基于RAP料級配變異性的再生瀝青混合料路用性能評價

錢 鈞，孫 浩，張國春，王 晨

(1.無錫市市政設施建設工程有限公司，無錫 214000；2.東南大學交通學院，南京 211189)

從2021年開始我國每年大約有12%的瀝青路面需要翻修，翻修的主要方式主要是通過銑刨重鋪的方式完成的，會產生大量的廢舊瀝青混合料。據測算，我國僅干線公路大中修工程，每年產生的瀝青路面舊料已達1.6億t[1]。如此豐富的廢舊瀝青混合料，如若不循環、再生利用，不僅造成能源和資源的極大浪費、消耗，還需要占用寶貴的國土資源放置，甚至會引起當地環境污染。

由于RAP料級配的變異性、舊瀝青的性能變異性和其他廠拌熱再生設備及生產工藝等原因，目前國內外廠拌熱再生瀝青混合料RAP的摻配比例多數為25%以下。

以AC-13C型再生瀝青混合料為研究對象，以細度模數的變化為評價RAP料級配變異性的指標，介紹了不同細度模數再生瀝青混合料的制備方法，介紹了以車轍試驗、IDT間接拉伸疲勞試驗、低溫SCB斷裂試驗為評價再生瀝青混合料多種性能的試驗方法。針對多種路用性能試驗所得指標進行分析，評估多來源RAP料級配變異性對再生瀝青混合料路用性能的影響，對于實際工程應用中降低多來源RAP料變異性、進一步優化高RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料材料設計有著重要意義。

1 材料與試驗

1.1 材料

1.1.1 瀝青材料選擇

考慮到江蘇等長江流域地區的市政公路較常使用70#基質瀝青進行混合料級配設計，為保證瀝青砂漿路用性能盡量貼近長江流域市政公路實際情況，該文使用70#基質瀝青作為原材料進行再生瀝青砂漿材料制備[2]。

1.1.2 礦料的選擇

該文在制備瀝青混合料時選用玄武巖細集料和粒徑小于0.075 mm的石灰巖顆粒礦粉作為填料，選用玄武巖作為粗集料。

1.1.3 舊料的選擇

該文所用回收舊料取自無錫市城市道橋科技有限公司拌合樓存儲的舊料，命名為RAP-1，其具體性質及變異系數如表1所示。

表1 RAP-1舊瀝青各項技術指標及變異系數

如果使用不經過處理的RAP-1制備再生瀝青混合料可能會造成再生瀝青混合料級配波動較大，最終導致路用性能試驗結果出現波動。為了防止這種現象出現，采用對RAP-1進行分檔的工藝手段，在關鍵篩孔4.75 mm處進行RAP-1分檔以減小變異性。

1.1.4 再生瀝青混合料級配確定

考慮到該文主要針對AC-13型熱再生瀝青混合料，對于舊料而言，該公式中缺少的0.075 mm及0.075 mm以下集料篩余是關注重點，所以需要對ASTMC136中的細度模數予以修正，修正公式如式(1)所示[3]。

(1)

經過篩分的RAP-1的級配變異性、舊瀝青含量變異性、舊瀝青性值變異性均處于較低水平。為體現級配波動，該文通過控制各檔位新集料的量，將之與RAP料充分拌和，最終得到細度模數明確、可控的RAP料。

新瀝青添加量與RAP-1的油石比相同，所以最終再生瀝青混合料的油石比也為5.57%。結合我國高速、市政道路路面上面層常用瀝青混合料級配設計方案與高RAP摻量的定義，因此文中選擇公稱最大粒徑為13.2 mm、RAP摻量為50%的AC-13型廠拌熱再生瀝青混合料作為研究對象。根據《瀝青路面施工技術規范》和《高性能瀝青路面(Superpave)基礎參考手冊》的要求，結合RAP料變異性的研究結果，根據集料及RAP料的顆粒篩分結果，最終確定了3條AC-13C型再生瀝青混合料目標級配曲線，依次命名為AC-13a、AC-13b、AC-13c型，其級配曲線設計結果如圖1所示。

1.1.5 再生瀝青混合料制備

采用70#基質瀝青調和再生并成型制備試驗所需廠拌熱再生瀝青混合料，所有瀝青混合料試件均采用室內旋轉壓實的方式進行成型，不同級配的再生瀝青混合料對應的具體體積參數平均值如表2所示。

表2 不同級配熱再生瀝青混合料體積參數表

1.2 試驗

1.2.1 車轍試驗

車轍試驗是評價瀝青混合料抗車轍能力的較簡單和有效的試驗方法。該試驗依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的要求，將瀝青混合料成型為300 mm×300 mm×50 mm的板式試件，在同一軌道上60 ℃溫度下，以輪壓為0.7 MPa的實心橡膠輪作一定時間的反復碾壓，形成轍槽。 最后以轍槽深度(總變形量)RD和動穩定度DS(每產生1 mm轍槽所需的碾壓次數)作為瀝青混合料的抗車轍能力的評價指標[4]。

瀝青混合料試件的動穩定度按式(2)計算

(2)

式中,DS為瀝青混合料的動穩定度，次/mm；d1為對應時間t1的變形量，mm；d2為對應時間t2的變形量，mm；C1為試驗機類型修正系數；C2為試件系數；N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42次/min。

1.2.2 低溫SCB試驗

半圓彎曲試驗(Semi-Circular Bending Test，簡稱SCB)原常用于巖石力學性能研究，現被引入道路工程的瀝青混合料抗裂性能評價之中[5]。SCB試驗試件通常為直徑100 mm、高度為30～60 mm的半圓形試件，該試驗通過圓棒對試件頂部施加荷載的方式來進行。

參照AASHTO TP105規程進行低溫SCB試驗。為研究級配變異性對于再生瀝青混合料低溫性能的影響，采用低溫下的單次加載SCB試驗。該次試驗采用前文所提尺寸與級配的半圓試件進行-12 ℃的單次加載SCB試驗，采用控制位移加載的方式，加載速率為50 mm/min，評價指標為SCB試驗得到的豎向荷載-位移曲線計算得到的斷裂能，計算公式如式(3)所示

(3)

式中，Gf為試件斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J，及SCB試驗中豎向荷載-位移曲線下方的面積；Alig為SCB斷裂面的面積，mm2，Alig=b×(d-ND)，b為試件厚度，mm；d為SCB試件半徑，mm；ND為切縫長度，mm。

2 試驗結果與分析

2.1 車轍試驗結果及分析

將AC-13a、AC-13b、AC-13c三種車轍板放置在同一軌道60 ℃下，以輪壓為0.7 MPa的實心橡膠輪做1 h的反復碾壓，形成轍槽。最后測量得到車轍板的動穩定度和總變形量如表3所示。

表3 熱再生瀝青混合料車轍試驗結果

從表3中不難得出，隨著熱再生瀝青混合料的細度模數減小，整體級配變細，其動穩定度開始下降，而變形量逐步上升。這是因為隨著細集料的含量增大，混合料內部粗集料含量減少，盡管變得密實，但是由粗集料構成的骨架結構縮減，承載強度降低，所以在高溫情況下動穩定度下降，變形量增加。需要注意的是，細度模數在減小到一定程度的時候，動穩定度的下降幅度和變形量的增長幅度增大，這是因為細集料的含量過高，在相同壓實次數的情況下壓實程度不足，這也導致在接受車轍試驗時受到壓實程度不足與骨架結構縮減的雙重作用，以動穩定度和變形量為指標的高溫穩定性能出現進一步下降。

2.2 低溫SCB試驗結果分析

表4為3種熱再生瀝青混合料的-12 ℃單次荷載加載SCB試驗的峰值力荷載、破壞位移及斷裂能指標結果。

表4 熱再生瀝青混合料-12 ℃單次荷載加載SCB試驗評價指標結果

為了更好研究級配對于低溫性能的影響，額外增添了兩種不同類型的混合料：一種是以規范中明確規定的AC-13C型瀝青混合料中值級配為級配，以最佳油石比5.0投入新瀝青進行拌和所得的AC-13C型瀝青混合料(為方便表述成為全新料)，另一種則是投入50%摻量的RAP料、按照最佳油石比5.0投入高膠瀝青進行調和再生、級配選用AC-13中值級配為級配的AC-13C型熱再生瀝青混合料(后續為方便表述稱為高膠再生料)，其對應指標如表4所示。

從表4可以看出：以全新料的結果為界，可以將幾種熱再生瀝青混合料分為兩組：① 細度模數較小的、混合料整體級配偏細的熱再生瀝青混合料低溫抗裂性較差；② 細度模數較大、使用高性能瀝青進行調和再生的熱再生瀝青混合料低溫抗裂性較強。

通過AC-13a、AC-13b、AC-13c三種熱再生瀝青混合料與全新料相比，發現再生料相較于全新料的破壞位移出現明顯降低，峰值力荷載也出現了小幅地降低，這也說明RAP料的加入使得再生混合料在低溫下脆性破壞更快，且低溫抗裂性更差；斷裂能則出現了一些變化，細度模數較小的AC-13a、AC-13b檔再生料斷裂能較全新料顯著降低，而隨著細度模數的增大，其斷裂能也在增長甚至會超過全新料。可以推測隨著集料變粗，骨架強度提升，抵抗SCB單次荷載的粘結力與石料承載力均得到了增強，再生混合料的斷裂能增加。當然考慮到AC-13a、AC-13b、AC-13c三擋油石比均大于全新料油石比，也可以認為斷裂性能是高瀝青含量和粗集料的共同結果。但在級配較細時，僅憑借高油石比依舊無法取得較好的抵抗低溫開裂的效果。上述的試驗現象也說明在低溫下SCB試驗對于新瀝青的用量較為敏感，且在再生混合料中添加相較于最佳瀝青用量更多的新瀝青也有利于提升再生混合料低溫抗裂性能。

通過高膠再生料與其他四種再生料相比，發現添加相較于基質瀝青品質更高的高膠瀝青對于其峰值力荷載、斷裂位移、斷裂能三個指標都有著較大幅度的提升，根據上述現象可以得出：對于高RAP摻量(≥50%)而言，在選擇較為合理的級配情況下，高膠瀝青能夠大幅提升熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

通過觀察表4的混合料抗裂指標變異性結果，考慮到混合料斷裂能是由兩者共同作用的結果，兩者之間任何一個出現較大擾動都會對斷裂能的變異性產生較大影響。在脆性破壞模式下峰值力荷載的變異性在5%～15%之間，而脆性破壞位移值在5%～10%之間，這也說明混合料斷裂能的變異性是由峰值力荷載起主導作用。

3 級配變異性對再生瀝青混合料的路用性能的影響

采用斷裂能作為評價再生瀝青混合料低溫抗裂性能的評價指標[6]。以變異系數為評價RAP料變異性的指標，計算級配擾動引起的再生瀝青混合料路用性能變異結果如表5所示。從表5中可以看出，隨著RAP料的級配出現波動，路用性能也隨之波動。其中評價再生瀝青混合料高溫性能的動穩定度隨著細度模數波動其變異系數達到了22.49%，變異性最大。SCB斷裂能變異系數達到了20%左右。這說明級配的變化對再生瀝青混合料高溫穩定性、疲勞性能和低溫抗裂性能都有著較大影響。

表5 細度模數與再生瀝青混合料路用性能變異系數表

4 結 論

針對RAP料中集料級配的變異性對再生瀝青混合料路用性能的影響進行研究。以AC-13C型高摻量熱再生瀝青混合料為研究對象，首先提出用細度模數作為衡量RAP料細化程度指標；其次，以車轍試驗動穩定度、低溫SCB斷裂試驗斷裂能作為衡量再生瀝青混合料高溫性能、低溫抗裂性能的指標；最后，以變異系數為指標，得出級配變異性對再生瀝青砂漿路用性能的進行評價。

a.以車轍試驗獲得的動穩定度為衡量再生瀝青混合料高溫穩定性的指標。試驗結果表明隨著舊料的細度模數減小，再生瀝青混合料骨架強度變弱，動穩定度變小，車轍變形增大，高溫抗變形能力降低。

b.在-12 ℃的低溫條件下，隨著RAP料細度模數增大，對應的再生瀝青混合料斷裂能也增大，但相較于高品質瀝青調和再生瀝青混合料及AC-13新瀝青混合料，其斷裂位移較短，整體呈現更脆的狀態。在細度模數較大的情況下，高油石比的再生瀝青混合料斷裂能甚至高于新料，這也證明瀝青對于低溫抗溫縮開裂性能的影響要大于級配對低溫抗溫縮開裂性能的影響。