基于抗滑性能改善的二次就地熱再生混合料配合比設計

袁青泉 YUAN Qing-quan；王偉偉 WANG Wei-wei；王其林 WANG Qi-lin；王宇 WANG Yu

（①江蘇京滬高速公路有限公司，淮安 223005；②江蘇連徐高速公路有限公司，徐州 221111；③江蘇高速公路工程養護有限公司，淮安 223005；④揚州大學建筑科學與工程學院，揚州 225127）

0 引言

截至2021 年年底，江蘇省高速公路通車里程為5023公里。其中通車15 年及以上的高速公路比例達35%左右[1]。按照高速公路瀝青路面15 年的設計壽命，江蘇高速公路將有大量路段接近或超過設計年限，江蘇高速公路的發展逐步由“建養并重”跨入“以養為主”的時代。

早期采用傳統的就地熱再生技術對高速公路上面層進行處治，隨著服役年限的增長，再生路面已接近或達到使用壽命，出現了嚴重的車轍和裂縫病害。此外，在長期服役過程中，就地熱再生瀝青路面的級配進一步細化，宏觀構造深度逐漸減小，集料的硬度、耐磨性能以及表面粗糙程度均受到一定影響，進而導致一次就地熱再生瀝青路面抗滑性能衰減[2-5]，亟需對其重新進行養護維修。因此，采用二次就地熱再生技術對早期就地熱再生瀝青路面進行處治和養護，研究二次就地熱再生所存在的問題和需解決的關鍵技術，尤其是提升二次就地熱再生瀝青路面抗滑性能[6]，已經成為我國公路養護中再生技術發展的迫切需要，對促進我國公路養護技術的發展和實現可持續再生具有重要的意義。

1 工程概況

江蘇省G40 揚寧高速公路上面層采用的是SMA-13瀝青混合料，K356+210 至K356+850 路段已經于2019 年進行了首次就地熱再生。在行車荷載和自然因素等反復作用下，該路段的車轍、坑槽、裂縫等路面表層病害并不突出，但其抗滑性能衰減過快，其主要路面性能檢測結果見表1 所示。可見，該路段車轍病害較為輕微，但橫向力系數SFC 已經下降至41.9，輪跡帶的擺值和構造深度也已經分別下降至49-52dBPN，以及0.55-0.78mm。基于“環保、節能、安全”的發展理念，決定采用瀝青路面二次就地熱再生技術對該路段進行抗滑性能提升的路面養護維修。

表1 路面性能檢測結果

2 原材料

2.1 RAP 料級配分析

將微波加熱取樣的原再生路面SMA-13 段RAP 料進行烘干、抽提（旋轉蒸發法）、篩分，得到RAP 礦料級配曲線見表2。

表2 原再生路面RAP 料級配試驗結果

通過對原再生路面RAP 料的級配、油石比檢測情況分析可知，原再生路面RAP 料級配較為完整，略微偏細，但仍處于SMA-13 級配的上下限范圍內，且油石比正常，可采用SMA-13 級配對原路面進行二次再生。

2.2 RAP 料中瀝青與集料性能分析

將抽提得到的舊瀝青和舊集料進行性能檢測，結果見表3。由表3 可知，RAP 中舊瀝青發生了老化，基于參考文獻[7]的結果，判定該舊瀝青老化程度為Ⅱ級老化，可用于二次就地熱再生。此外，RAP 中粗集料的針片狀含量和磨光值分別為2.8%和59，表明舊的粗集料性狀較好，仍滿足規范要求。

表3 RAP 料中的瀝青與集料性能試驗結果

2.3 再生劑

本文采用的再生劑為蘇博特公司的RA-102 型再生劑，具體技術指標見表4。

表4 蘇博特RA-102 型再生劑技術指標

2.4 新集料及新瀝青

本文的粗、細新集料均選用玄武巖集料，填料為石灰巖礦粉，瀝青選用PG76-22SBS 改性瀝青，根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）相關規定對其進行性能檢測，均符合相應規范要求。

3 二次再生SMA-13 瀝青混合料配合比設計

3.1 再生劑摻量確定

將RA-102 型再生劑按照3%和5%的摻量（舊瀝青質量占比）摻入舊瀝青中，按照要求進行剪切20min，充分混合均勻后測試其性能。此外，還將SBS 改性瀝青以30%的比例與再生劑一起摻入舊瀝青中測試其性能。各樣品性能檢測試驗結果見表5 至表6 所示。

表5 再生瀝青性能試驗結果

表6 兩種新料級配

由表5 分析可知，在舊瀝青中摻加3%的RA-102 型再生劑后，再生瀝青針入度、軟化點和延度均有一定的恢復，但針入度仍低于50（0.1mm）。在3%再生劑基礎上加入30%新瀝青后，再生瀝青的各項性能指標得到進一步的恢復，與摻入5%再生劑再生瀝青的各項指標接近。

由此可見，新舊瀝青混溶以后，在3%再生劑摻量下，再生瀝青的性能能夠恢復至適當水平。綜合各項指標，擬定RA-102 型再生劑的摻量為RAP 料中舊瀝青含量的3%。

3.2 新料摻量確定

本次二次就地熱再生不提高原路面標高，結合歷年相關工程的施工經驗、舊瀝青性能、原再生路面性能等，采用JTG/T 5521-2019《公路瀝青路面再生技術規范》附錄E 中E.3 的要求，確定新瀝青混合料的內摻比例為30%。

3.3 級配調試

以原路面混合料所屬規范級配（SMA-13）為目標級配，在常用的工程級配范圍內，以提升抗滑性能為目標，通過控制4.75mm 篩孔通過率，首先調配出兩種新料級配（級配1、級配2），然后結合當地工程實際應用情況和往年工程實踐經驗初步選擇油石比，分別制作馬歇爾試件，得出試件的體積指標，根據體積指標初選一組滿足或接近設計要求的級配作為設計級配。兩種新料級配和合成級配分別如表6 至表7 所示。

表7 兩種再生混合料目標合成級配

結合當地工程實際應用情況和往年工程實踐經驗，初步選擇新料油石比4.6%（再生合成油石比5.8%），按照合成級配雙面各擊實75 次成型馬歇爾試件，馬歇爾擊實溫度為160℃。兩組合成級配馬歇爾試驗結果如表8 所示。

表8 兩種試級配合成混合料馬歇爾試驗結果匯總表

由表8 可以看出，再生合成級配1 的VCAmix 不滿足技術要求，因此選擇再生合成級配2 作為設計級配。

3.4 最佳油石比確定

按照新料摻量30%（內摻）、RA-102 型再生劑摻量3%進行最佳油石比確定實驗。使得再生合成級配的油石比分別為5.5%、5.8%和6.1%，按照與原再生路面RAP 料比例30：70，制備馬歇爾試件（擊實次數采用雙面各75次，擊實溫度為160℃），測定合成再生混合料馬歇爾試件的各個指標，結果見表9。

表9 不同油石比合成再生混合料體積指標檢測結果

由試驗結果可見，再生合成級配油石比為5.8%（新料油石比為4.6%）時，再生瀝青混合料的各項指標均滿足規范要求，因此以此時的油石比為最佳油石比。為了進一步改善抗滑性能及綜合路用性能，在上述基準級配的基礎之上添加HIRBF-G13 型強韌化玄武巖纖維制品，制備玄武巖纖維二次就地熱再生SMA-13 瀝青混合料，對其路用性能進行研究，結果見表10 所示。由表10 可知，無纖維的二次再生混合料，除低溫破壞應變以外，其它路用性能均滿足規范要求。添加強韌化玄武巖纖維制品后，二次再生混合料各項路用性能均有不同程度改善，其中動穩定度提升40%、低溫破壞應變提升35.8%。

表10 摻強韌化玄武巖纖維制品的合成再生混合料性能檢驗

4 再生混合料試件抗滑耐久性試驗

為了進一步研究強韌化玄武巖纖維制品對于二次再生瀝青混合料抗滑性能影響，通過抗滑磨耗試驗，研究二次再生瀝青混合料擺值BPN 等指標隨磨耗時間的衰變規律，試驗結果見圖1 所示。

圖1 玄武巖纖維制品對于二次再生混合料抗滑性能影響試驗結果

由圖1 可知，無論是否加入玄武巖纖維，混合料試件的擺值均呈現出先上升再下降的趨勢。這是因為前期由于瀝青膜的脫落，使得表面構造變得粗糙，部分尖銳的石料表面外露，這就導致了摩擦系數的升高。隨著荷載次數的增加，表面的粗糙瀝青膜和尖銳的石料逐漸被磨光，摩擦系數則逐漸降低。

與無纖維的試件相比，添加玄武巖纖維制品的試件，其初始擺值較為接近。磨耗至30000 次以后，兩者的擺值開始出現差異；磨耗至40000 次以后，纖維試件的擺值由初試的73.3dBPN 下降至59.1dBPN，而無纖維試件的擺值則由72.1dBPN 下降至51.6dBPN。可見，添加強韌化玄武巖纖維制品對于二次再生瀝青混合料的初始抗滑性能影響不大，但卻能夠大幅提升其抗滑耐久性。

5 結論

綜上所述，基于抗滑性能提升需求，對江蘇省G40 揚寧高速公路二次就地熱再生項目進行配合比優化設計，研究了其路用性能，得出主要結論如下：

①原再生路面RAP 料級配偏細，但仍較為完整，油石比正常，可采用SMA-13 級配對原路面進行二次再生。此外，該RAP 料中舊瀝青老化程度為Ⅱ級輕度老化，可用于二次就地熱再生。舊集料的針片狀含量和磨光值分別為2.8%和59，舊集料的性狀較好，仍滿足規范要求。

②配合比設計結果表明，新料摻量30%（內摻）、RA-102 型再生劑摻量3%、再生合成級配油石比為5.8%（新料油石比為4.6%）時，除低溫性能以外，二次再生瀝青混合料的其他各項性能指標均滿足規范要求。

③添加強韌化玄武巖纖維制品能夠大幅提升二次再生瀝青混合料的各項性能，其中高溫性能提升40%、低溫性能提升35.8%。此外，強韌化玄武巖纖維對二次再生瀝青混合料試件的初始抗滑性能提升不大，但可大幅提升長期抗滑性能。