不同RAP摻量熱再生瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

摘 要：文章通過(guò)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)，綜合探討了不同RAP摻量的AC-20再生瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的力學(xué)性能和高溫性能均得到改善，低溫性能先增強(qiáng)后減弱，低溫性能在RAP摻量為20%時(shí)達(dá)到最佳；RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的性能影響較大，當(dāng)RAP摻量超過(guò)20%時(shí)主要對(duì)低溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響，對(duì)高溫性能和力學(xué)性能主要為正面影響。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；RAP；熱再生瀝青混合料；性能試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U414.1A311064

0"引言

我國(guó)大多數(shù)公路的路面形式為瀝青路面。隨著使用年限逐漸增長(zhǎng)，巨大存量的瀝青路面亟須養(yǎng)護(hù)和維修。其中，對(duì)瀝青路面再生是有效改善現(xiàn)有瀝青路面服役性能的技術(shù)措施之一。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)采用廠拌熱再生技術(shù)養(yǎng)護(hù)的瀝青路面相比其他養(yǎng)護(hù)方式具有更好的路用性能，滿足使用要求［1-2］。對(duì)再生瀝青混合料的性能研究受到了瀝青路面材料研究者的廣泛關(guān)注，并取得了一系列研究成果。Luis等［3］研究了RAP在冷再生和熱再生瀝青混合料中的應(yīng)用，并通過(guò)微觀手段分析了冷再生和熱再生瀝青混合物中的瀝青膠漿性質(zhì)，測(cè)試結(jié)果表明，冷再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度比熱再生更高，熱再生瀝青混合料中新舊瀝青的結(jié)合度僅為50%～70%，因此需要對(duì)新老瀝青在熱再生中的整合程度進(jìn)行更深入的研究。何兆益等［4］對(duì)AC-13型和AC-16型再生瀝青混合料的路用性能開展研究，認(rèn)為隨著RAP摻量增加，熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度上升，但低溫抗裂性下降。李達(dá)［5］采用凍融劈裂與水損壞敏感試驗(yàn)（MIST），研究舊料摻量對(duì)溫拌再生瀝青混合料耐久性的影響，認(rèn)為溫拌再生瀝青混合料中存在一個(gè)最佳的RAP含量，超過(guò)最佳RAP摻量后瀝青混合料的性能將會(huì)下降。因此，熱再生瀝青混合料因?yàn)樾屡f瀝青融合的問(wèn)題，RAP摻量不宜過(guò)高。由于性能原因，我國(guó)熱再生瀝青混合料的RAP摻量多＜30%，這極大地制約了熱再生施工工藝對(duì)RAP的利用率［6］。基于此，本文研究RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的性能影響，并嘗試提高RAP摻量，分析高RAP摻量下瀝青混合料的性能水平，為工程實(shí)踐提升RAP摻量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1"原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1"RAP料

本研究采用的瀝青路面回收料（RAP）為AC-20普通瀝青混合料。考慮到RAP料級(jí)配變化較大，無(wú)法保證配合比設(shè)計(jì)的均勻性，因此將RAP料進(jìn)行初步篩分，篩分為粗（粒徑＞4.75 mm）、細(xì)（粒徑＜4.75 mm）兩檔集料。對(duì)分檔前后的RAP料分別采用瀝青抽提儀抽提瀝青，計(jì)算油石比，并對(duì)抽提后的RAP集料開展篩分試驗(yàn)。RAP料的篩分結(jié)果以及油石比如表1所示。由表1可以看出，RAP料中的瀝青含量存在一定程度的下降（原路面的AC-20油石比為4.3%），表明油石比在老化過(guò)程中繼續(xù)下降，其原因主要是在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，瀝青在水分的影響下被沖刷掉。

1.2"舊瀝青

以RAP料中的70#瀝青（舊瀝青）作為研究對(duì)象，首先采用三氯乙烯溶液浸泡RAP料，然后過(guò)濾掉RAP料中的集料及粉塵，留下舊瀝青與三氯乙烯的混合溶液；其次采用“濟(jì)南禾普”EXRE-5003型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，蒸餾去除混合溶液中的三氯乙烯；最后對(duì)蒸餾后的舊瀝青進(jìn)行評(píng)估和分析，與該AC-20修建時(shí)70#瀝青（原瀝青）檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果列于表2。

從表2可以看出，相比于原瀝青，舊瀝青的針入度和延度顯著降低，不再滿足工程技術(shù)指標(biāo)的要求，而軟化點(diǎn)相比原始瀝青有所提升。這是由于瀝青在老化過(guò)程中組分之間的轉(zhuǎn)換，使瀝青中的輕質(zhì)成分含量降低，而膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量增加，導(dǎo)致瀝青分子量增加，使回收的舊瀝青黏度降低，變脆變硬。

1.3"集料、瀝青及再生劑

由于RAP料中的瀝青老化嚴(yán)重，采用100%RAP料所制備的熱再生瀝青混合料性能難以保障，因此在熱再生瀝青混合料中需要適當(dāng)添加新集料及新瀝青。新集料根據(jù)粒徑分為13.2～19.0 mm、4.75～13.2 mm、0～4.75 mm三檔集料，均為石灰?guī)r；新瀝青為70#瀝青。新集料及瀝青的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3～5。再生劑選用山東泛亞新材料有限公司所生產(chǎn)的FY-015型再生劑。

1.4"配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）（以下簡(jiǎn)稱技術(shù)規(guī)范）［7］開展熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。RAP摻量分別為0、20%、40%和60%，選用4.5%、5.0%、5.5%和6.0%的油石比（瀝青包含RAP料中的舊瀝青以及新瀝青），形成了高度為63.5±1.3 mm、直徑為101.6±0.2 mm的馬歇爾試樣。可根據(jù)油石比與馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系確定最佳油石比，馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)包括毛體積密度、空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）、馬歇爾穩(wěn)定度和馬歇爾流值。最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。其中，0、20%、40%和60%RAP均摻加5%的FY-015型再生劑。

2"試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1"動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

對(duì)不同摻量（分別為0、20%、40%和60%）的AC-20熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為UTM-25多功能試驗(yàn)機(jī)。試樣直徑為150 mm，高度為150 mm，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件。在-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃和50 ℃的溫度條件下，分別使用0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz和25 Hz的加載頻率進(jìn)行重復(fù)加載試驗(yàn)，溫度從低到高依次進(jìn)行，頻率從高到低頻依次進(jìn)行；收集最后五個(gè)波形的載荷和變形曲線進(jìn)行測(cè)試，并取每個(gè)樣本類型的三個(gè)波形的平均值作為最終結(jié)果。熱再生瀝青混合料在不同溫度下的動(dòng)態(tài)模量可以向參考溫度平移形成動(dòng)態(tài)模量主曲線，不同溫度下的動(dòng)態(tài)模量向參考溫度平移的位移因子可采用Williams-Landel-Ferry方程（WLF方程）計(jì)算，具體如式（1）所示：

logαT=C1（T-TS）C2+T-TS（1）

式中：αT——溫度為T時(shí)所測(cè)試的動(dòng)態(tài)模量向參考溫度平移時(shí)的位移因子；

C1、C2——常數(shù)；

TS——參考溫度；

T——測(cè)試溫度。

一般可采用sigmoidal函數(shù)擬合動(dòng)態(tài)模量主曲線［8］，具體如式（2）所示：

log｜E*｜=δ+α1+eβ+γlgfr（2）

式中：E*——?jiǎng)討B(tài)模量；

δ——?jiǎng)討B(tài)模量最小值的對(duì)數(shù)；

α——?jiǎng)討B(tài)模量最大值的對(duì)數(shù)；

β和γ——擬合系數(shù)；

fr——縮減頻率。

fr可采用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

fr=f×aT（3）

式中：f——測(cè)試頻率；

aT——時(shí)間-溫度位移因子，表示每個(gè)溫度下的動(dòng)態(tài)模量曲線平移到參考溫度下的曲線的平移距離。

在本試驗(yàn)中，參考溫度為20 ℃，參考溫度的αT為0。首先對(duì)在20 ℃時(shí)不同加載頻率下獲得的動(dòng)態(tài)模量值進(jìn)行擬合，以獲得初始擬合方程。將20 ℃時(shí)得到的δ、α、β和γ作為初始值，用于確定其他測(cè)試溫度對(duì)應(yīng)的αT值，然后對(duì)不同溫度條件下的動(dòng)態(tài)模量向參考溫度平移，最終得到參考溫度為20 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)模量主曲線擬合方程。擬合參數(shù)如下頁(yè)表7所示；動(dòng)態(tài)模量主曲線如下頁(yè)圖1所示。

從圖1可知，不同RAP摻量熱再生混合料的動(dòng)態(tài)模量值均隨頻率的增加而增加，但不同RAP摻量熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量有顯著差異，表明熱再生瀝青混合料對(duì)溫度/頻率變化敏感。瀝青混合料具有時(shí)溫等效特性，即加載頻率與溫度作用具有同等性。因此，動(dòng)態(tài)模量主曲線越平穩(wěn)，表明瀝青混合料的溫度敏感性越低。從圖1可以看出，不同RAP摻量的熱再生混合料的溫度敏感性（主曲線平穩(wěn)程度）從大到小排序?yàn)椋?RAP＞20%RAP＞60%RAP＞40%RAP，這表明與0RAP瀝青混合料相比，添加RAP料后，熱再生瀝青混合料具有更低的溫度敏感性，但隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的溫度敏感性呈先減小再增大的趨勢(shì)。熱再生瀝青混合料在高頻（對(duì)應(yīng)低溫）下的動(dòng)態(tài)模量大小對(duì)比結(jié)果排序?yàn)椋?RAPlt;20%RAPlt;40%RAP lt;60%RAP。這表明，在高頻（低溫）條件下，添加RAP料在一定程度上提高了熱再生瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度，RAP摻量越高，強(qiáng)度越高。但考慮到熱再生瀝青混合料在低溫下受荷載影響更容易脆斷，其在低溫下的動(dòng)態(tài)模量越高，低溫抗裂性能越低，因此RAP摻量的提升將會(huì)降低熱再生瀝青混合料的低溫性能。此外，RAP在低頻（高溫）條件下的添加對(duì)熱再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有顯著影響。綜合而言，RAP對(duì)熱再生瀝青混合料高溫性能的影響程度高于低溫性能，適當(dāng)摻量（≤40%）的RAP料對(duì)熱再生瀝青混合料的溫度敏感性有益，但摻量進(jìn)一步提升會(huì)降低熱再生瀝青混合料的溫度敏感性。

2.2"高溫車轍試驗(yàn)

采用車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)估不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料的高溫性能。車轍試樣密度參考馬歇爾試樣的密度。高溫車轍試驗(yàn)通過(guò)動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)表征瀝青混合料的高溫性能，重復(fù)三次，并以平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，不同RAP含量的熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足技術(shù)規(guī)范對(duì)普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的技術(shù)要求（gt;1 000次/mm）。隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸提高，當(dāng)RAP摻量從40%增加到60%時(shí)，其增長(zhǎng)率顯著增大，表明其抗車轍性能顯著提高。RAP摻量的增加能提升熱再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的主要原因?yàn)镽AP料中的老化瀝青具有較高的黏度，由此提升了熱再生瀝青混合料的高溫性能。

2.3"動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)采用直徑為150 mm、高度為150 mm的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試樣（成型條件、試樣類型以及試驗(yàn)機(jī)器與動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)相同）；試驗(yàn)溫度為60 ℃，軸向壓力設(shè)定為700 "kPa，圍壓為0，加載周期為1 s，直到試樣損壞或試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到3 h；每種試樣類型試驗(yàn)三次，取平均值作為最終結(jié)果。

不同RAP摻量的熱再生混合料動(dòng)態(tài)蠕變累積應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可知，0RAP瀝青混合料損傷最早，破壞階段斜率最大，破壞時(shí)的加載次數(shù)最小，僅為1 000次左右。此外，還可以看出，具有60%RAP摻量的熱再生瀝青混合料在應(yīng)變變化平穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變斜率及應(yīng)變略大于40%RAP摻量熱再生瀝青混合料，而且兩者的性能相似，在次數(shù)＞10 000次加載時(shí)仍然未有明顯的破壞特征。此外，高溫車轍試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)蠕變結(jié)果不同，表明對(duì)于高RAP摻量的熱再生瀝青混合料，不宜采用單一的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其高溫性能，應(yīng)與動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合。

2.4"低溫抗裂試驗(yàn)

在-10 ℃的試驗(yàn)溫度下，使用直徑150 mm、厚度為50 mm的半圓形試樣進(jìn)行了-10 ℃半圓彎曲試驗(yàn)（Semi-circle Bending Test，SCB）。對(duì)于SCB試驗(yàn)，加載點(diǎn)的距離為12 cm，加載速率為50 mm/min。SCB試驗(yàn)的試件制備及試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。半圓形試樣在試驗(yàn)中被連續(xù)加載直到其破壞，并記錄載荷和位移。該試驗(yàn)由UTM-25多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，每個(gè)試樣類型取三個(gè)試樣的平均值作為最終結(jié)果。半圓形試樣的應(yīng)力和模量方程如式（4）和式（5）所示［9］。

σt=4.8FBD（4）

Mr=1.84FBV（5）

式中：σt——底部拉應(yīng)力（MPa）;

F——垂直方向載荷（N）；

D——試樣的直徑（mm）；

B——試樣的厚度（mm）；

V——試樣底部的垂直位移（mm）；

Mr——模量（MPa）。

彎曲應(yīng)變能密度的臨界值［11］被用于表征瀝青混合料低溫性能，該值越大表明瀝青混合料柔韌性越好，從而低溫性能越好。由SCB試驗(yàn)獲得的不同RAP摻量熱再生瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度如圖5所示。

從圖5可知，隨著RAP摻量增加，熱再生瀝青混合料的低溫性能先增大后減小，在20%RAP摻量時(shí)熱再生瀝青混合料的低溫性能達(dá)到最高。試驗(yàn)結(jié)果表明：適當(dāng)摻量（＜20%）的RAP料能夠提升熱再生瀝青混合料的低溫性能，但過(guò)高摻量（＞20%）的RAP將會(huì)損害熱再生瀝青混合料的低溫性能。

3"結(jié)語(yǔ)

本文研究了不同RAP摻量（分別為0、20%、40%和60%）對(duì)AC-20熱再生瀝青混合料路用性能的影響，得出結(jié)論如下：

（1）RAP的加入提高了熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，RAP摻量越高，動(dòng)態(tài)模量越高。在低頻（高溫）條件下，RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量影響較大。

（2）與0RAP瀝青混合料相比，摻RAP的熱再生混合料的高溫車轍性能有顯著提高，熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性隨著RAP摻量的增加先增加后減弱，當(dāng)RAP摻量為20%時(shí)，其低溫性能最佳。

值得注意的是，RAP的摻量影響再生瀝青混合料的性能，主要是由于新瀝青和老化瀝青之間的相互作用。因此，對(duì)于未來(lái)的研究，需要分析新瀝青和老化瀝青之間的融合程度，以進(jìn)一步闡明不同RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料性能影響的原因。

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