不同RAP來源對高摻量RAP瀝青混合料低溫抗裂性能的影響

2022-06-23 02:34:22汪忠壽

黑龍江交通科技 2022年5期

汪忠壽

(福建路橋建設有限公司，福建福州 350000)

目前，在國內瀝青路面被認為是最可回收的材料之一，再生瀝青路面(RAP)包含瀝青結合料和骨料，在新的瀝青混合料中使用它可以帶來顯著的經濟效益和環(huán)境效益。RAP的使用保護了不可再生的自然資源(瀝青和骨料)并減少獲得它們所需的能源和排放；此外，RAP材料的使用也減少了垃圾填埋場中建筑垃圾的數量[1]。盡管在新瀝青混合料中使用更高RAP含量具有更高的經濟和環(huán)境效益，但多個國家研究表明：僅允許在道路中使用少量RAP。一項調查顯示，2017年美國各地新瀝青混合料中的RAP含量穩(wěn)步上升，但摻加量仍降低于20%。有研究者對高RAP含量的瀝青混合料進行室內試驗評估和現場研究表明，RAP含量高達50%的瀝青混合料可以具有與原始材料制成的瀝青混合料相似的性能[2]。此外，在新瀝青混合料中使用更大摻量的RAP材料，再生瀝青混合料在其使用壽命期間可能更容易產生疲勞和低溫裂縫，這是因為RAP中包含的瀝青混合料因老化而氧化砸化[3，4]。然而，RAP結合料的老化因來源而異，因此沒有兩種RAP來源會對RAP材料的抗裂性產生相同的不利影響，研究者對RAP來源和RAP結合料特性對不同RAP含量混合料斷裂特性的影響仍缺乏深入研究。

1 材料和試驗

1.1 RAP材料中的瀝青結合料

RAP材料來自國省干線的五個不同的表面大修項目，從不同項目獲得的RAP材料中提取并回收結合料，確定提取和回收的RAP結合料的性能等級(PG)。根據獲得的PG等級，本文選擇了兩種具有不同流變特性的結合料的RAP材料。RAP-1材料的高溫和低溫等級分別為93.1 ℃、-14.3 ℃。RAP-2材料的高溫和低溫等級分別為79.9 ℃、-21.1 ℃。所選RAP材料在其服役期間經受不同的老化和環(huán)境條件，這導致提取和回收結合料的PG等級存在顯著差異。

1.2 新瀝青結合料

選擇的新瀝青結合料適用于中等交通量道路的面層混合料，通常使用的是瀝青PG 64-22和PG 64-28結合料。其中PG 64-22的高溫和低溫等級分別為66.7 ℃、-22.1 ℃，PG 64-28高溫和低溫等級分別為64.9 ℃、-30.6 ℃。按照已有計算方法得出本文使用的30%、40%和50%RAP混合料中新瀝青結合料的臨界高溫和低溫。計算出的臨界低溫比本文中使用的PG 64-22更低。因此，對于RAP含量為30%、40%和50%的混合料，使用低溫等級較低的結合料(如PG 64-28)，結合料的低溫等級由m值控制。

1.3 混合料

為評估RAP材料對性能的影響，設計了幾種瀝青混合料，其中包括RAP含量為30%、40%和50%的混合料。所考慮的瀝青混合料的公稱最大骨料粒徑為12.5 mm，其設計符合規(guī)范要求。采用來源不同的兩種RAP材料設計時，需調整混合料中新骨料的百分比，以保持所有設計混合料的類似骨料級配，表1總結了設計混合料的性質。

表1 混合料性能

1.4 試驗方法

(1)半圓彎曲試驗

采用半圓形彎曲(SCB)試驗評估RAP混合料的疲勞開裂性能。首先制作旋轉壓實試件，然后將樣品分成兩半，切口的深度為15 mm，寬度為1.5 mm。試驗時以50 mm/min的恒定加載速率向樣品施加荷載，直到發(fā)生試件破壞，試驗期間記錄了垂直變形和荷載。

根據SCB試驗結果，使用公式(1)和(2)分別計算斷裂能(FE)和柔度指數(FI)。FI用來評估瀝青混合料對過早開裂的敏感性，斷裂能表示裂縫在瀝青混合料中萌生和擴展所需的能量。使用公式(3)計算歸一化斷裂能(NFE)。

(1)

(2)

(3)

式中：FE為斷裂能；Wf為斷裂功；A為將裂縫寬度乘以其長度計算出的斷裂面積；|m|為拐點處斜率的絕對值；A是單位換算(0.01)；σpeak為峰值應力。

(2)間接抗拉強度試驗

在25 ℃溫度下，采用50 mm/min的加載速率，對至少三個樣品進行間接拉伸強度(IDT)試驗。連續(xù)記錄載荷以及垂直和橫向變形。對IDT試驗結果進行分析，用公式(4)計算韌性指數(TI)，TI描述了峰后區(qū)域的增韌特性。

(4)

式中：A3%-p為峰值應變和3%應變值之間的應力-應變曲線下的面積；εp為峰值應力下的應變；Speak為峰值應力。

(3)瀝青混凝土開裂試驗

為評價樣品的低溫抗裂性，瀝青混凝土的開裂試驗采用瀝青混凝土開裂裝置(ACCD)進行測試。該試驗首先需要獲得直徑為60 mm環(huán)形樣品。將ACCD環(huán)放置在ACCD樣品的中心孔中。然后在環(huán)境室中冷卻樣品，樣品因溫度下降而收縮受到ACCD環(huán)的限制，導致樣本和ACCD環(huán)出現應變，記錄到試件破壞為止，得到了數據應變-溫度曲線。ACCD開裂溫度定義為對應于應變溫度曲線斜率等于最大斜率80%的位置。

2 試驗結果分析

2.1 SCB測試結果

圖1比較了具有RAP-1和RAP-2混合料的長期老化樣品的平均NFE值。具有RAP材料和PG 64-28結合料的混合料的NFE，隨著RAP含量的增加而降低。然而，RAP-2混合料的NFE值高于RAP-1混合料。這表明RAP-2混合料需要更高的能量才能開裂，這些混合料具有更強的抗疲勞開裂能力。圖2顯示了RAP-1和RAP-2混合料長期老化樣品的平均FI值。與NFE類似，含有兩種RAP材料的混合料的FI值隨著RAP含量的增加而降低。然而，RAP-1混合料中FI的降低比RAP-2混合料降低更為顯著，SCB試驗結果清楚地表明，RAP材料來源影響高摻量RAP混合料的疲勞開裂抗力。

圖1 RAP材料的NFE值

圖2 RAP材料的FI值

方差分析結果見表2，在95%置信水平下，RAP來源和RAP含量對FI和NFE有顯著影響。然而，對于這兩個參數，RAP源的F值比RAP含量高得多，這表明RAP源對高RAP混合料的疲勞開裂抗力的影響比RAP含量更為顯著。方差分析后采用最小二乘法(LSM)統(tǒng)計分析，以確定混合料在FI和NFE的排名；表3和表4顯示了方差分析LSM統(tǒng)計分析的結果，顯然，RAP-2混合料比RAP-1混合料具有更好的抗疲勞開裂性。

表2 SCB的方差分析結果

表3 基于最小二乘法的不同RAP源的NFE和FI分析結果

表4 基于最小二乘法的不同RAP含量的NFE和FI分析結果

2.2 IDT試驗結果

RAP-1和RAP-2混合料的平均TI值如圖3所示。一般而言，RAP-2混合料的TI值高于RAP-1混合料的TI值，尤其是RAP含量為40%和50%的混合料。對于不同的RAP源，混合料的TI值隨著RAP含量的增加而降低。進行方差分析以評估IDT測試結果，如表5所示。95%置信水平下，只有RAP含量對TI有顯著影響。對樣本進行方差分析后LSM統(tǒng)計分析，以確定樣本在TI的排名，表6顯示了方差分析LSM統(tǒng)計分析的結果。顯然，30%和40%的RAP混合料具有統(tǒng)計上相似的TI。然而，在統(tǒng)計上，50%RAP混合料的開裂TI值低于30%和40%RAP混合料。該結果表明，IDT試驗可能對“RAP對瀝青混合料開裂可能性的影響”不太敏感。

圖3 RAP-1和RAP-2混合料的平均TI值

表5 IDT試驗結果方差分析

表6 基于最小二乘法的不同RAP含量的NFE和FI分析結果

2.3 瀝青混凝土開裂裝置試驗結果

圖4比較了采用RAP-1和RAP-2制備的混合料的長期老化樣品的平均開裂溫度。可以發(fā)現，所有RAP-1和RAP-2混合料的30%RAP或以上，其開裂溫度均低于-22 ℃。這表明這些混合料具有可接受的低溫抗裂性，RAP-2混合料的開裂溫度略低于RAP-1混合料。這表明RAP源可能會對高摻量RAP混合料的低溫抗裂性產生影響。進行方差分析和方差分析后LSM分析，評估ACCD測試結果。方差分析結果如表7所示，RAP來源和RAP含量的影響在95%置信水平下對ACCD開裂溫度沒有顯著影響。這表明，對于具有兩種RAP來源的混合料，使用較軟的結合料(PG 64-28)可有效改善和保持高摻量RAP混合料的低溫抗裂性。結果還證實了先前研究的結論，即使用具有適當低溫性能等級的結合料，有助于確保高摻量RAP混合料具有令人滿意的低溫抗裂性。