RAP離析對再生瀝青混合料性能的影響分析

俞志龍，黃 剛 ，何兆益，王國偉，陳先勇

(1.重慶交通大學 土 木建筑學院，重慶400074;2.重慶重交再生資源開發(fā)有限公司，重慶 4 01120)

我國公路進入大中修階段或改建階段時產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料是一種可再生材料，如果廢棄，不但造成資源浪費，同時也污染環(huán)境，因此瀝青路面再生技術引起了人們的廣泛關注。

熱再生料的路用性能影響因素較多，其中舊料的性能是影響因素之一。但是采用舊料離散性很大，不同行車條件、路面銑刨深度、舊料運輸、破碎和堆積狀態(tài)都會對舊料級配造成很大的影響。而舊料級配的變異又會對再生料性能產(chǎn)生影響［1］，特別是在瀝青回收料(RAP)高摻量情況下影響尤其顯著。因此，研究舊料級配離析對再生料的性能影響有其重要意義。文中舊料級配離析是相對于在做再生料配合比設計中的設計舊料級配而言。

研究舊料級配離析對再生料強度特性和路用性能的影響首先要掌握舊料的離析規(guī)律，這樣才能具有針對性和現(xiàn)實性。因此有必要調(diào)查路面材料經(jīng)過行車荷載、銑刨、運輸、堆積等環(huán)節(jié)后的級配波動規(guī)律，并運用恰當?shù)氖覂?nèi)模擬試驗方法，分析RAP不同程度和類型的離析對再生料的路用性能影響。筆者主要用級配差異值S來評價集料級配離析，見式(1)。

式中：pi，j為離析混合料集料篩孔 j的通過百分率;pa，j為標準混合料集料篩孔j的通過百分率。

1 RAP級配波動規(guī)律調(diào)查

選取重慶江北區(qū)某市政道路，調(diào)查路面集料的離析規(guī)律。按照JTJ 059—95《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》隨機取樣方法確定取樣點位置，將試樣拌勻通過抽提法測定RAP礦料級配。J1代表整條路面的級配;J2取自主干道路面上非輪跡位置;J3取自路面靠近紅綠燈位置;J4取自路面上輪跡位置;J5取自通向小區(qū)的路面;J6取自路面邊緣位置。各個取樣位置的礦料級配差異值見表1。路面不同部位取樣測得的級配見圖1。從圖1中可以看出RAP的級配變化比較明顯，從J3、J4可以看出處于車輛經(jīng)常行駛碾壓和剎車使用比較頻繁的部位集料級配偏細。

表1 試樣的級配差異值STable 1 Gradation difference value S of the samples

圖1 路面不同部位取樣測得的級配Fig.1 Sampling gradation from different parts of the pavement

對成都某廠拌熱再生料廠進行調(diào)查，該廠對RAP未進行分檔堆放，而是經(jīng)過破碎機破碎后，集中堆放。對料堆RAP的取樣方法參照JTG—E42《公路工程集料試驗規(guī)程》粗集料料堆取樣法，Y1表示采用規(guī)范方法取樣試驗得到RAP級配的代表值;Y2，Y3，Y4，Y5，Y6分別表示在料堆頂部、中部、底部等不同部位取樣得到的試驗結果。從圖2中可以看出通過路面銑刨(挖掘)、運輸、破碎、堆放等過程會對RAP級配造成一定的離析，從表1可以得出從料堆取樣測得的級配偏差值最大值為33，以這個作為模擬RAP級配離析的標準。

圖2 料堆不同部位取樣測得的級配Fig.2 Sampling gradation from different parts of material pile

2 試驗方案設計

再生方法采用70#基質(zhì)瀝青和本課題研發(fā)的再生劑(ZS1)模擬廠拌熱再生，再生劑最佳摻量為舊瀝青的7%［2-3］，采用的各種瀝青性能見表2。

表2 瀝青的性質(zhì)Table 2 Properties of the asphalt

RAP礦料顆粒大小分為3檔，級配和瀝青含量如表3。

表3 舊瀝青混合料級配及瀝青含量Table 3 Gradation and asphalt content of the old asphalt mixture

通過調(diào)整不同檔RAP的比例來得到試驗所需要的級配，試驗采用AC-16C型級配中值［4］，舊料摻量為50%。

本試驗是室內(nèi)模擬熱再生料在RAP級配離析情況下對路用性能的影響，所以不考慮在再生后在裝載、運輸、攤鋪等環(huán)節(jié)后出現(xiàn)的二次離析，因此設計的5種再生料級配(Ⅰ～Ⅴ)只是舊料的級配在變動而其他材料用量則不變。以級配偏差值S表示級配離析的程度，D1級配代表RAP級配偏細離析，D2級配代表RAP級配不離析，D3，D4和D5級配代表RAP級配偏粗離析程度為輕度、中度和重度，摻配新料后，所對應的再生料級配用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示，其級配如表4，從表4中可以看出再生料隨著RAP級配(D1～D5)由細向粗變化時其瀝青含量也隨之減少。設計的5種級配(Ⅰ～Ⅴ)，在沒有添加RAP情況下，其性能也有所變化，Z1是對應原生料偏細離析，Z2表示原生料不離析，Z3、Z4和Z5表示對應原生料的偏粗離析。

表4 試驗混合料級配組成Table 4 Gradation composition of trial mixtures

3 舊料級配離析對再生料體積參數(shù)及力學性能的影響

按照表4中的試驗混合料的級配組成制作馬歇爾試件，試件的毛體積密度用表干法測得，試件的各項體積參數(shù)見表5。

表5 試驗混合料試件的體積參數(shù)Table 5 Volumetric parameters of samples of trial mixtures

由表5可見，當發(fā)生RAP級配粗離析時，隨著離析程度的提高，試件的密度降低而空隙率顯著增加，瀝青飽和度降低;而當發(fā)生細集料離析時，試件密度和空隙率受離析程度的影響較小，重度粗離析與不離析空隙率差值4.4%，瀝青飽和度差值22%，這將對瀝青混合料的使用性能產(chǎn)生顯著的影響。從表5中可以看出原生料體積參數(shù)的變化規(guī)律，Z5級配與Z2級配孔隙率差值2.1%，瀝青飽和度的差值12.7%，按照美國國家瀝青研究中心(NCAT)提出的基于瀝青含量、級配和孔隙率變化的瀝青混合料離析評價標準，原生料Z5的偏粗離析只屬于輕度離析。通過比較可以看出在級配偏粗離析程度一樣的情況下，再生料體積指標變化比原生料要大，主要原因是再生料中的再生瀝青隨著RAP級配的變化其性能也是變化的因此造成了體積指標的變化更為敏感。

圖3為5組再生料的劈裂強度值。當RAP發(fā)生細集料離析時其再生料的劈裂強度在15℃降低6%，在25℃時增加了45%，該現(xiàn)象說明RAP細集料含量較高時對其力學指標影響不大，而且有助于提高較高溫度下的劈裂抗拉強度。當發(fā)生RAP級配粗離析時隨著離析程度越大，其劈裂強度也降低，重度離析時劈裂抗拉強度約為標準再生料的60%～70%，其變化規(guī)律與再生料的瀝青用量和空隙率是一致的。

圖3 再生料的劈裂強度值Fig.3 Tensile strength value of recycled asphalt mixture

由圖4可以看出，原生料隨著級配偏粗離析其劈裂強度也降低，Z5級配比Z2級配劈裂強度值降低了80%左右，顯然比再生料降低幅度要小。分析其原因，是瀝青混合料的力學強度是有兩部分組成，由瀝青與集料間的粘附力和瀝青本身的黏結力提供的，當瀝青用量在一定的范圍內(nèi)增大時，混合料的黏附力和黏結力也增大，因此其力學強度也增大;當空隙率增大，其瀝青有效黏結面積減小，混合料力學強度也相應降低［5］。由于RAP級配粗離析其舊料瀝青含量相對就減少，因此在加入同量的再生劑時會使再生瀝青粘度比設計小造成再生瀝青黏結力的降低，相應的再生料強度也降低，且再生料孔隙率增加幅度比原生料大，所以其劈裂強度降低幅度也就越大。

圖4 原生料的劈裂強度值Fig.4 Tensile strength value of asphalt mixture

4 RAP級配離析對再生料路用性能的影響

4.1 離析對高溫穩(wěn)定性的影響

表6是各個混合料的車轍試驗結果。從表6中可見，原生料中隨著級配偏粗離析其動穩(wěn)定度是有所增加的，總體來看再生料的動穩(wěn)定度比原生料要提高很多。與Ⅱ級配相比，Ⅲ級配動穩(wěn)定度增加了7.6%，Ⅳ級配動穩(wěn)定度降低了4.3%，Ⅴ級配動穩(wěn)定度增加了8.7%，因此可以看出當RAP發(fā)生級配粗離析時，對再生料的抗車轍性能并沒有不利的影響，甚至還有助于提高其性能，說明RAP偏粗離析下再生料在充分壓實的前提下，對高溫性能影響較小，集料偏粗的再生料雖然空隙率較大，但是由于粗集料含量高，形成骨架，對提高再生料的抗車轍能力是有利的［6］。當原生料級配發(fā)生偏細離析時其動穩(wěn)定度降低了38%左右，而當RAP發(fā)生細集料離析時，其再生料的動穩(wěn)定度下降了34%，下降幅度相差不大。說明RAP級配偏細離析時不利于再生料的高溫性能，因此，當RAP發(fā)生細集料離析時，集料偏細的部位將可能是路面車轍損壞的高發(fā)區(qū)域，與原生料的研究結果比較一致［7-8］。

表6 車轍試驗結果Table 6 Wheel tracking test results

4.2 對再生料水穩(wěn)定性的影響

試驗采用凍融劈裂強度比(TSR)來表征再生料的水穩(wěn)定性。從圖5可以看出，原生料隨著級配偏粗離析其TSR是有所降低的;當RAP發(fā)生細集料離析時，其TSR是最大的為88%，而當發(fā)生RAP粗集料離析時，隨著離析程度的加重，再生料的TSR下降。原生料Z5級配下降了12%，Ⅴ級配下降了36%，說明再生料下降幅度比起原生料要大。分析其原因為：當再生料級配由細變粗時，再生料的空隙率將顯著的增加，且增加幅度比原生料要大，且瀝青含量也隨之降低，從而導致再生料的水穩(wěn)定性降低，且降低幅度比原生料要大。

圖5 凍融劈裂試驗結果Fig.5 Results of water stability test

4.3 對再生料低溫性能的影響

采用－10℃的小梁低溫彎曲試驗來評價再生料的低溫性能，試驗結果見表7。

表7 小梁彎曲試驗結果Table 7 Low-temperature trabecular bending test

試驗結果表明，原生料發(fā)生偏細離析時由于瀝青含量增加，孔隙率降低使得其低溫性能有大幅度的改善，當RAP偏細離析時再生料的彎拉強度變大，而抗彎拉應變降低。分析其原因是，由于RAP偏細離析使再生瀝青中舊瀝青含量變大造成再生瀝青變硬和勁度變大，從而造成上述結果。在原生料試驗中偏粗離析的幾個級配中，只有Z5級配對低溫性能的影響較為明顯，而當RAP發(fā)生中度離析時，對低溫性能的影響就已經(jīng)很顯著，而當發(fā)生重度離析時，其彎拉應變降低了42%，這對其低溫性能產(chǎn)生了不利的影響。其原因是隨著RAP偏粗離析，再生料的瀝青含量降低，孔隙率明顯增加(增加幅度比原生料大)，且再生瀝青的延度比新瀝青要差，從而造成再生料級配偏粗離析時對低溫性能造成的不利影響更為顯著。

4.4 對再生料疲勞性能的影響

采用疲勞試驗進一步研究RAP離析對再生料的長期耐久性能的影響。疲勞試驗采用標準馬歇爾試件進行間接拉伸疲勞試驗，試驗溫度為15℃，試驗荷載采用半正矢荷載，荷載頻率為10 Hz，試驗的應力比取 0.4，0.5，0.6，0.7，試驗結果見表 8。

表8 疲勞試驗結果Table 8 Results of fatigue test

疲勞方程參數(shù)中N是截距表示疲勞方程的位置，N值越大再生料抗疲勞性能越好;而K值表示曲線斜率，K值越大曲線越陡說明應力水平對疲勞壽命的影響越大。從表8可以看出原生料級配偏細離析有利于混合料疲勞壽命的提高，同樣RAP偏細離析有利于再生料疲勞壽命的提高，但與不離析相比對應力的敏感程度增加，這是由于RAP偏細離析使得再生料中舊瀝青含量增加，使再生瀝青變硬，勁度變大造成的;而當RAP偏粗離析時隨著離析程度的加大疲勞壽命是越來越低的，且同時增加了對應力的敏感性，特別是當RAP是重度離析時對再生料疲勞性能具有顯著的影響，與原生料相比隨著RAP級配偏粗離析其對疲勞壽命的不利影響要大的多。

5 結論

1)在熱再生瀝青混合料中，當RAP摻量越高，RAP的性能對再生料的影響就越顯著，筆者選取50%的舊料摻量進行相關性能的研究。RAP離析導致再生料的瀝青含量和空隙率產(chǎn)生變化，從而導致其性能的變化。

2)當RAP偏粗離析時，隨著離析程度的加重，再生料的水穩(wěn)定性、低溫性能、疲勞性能和強度大幅度降低，且同一離析程度下，再生料的降低幅度比原生料要大。在RAP偏細離析時，雖然對再生料的水穩(wěn)定性和抗疲勞性能無不利影響，但將使再生料的抗車轍性能和低溫抗裂性能顯著降低。

3)在RAP發(fā)生偏粗中度離析時，雖然再生料瀝青含量只下降了0.35%，級配偏差值只有12.2，但對其抗疲勞性能和低溫性能都產(chǎn)生明顯不利的影響，因此RAP的離析對再生料的性能的影響是比較顯著的，所以在廠拌熱再生瀝青混合料生產(chǎn)中對控制RAP的均勻性是必要的，可以通過RAP的分檔來控制其級配的變異，從而提高再生料的質(zhì)量。

［1］鄭曉光，徐健，叢林，等.離析對瀝青混合料路用性能的影響［J］.公路交通科技，2008，25(11)：16-19.Zheng Xiaoguang，Xu Jian，Cong Lin，et al.Influence of segregation on asphalt mixture performance［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008，25(11)：16-19.

［2］JTG F 41—2008公路瀝青路面再生技術規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2008.JTG F 41—2008 Technical Specifications for Highway Asphalt Pavement Recycling［S］.Beijing：China Communications Press，2008.

［3］黃曉明，趙永利，江臣.瀝青路面再生利用試驗分析［J］.巖土工程學報，2001，23(4)：468-471.Huang Xiaoming，Zhao Yongli，Jiang Chen.Test and analysis of recycled mixture for old asphalt pavement［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23(4)：468-471.

［4］JTG F 40—2004公路瀝青路面施工技術規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.JTG F 40—2004 Technical Specification for Construction of Highway Asphalt Pavements ［S］.Beijing：China Communications Press，2004.

［5］李立寒，曹林濤，羅方艷，等.瀝青混合料劈裂抗拉強度影響因素的研究［J］.建筑材料學報，2004，7(1)：41-45.Li Lihan，Cao Lintao，Luo Fangyan，et al.The test research on the factors affecting on the tension strength behavior of hot mixes asphalt(HMA)［J］.Journal of Building Materials，2004，7(1)：41-45.

［6］李立寒，麻旭榮.級配離析瀝青混合料性能的試驗研究［J］.同濟大學學報：自然科學版，2007，35(2)：1622-1626.Li Lihan，Ma Xurong.Influence research of gradation segregation on performance of asphalt mixture ［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2007，35(2)：1622-1626.

［7］Slater G F，Lollar B S，King R A，et al.Isotopic fractionation during reductive dechlorination of trichloroethene by zero-valent iron：Influence of surface treatment［J］.Chemosphere，2002，49(2)：589-596.

［8］Su Chunming，Plus R W.Kinetics of trichloroethylene reduction by zerovalent iron and tin：pretreatment effect，apparent activation energy，and intermediate products［J］.Environment Science Technology，1999，33(1)：163-168.