差計算結果可知，級配是影響再生瀝青混合料空隙率(VV)、壓實能量指數(CEI)、壓實速率(K)、鎖點(LP)指標的關鍵因素，RAP摻量影響程度相對最低。此外，極差分析結果基本與方差分析結果基本一致，而方差分析結果進一步說明了再生瀝青混合料級配、RAP摻量、壓實溫度是影響再生瀝青混合料配合比設計的重要因素，級配是最顯著的影響因素。

2.3 再生瀝青混合料壓實特性變化規律分析

一般地，再生瀝青混合料在設計、施工過程中，主要考慮的壓實特性指標是空隙率、壓實能量指數。這主要是因為空隙率影響再生瀝青混合料壓實度，而壓實能量指數影響再生瀝青混合料的碾壓和易性。因此，僅討論空隙率指標以及壓實能量指數指標與級配、RAP摻量、壓實溫度因素之間的變化規律。

在實際工程中，再生瀝青混合料配合比設計在級配、RAP摻量因素對壓實特性指標影響考慮較少，且在施工過程中常會遇到施工溫度不穩定的問題，引發施工質量問題。因此，有必要考慮壓實特性指標進行再生瀝青混合料級配、RAP摻量、壓實溫度與壓實特性指標之間變化規律分析，探討變化規律，以期為再生瀝青混合料配合比設計以及現場施工提供參考。

采用二次回歸模型建立影響因素與壓實特性指標(空隙率、壓實能量指數)之間的回歸方程，結果如式(3)、式(4)所示，回歸方程的擬合優度R2分別為0.970、0.927，模型擬合程度較高。

VV=29.458 0+33.851 5X1+0.031 8X2-

(3)

CEI=8.341 8+18.924 5X1+16.349 7X2+

93.802 8X3+0.429 5X1X2-

36.841 8X1X3-0.136 5X2X3

(4)

式中：X1為級配分形維數，取值[2.479,2.529]；X2為RAP摻量，取值[10,50]，%；X3為壓實溫度，取值[120,160]， ℃。

根據式(3)、式(4)可以得到不同碾壓溫度下(120、140、160 ℃)再生瀝青混合料空隙率、壓實能量指數與級配、RAP摻量之間的變化趨勢如圖5、圖6所示。由圖5可見，相同壓實溫度下，再生瀝青混合料空隙率隨級配分形維數的增加而降低，即級配越細的再生瀝青混合料空隙率越小；隨RAP摻量的增加而降低，說明RAP的存在可以降低再生瀝青混合料的空隙率；再生瀝青混合料空隙率總體隨壓實溫度的增加而降低，說明較高的碾壓溫度將更容易達到設計空隙率。此外，從空隙率的衰減幅度看，分形維數增加時的再生瀝青混合料空隙率衰減幅度較RAP摻量增加時高，說明級配對再生瀝青混合料空隙率影響更顯著，這與方差分析結果一致，即級配極為顯著影響空隙率指標。由圖6可見，相同壓實溫度下，級配越細的再生瀝青混合料所需壓實能量指數CEI越低，越容易壓實；RAP摻量越高的再生瀝青混合料所需壓實能量指數越低，RAP摻量越高的再生瀝青混合料越容易壓實；再生瀝青混合料的壓實能量指數CEI總體隨壓實溫度的增加而降低，說明壓實溫度越高的再生瀝青混合料達到相同的壓實度所需的壓實功就越小。此外，從壓實能量指數CEI的衰減幅度看，分形維數增加時的再生瀝青混合料CEI衰減幅度較RAP摻量增加時高，說明級配對再生瀝青混合料CEI影響更顯著，這與方差分析結果也一致，即級配極為顯著影響CEI指標。

圖5 不同壓實溫度的VV隨RAP摻量、級配的變化趨勢Fig.5 The change trend of VV with RAP content and grading at different compaction temperatures

圖6 不同壓實溫度的CEI隨RAP摻量、級配的變化趨勢Fig.6 The change trend of CEI with RAP content and grading at different compaction temperature

2.4 工程實證分析

為進一步論證再生瀝青混合料級配顯著影響壓實特性指標，依托福建省福銀高速三明段預防性養護工程，現場比較不同級配情況下的再生瀝青混合料壓實度、壓實能量指數的變化。分別選擇兩段進行30%RAP摻量的AC20再生瀝青混合料現場施工壓實度、壓實能量指數CEI監測，兩段施工時的壓實溫度均為150～155 ℃，壓實厚度均為6 cm。兩段施工均采用鋼輪初壓2遍，膠輪復壓5遍，終壓3遍的壓實工藝。所得到的兩段施工后壓實度分布如圖7所示，具體試驗結果如表10所示。

圖7 兩個試驗段壓實度分布云圖Fig.7 Cloud chart of compactness distribution of two test sections

表10 試驗段施工結果Table 10 Construction results of test section

由表10可知，分形維數越大(級配越細)的試驗段2較試驗段1的壓實度高0.9%，說明試驗段2的空隙率越低。同時，試驗段2的壓實能量指數CEI較試驗段1降低45.3。由此可知，再生瀝青混合料的空隙率、壓實能量指數CEI受級配的影響，極差分析、方差分析、回歸分析的結果一致，級配是設計再生瀝青混合料材料組成中的重要因素，需要考慮級配、RAP摻量、壓實溫度因素對再生瀝青混合料的壓實特性的影響進行混合料的材料組成設計。

3 結論

(1)級配、RAP摻量、壓實溫度均對壓實特性指標空隙率、壓實能量指數、壓實速率、鎖點影響顯著。其中，級配影響程度最高，RAP摻量影響程度相對較低。

(2)級配、RAP摻量、壓實溫度與空隙率、壓實能量指數之間滿足二次回歸模型。

(3)空隙率、壓實能量指數與級配、RAP摻量、壓實溫度變化趨勢一致，均與溫度、級配分形維數、RAP摻量負相關。并依托實體工程，進一步論證了級配與路面壓實度呈負相關的關系。

(4)壓實特性受級配、RAP摻量、壓實溫度的影響，建議再生瀝青混合料配合比設計時考慮壓實特性指標的變化規律，以便控制施工質量。