就地熱再生瀝青混合料的動態力學特性

高學凱， 賀文棟， 周新星,2

(1.山西省交通科技研發有限公司， 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室， 太原 030032；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室， 武漢 430070)

隨著公路建設的不斷推進，中國瀝青路面已邁入“建養并重”時代[1]。就地熱再生技術作為瀝青路面新興的養護手段，可以100%利用舊料資源、降低工程造價、保護生態環境[2]，并且在響應中國“十四五循環經濟發展規劃”與“碳達峰碳中和”戰略目標中優勢突出，因而得到了道路專家學者的廣泛關注。

文獻[3-5]研究了碾壓溫度、再生劑摻量、級配組成等對就地熱再生瀝青混合料體積參數及路用性能的影響規律。文獻[6]對四種不同結構形式的就地熱再生罩面工程使用性能進行了對比評價。單崗等[7]研究了就地熱再生路面高溫加熱對不同深度老化瀝青的流變特性影響。文獻[8-9]研究了不同加熱方式對就地熱再生路面性能的影響。不難看出，目前瀝青路面就地熱再生技術的研究以施工應用為導向，主要聚焦于施工工藝優化、材料組成設計及性能提升。然而，由于就地熱再生瀝青路面結構設計理論尚不完善，即使就地熱再生瀝青混合料各項路用性能滿足規范要求，施工完成的再生路面仍然在早期出現車轍、裂縫等病害[10-11]。

在瀝青路面結構設計過程中，動態模量是尤為重要的力學參數之一。中國《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG T 5521—2019)尚未提出就地熱再生瀝青混合料動態模量的建議取值范圍，若直接取用《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)中對于普通熱拌瀝青混合料的動態模量進行路面結構驗算，顯然存在一定的安全隱患。

基于此，動態剪切流變試驗和彎曲流變試驗確定了再生劑最佳摻量，并對就地熱再生混合料(RAC-13)及SBS改性瀝青混合料(AC-13、SMA-13)在不同溫度及頻率下進行單軸壓縮動態模量試驗研究，以期提出就地熱再生瀝青混合料動態模量的發展規律，試驗結果可為就地熱再生路面結構設計提供借鑒與參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 舊路面材料

從某高速公路維修路段銑刨回收舊路面材料(reclaimed asphalt pavement,RAP)并對其相關指標進行檢測，結果如表1所示。可以看到，原路面材料的瀝青針入度、延度較低且已不滿足規范使用要求，表明該路面經長期行車荷載及環境作用下瀝青老化程度較高，因而需要添加再生劑恢復其路用性能。

表1 RAP技術指標

1.1.2 再生劑

所用再生劑為市購維特根再生劑，其技術指標如表2所示。

1.1.3 SBS改性瀝青

所用RAC-13新加瀝青、AC-13及SMA-13拌合瀝青均采用SBS改性瀝青，其技術指標如表3所示。

表2 再生劑技術指標

表3 SBS改性瀝青技術指標

1.1.4 玄武巖纖維

SMA-13瀝青混合料中需添加纖維以起到加筋、分散、穩定等作用[12]，本文中用為玄武巖纖維，其技術指標如表4所示。

表4 玄武巖纖維技術指標

1.2 試驗方法

1.2.1 再生瀝青流變性能試驗

以9%、12%、15%再生劑摻量制備再生瀝青(原瀝青記為AA，再生瀝青記為RA)，分別進行動態剪切流變(dynamic shear rheological，DSR)試驗與彎曲梁流變(bending beam rheoological, BBR)試驗以確定其高、低溫流變性能及再生劑最佳摻量。其中，動態剪切流變試驗條件為：試驗溫度46～82 ℃(間隔6 ℃)，應變控制水平12%。彎曲梁流變試驗條件為：試驗溫度-12～-24 ℃(間隔-6 ℃)，980 mN 加載240 s，卸載10 s。

1.2.2 再生混合料動態模量試驗

(1)配合比設計。瀝青路面在長期運營及就地熱耙松的過程中不可避免地造成集料級配細化，因而再生瀝青混合料需添加新集料對級配進行優化，所有用就地熱再生混合料合成級配為90% RAP+10%新料(記為RAC-13)。同時，以普通熱拌連續級配AC-13和間斷級配SMA-13作為參照，三種類型瀝青混合料設計級配如表5所示。

(2)動態模量試驗。采用馬歇爾試驗確定RAC-13、AC-13、SMA-13的最佳油石比分別為5.1%、5.0%、5.9%，在此基礎上使用UTM-130設備進行瀝青混合料動態模量試驗。試驗溫度為5、20、35、50 ℃，加載頻率為0.1、0.5、1、5、10、25 Hz。試驗按照溫度由試驗按照溫度由低到高、頻率由高到低進行，試驗具體步驟可參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規范》(JTG E20—2011)T 0738進行，試驗過程示意圖如圖1所示。

表5 瀝青混合料設計級配

圖1 動態模量試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic modulus test

2 結果與討論

2.1 再生瀝青流變性能

2.1.1 再生瀝青高溫性能

DSR試驗可以獲得瀝青動態剪切模量G*與相位角δ兩個黏彈性參數，SHRP(strategic highway research program)規范中采用車轍因子G*/sinδ評判瀝青高溫等級，并要求G*/sinδ不小于1.0 kPa[13]。本研究不同溫度及再生劑摻量下瀝青的車轍因子計算結果如圖2所示。從圖2中可以看出，瀝青車轍因子隨著溫度升高、再生劑摻量增加而降低，溫度與再生劑對瀝青動態剪切流變性能的影響相類似。按照SHRP規范評級標準，原老化瀝青高溫等級為PG76，當再生劑摻量為9%～15%時，瀝青高溫等級為PG70～PG64，再生劑摻入降低瀝青高溫等級6～12 ℃。

圖2 車轍因子-溫度變化曲線Fig.2 Rutting factor-temperature curve

2.1.2 再生瀝青低溫性能

BBR試驗可以得到不同時刻瀝青小梁彎曲勁度模量S與蠕變速率變化率m。SHRP規范針對瀝青低溫等級要求60 s時S≤300 MPa且m≥0.3[14]。不同溫度t及再生劑摻量下再生瀝青BBR試驗結果如圖3所示。從圖3可以看到，隨著再生劑摻量的增加，瀝青勁度模量降低而蠕變速率變化率升高。根據SHRP分級標準，原老化瀝青低溫等級為PG-16，當再生劑摻量為9%～15%時，再生瀝青低溫等級均為PG-28，再生劑摻入提高瀝青低溫等級 12 ℃。綜合考慮其高、低溫使用性能，選擇12%摻量作為最佳摻量進行下述試驗研究。

圖3 再生瀝青PG分級Fig.3 Recycled asphalt PG classification

2.2 再生混合料動態力學特性

不同試驗條件下瀝青混合料的動態模量與相位角試驗結果如圖4所示。其中，動態模量表征了瀝青混合料抗變形能力的大小，其值越大則抗變形能力越強[15]。從圖4可以看到，三種瀝青混合料的動態模量隨著頻率增加而增大，隨溫度的升高而減小，此種趨勢與瀝青混合料級配或膠結料類型無關，但在相同試驗條件下三種瀝青混合料動態模量大小均為：RAC-13>SMA-13>AC-13，這表明就地熱再生混合料抗變形能力要優于普通熱拌瀝青混合料。中國瀝青路面設計規范采用瀝青混合料在20 ℃、10 Hz下的動態模量作為設計值進行路面結構計算，在該試驗條件下，RAC-13的動態模量達到8 002 MPa，分別為AC-13、SMA-13的1.6、1.1倍。這主要與就地熱再生瀝青混合料中高RAP摻量相關，一方面RAP中的瀝青在老化過程與集料的黏附性進一步提高，另一方面RAP中的瀝青雖與再生劑、新瀝青調和軟化，但其黏結力依然優異。

另一方面，瀝青混合料作為一種黏彈性材料，相位角可以反映其內部的黏彈比例，相位角越大則表明其黏性成分越高[16]。從上述試驗結果可以看出，在相同頻率下，三種瀝青混合料的相位角隨溫度升高先增大后減小；當溫度高于20 ℃時，瀝青混合料的相位角隨頻率增加而增加，當溫度低于20 ℃則相反。同時可以觀察到，在相同溫度及頻率條件下，三種瀝青混合料的相位角大小并未呈現出一致性，這是因為瀝青混合料受自身材料與結構組成的影響，在相同試驗條件下其黏性與彈性的貢獻比例并不相同，譬如在高溫時SMA-13的抗變形能力主要依賴其骨架級配，而RAC-13和AC-13的抗變形能力則更多借助于瀝青膠結料的黏度。

圖4 動態模量試驗結果Fig.4 Dynamic modulus test results

2.3 再生混合料動態模量與相位角主曲線

瀝青路面的實際工作狀態處于更寬廣的溫度及荷載頻率下，將所有的溫度與頻率進行試驗研究其工作量無疑是巨大的，且室內難以滿足一些極端條件狀況。因此，可以利用時溫等效原理將不同溫度下瀝青混合料的動態模量或相位角進行平移，并結合數值模型擬合以得到任意頻率下瀝青混合料的力學響應。

將20 ℃設為標準溫度，利用時溫等效原理計算位移因子，將其他溫度條件下的動態模量和相位角進行平移后，采用CAM模型擬合得到三種瀝青混合料動態模量與相位角主曲線，該模型中動態模量和相位角的表達式[17]為

(1)

(2)

圖5和表6分別為瀝青混合料動態模量主曲線及其擬合參數。可以看到，三種瀝青混合料的動態模量隨頻率呈現出“S”形特征，即當頻率趨于無限大或無限小時，其動態模量趨于固定值，分別對應表6中的擬合參數Gg與Ge。在10-4～102Hz荷載頻率范圍內，三種瀝青混合料的動態模量大小為：RAC-13>SMA-13>AC-13。根據時溫等效原理，低頻(高頻)與高溫(低溫)對瀝青路面具有相同的力學響應[18]，這說明就地熱再生瀝青混合料在中高溫范圍內具有出色的抗變形能力。當f<10-4Hz 時，三者動態模量大小為：SMA-13>RAC-13>AC-13，這說明隨著溫度的進一步升高，RAC-13的抗變形能力要差于SMA-13，且逐漸接近于AC-13，這與文獻[10]的調研結果相吻合。表6的擬合參數fc為瀝青混合料彈性閾值，fc越高其抗裂性越好[17]，三種瀝青混合料fc大小為AC-13>SMA-13≈RAC-13，這說明AC-13的低溫抗裂性最好而RAC-13與SMA-13相當。

圖6和表7分別為瀝青混合料相位角主曲線及擬合參數。可以觀察到，三種瀝青混合料相位角隨頻率呈現出鐘形曲線關系。當頻率小于0.01 Hz時，三者相位角大小為：AC-13>SMA-13>RAC-13；當頻率高于0.01 Hz時，三者相位角大小為：AC-13>RAC-13>SMA-13。說明在全溫度范圍內AC-13瀝青混合料黏性比例最高，RAC-13在低溫時黏性比例高于SMA-13而在高溫時則相反，就地熱再生瀝青混合料內部黏彈性可以恢復到普通熱拌瀝青混合料相當的水平。

圖5 動態模量主曲線Fig.5 Dynamic modulus master curve

表6 動態模量主曲線擬合參數

圖6 相位角主曲線Fig.6 Phase angle master curve

表7 相位角主曲線擬合參數

3 結論

(1)就地熱再生瀝青混合料動態模量與相位角受到試驗溫度與加載頻率的綜合影響，其動態模量隨頻率增加(或溫度降低)而增大，呈現“S”形曲線關系；相位角隨頻率增加(或溫度降低)先升高后降低，呈現鐘型曲線關系。

(2)在標準設計條件(20 ℃、10 Hz)下，就地熱再生瀝青混合料RAC-13動態模量分別是AC-13、SMA-13的1.6、1.1倍，其具有優異的抗高溫抗變形能力且低溫抗裂性與SMA-13相當。

(3)通過時溫等效原理及CAM模型可以擬合得到就地熱再生瀝青混合料動態模量與相位角的主曲線方程，可為就地熱再生瀝青路面結構計算提供參考。