廠拌熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究

方 楊，李善強(qiáng)，2，劉 宇

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州510400;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安710064)

近年來，出于節(jié)約能源、綠色低碳發(fā)展的理念，廠拌熱再生技術(shù)由于使用效果良好在我國受到重視。我國高速公路經(jīng)過十幾年的建設(shè)期，如今許多瀝青路面達(dá)到中修大修期限。如何高效合理利用這些有回收價(jià)值的 RAP(回收瀝青路面材料，Reclaimed Asphalt Pavement)是亟待同仁研究的課題。已有研究表明［1-3］，RAP摻量不超過40%時(shí)，熱再生混合料的水穩(wěn)定性不低于非再生混合料。筆者將針對(duì)RAP摻量在30%以上的熱再生混合料水穩(wěn)定性能進(jìn)行綜合分析。

瀝青路面水損害是水在外力作用下滲入到瀝青與礦料的界面或?yàn)r青內(nèi)部，使瀝青與礦料之間的黏附性降低并逐漸喪失黏結(jié)能力，從而使瀝青膜逐漸從礦料表面剝離致使瀝青混合料松散掉粒，進(jìn)而使瀝青路面發(fā)生整體性破壞的過程［4-8］。

1 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

按照J(rèn)TG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［9］(以下簡稱《規(guī)范》)采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，以AC-25普通瀝青混合料為基準(zhǔn)，分別摻加30%，45%，60%RAP，拌制了4種AC-25混合料;以 AC-20普通瀝青混合料為基準(zhǔn)，分別摻加30%，45%RAP，拌制了3種AC-20混合料。膠結(jié)料為東莞東交AH-70重交通道路石油瀝青。采用JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［10］(以下簡稱《規(guī)程》)中的浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)研究水穩(wěn)定性能，并結(jié)合混合瀝青黏韌性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)水穩(wěn)定性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)以殘留穩(wěn)定度評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性能，如圖1。從圖1看出，在RAP各種摻量下瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿足《規(guī)范》［9］要求。AC-25瀝青混合料殘留穩(wěn)定度在RAP為30%時(shí)達(dá)到峰值后隨著RAP摻量增加而降低;AC-20瀝青混合料殘留穩(wěn)定度在隨RAP摻量增加而降低。浸水馬歇爾試驗(yàn)認(rèn)為熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能總體上比普通瀝青混合料要低，RAP在30%用量時(shí)出現(xiàn)最大值。

圖1 浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度與RAP摻量關(guān)系Fig.1 Relationship between RAP content and residual stability of immersion Marshall test

1.2 凍融劈裂試驗(yàn)

混合料凍融劈裂試驗(yàn)以殘留強(qiáng)度比評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性能。殘留強(qiáng)度比與RAP摻量關(guān)系如圖2。從圖2看出，在RAP各種摻量下，瀝青混合料的殘留強(qiáng)度比均滿足《規(guī)范》［9］要求。普通瀝青混合料殘留強(qiáng)度比最低;隨著RAP增加熱再生混合料殘留強(qiáng)度比時(shí)高時(shí)低，毫無規(guī)律。凍融劈裂試驗(yàn)認(rèn)為熱再生混合料水穩(wěn)定性比普通混合料要好，RAP摻量為30%時(shí)出現(xiàn)最大值。

圖2 凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比與RAP摻量關(guān)系Fig.2 Relationship between RAP content and freezing-thawing splitting stability

1.3 肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)

肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)以浸水飛散損失評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性能，其與RAP摻量關(guān)系如圖3。圖3中飛散損失先降低后增加，RAP在30%時(shí)損失最低，意味著瀝青混合料水穩(wěn)定性能先加強(qiáng)后減弱。RAP在30%時(shí)水穩(wěn)定性最好，這個(gè)結(jié)論與前兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)論相同。

圖3 肯塔堡浸水飛散損失與RAP摻量關(guān)系Fig.3 Relationship between RAP content and Cantabro immersion scattering loss

1.4 黏韌性試驗(yàn)

肯塔堡飛散試驗(yàn)使瀝青黏結(jié)能力的重要性突顯出來，黏結(jié)能力的喪失正是水損害發(fā)發(fā)生的病根。在瀝青性質(zhì)眾多指標(biāo)中，黏韌性試驗(yàn)是唯一評(píng)價(jià)黏結(jié)能力的指標(biāo)。

國內(nèi)對(duì)瀝青黏韌性研究幾乎處于空白，該指標(biāo)在日本非常受到重視。黏韌性試驗(yàn)在1974年被日本橡膠協(xié)會(huì)定為標(biāo)準(zhǔn)，并收入日本道路協(xié)會(huì)鋪裝試驗(yàn)法便覽。現(xiàn)在日本瀝青路面鋪裝要綱的改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)中正式列入了黏韌性指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)瀝青改性效果［11］。根據(jù)日本的研究，瀝青的黏韌性影響瀝青混合料的抗剝離性能、脆性和高溫穩(wěn)定性，提高黏韌性能夠防止骨料松散、改善抗滑能力以及抗車轍能力［12］。

筆者進(jìn)行了混合瀝青的黏韌性試驗(yàn)?；旌蠟r青是熱再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)RAP瀝青含量、RAP摻量、最佳瀝青用量確定了AH-70瀝青和舊瀝青比例后，混合而成的瀝青。黏韌性試驗(yàn)曲線如圖4。

圖4 黏韌性試驗(yàn)荷載-變形曲線Fig.4 Curve of load-deformation in toughness test

根據(jù)黏韌性試驗(yàn)原理，筆者提出瀝青“黏結(jié)性”的概念。瀝青黏結(jié)性定義為：瀝青與被黏物體緊密結(jié)合抵抗拉力破壞的能力，表現(xiàn)為力值較大，變形較小。瀝青的韌性是瀝青變形和斷裂過程中吸收能量的能力，表現(xiàn)為力值較小，變形較大。瀝青黏韌性是瀝青黏結(jié)性與韌性之和。在數(shù)值上，瀝青黏結(jié)性 =曲線ABCE的面積 =曲線ABCDF的面積－曲線CDEF的面積 =瀝青黏韌性－瀝青韌性，單位為N·m。表1為混合瀝青黏韌性試驗(yàn)結(jié)果。圖5為混合料浸水飛散損失與混合瀝青黏結(jié)性關(guān)系。

表1 混合瀝青黏韌性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of mixed bitumen toughness test

圖5 瀝青混合料浸水飛散損失與混合瀝青黏結(jié)性關(guān)系Fig.5 Relationship between bitumen toughness and Cantabro immersion scattering loss

圖5表明熱再生混合料的浸水飛散損失與混合瀝青黏結(jié)性存在良好的二次項(xiàng)關(guān)系，RAP摻量在30%時(shí)，混合瀝青黏結(jié)性較為合適，混合料抗水損害能力較好。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于浸水馬歇爾試驗(yàn)過程荷載為靜荷載，不能模擬水分對(duì)瀝青膜產(chǎn)生的機(jī)械沖刷及反復(fù)吸壓作用，穩(wěn)定度值所反映的主要是集料之間的嵌擠力，而對(duì)于瀝青與集料之間黏附力不敏感［4-8］，所以浸水馬歇爾試驗(yàn)不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)混合料水穩(wěn)定性。

凍融劈裂試驗(yàn)存在類似的缺陷，不過劈裂過程可以部分衡量混合料抗拉強(qiáng)度，比浸水馬歇爾試驗(yàn)合理一點(diǎn)。但筆者研究表明該試驗(yàn)結(jié)果無規(guī)律。

肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)通過浸水模擬瀝青老化，通過反復(fù)機(jī)械沖擊磕碰打磨考察混合料礦料嵌擠能力、瀝青老化后的黏結(jié)能力、抗剝離能力，用于檢驗(yàn)瀝青用量或黏結(jié)能力不足造成了路面集料脫落和散失的程度，能夠最大程度的模擬水損害過程?？纤わw散試驗(yàn)結(jié)果能夠與瀝青黏韌性性能很好的對(duì)應(yīng)。

日本標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)瀝青黏韌性和韌性做出了細(xì)致要求，例如高黏附性瀝青要求黏韌性≥16 N·m、韌性≥8N·m，高黏度改性瀝青黏韌性≥20 N·m、韌性≥5 N·m［12］，意味著只有在滿足瀝青韌性的前提下提高黏結(jié)性才有意義，二者必須協(xié)同一致才能保證瀝青混合料抗裂能力和防松散能力。而表2中混合瀝青性質(zhì)恰恰相反，隨著RAP用量提高，黏結(jié)性不斷提高，韌性不升反降。黏韌性雖然比普通瀝青提高了一倍以上，但主要是黏結(jié)性在提高，韌性貢獻(xiàn)很小甚至降低。分析認(rèn)為：

1)隨著RAP摻量增加舊瀝青增加，混合瀝青越來越硬，峰值拉力迅速增加，使得圖4中曲線ABCE的面積增大，黏結(jié)性在迅速提高。由于B點(diǎn)峰值拉力在試驗(yàn)開始后幾秒鐘內(nèi)就已經(jīng)達(dá)到，黏結(jié)性的增加主要是由于AB線段拉高，AE線段延長不多甚至在后期會(huì)降低。例如RAP摻量由45%提高到60%時(shí)，混合瀝青黏結(jié)性提高2%，峰值拉力卻提高66%，說明AE線段長度在縮短。

2)表1中，不摻RAP的全新AH-70瀝青、RAP摻量為30%和45%時(shí)的混合瀝青進(jìn)行黏韌性試驗(yàn)時(shí)樣品均能夠被拉伸至《規(guī)程》［10］規(guī)定的0.3 m。當(dāng)RAP摻量到達(dá)60%時(shí)，樣品在試驗(yàn)后期斷裂，導(dǎo)致圖4中CD線段縮短，曲線CDEF面積減小，韌性降低，使得混合瀝青黏結(jié)性是普通瀝青的250%，韌性卻是普通瀝青的80%。韌性降低意味著變形能力小吸收能量的作用弱，混合瀝青逐漸由黏彈性向脆性轉(zhuǎn)變，即使黏結(jié)性提高幅度很大，但是韌性降低引起的脆性破壞作用超過黏結(jié)性提高帶來的強(qiáng)化作用，最終混合料的表現(xiàn)是硬而脆，其抵抗機(jī)械沖擊能力下降，抗剝落性能降低。所以熱再生混合料浸水飛散損失在RAP摻量繼續(xù)提高后呈現(xiàn)出圖5的規(guī)律。

3 工程應(yīng)用

2010年12月—2011年1月，在廣東省廣惠高速公路廣州至惠州方向路段，鋪設(shè)了較高摻量RAP廠拌熱再生混合料試驗(yàn)路段，全長4 080 m。試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)方案，中面層(AC-20+30%RAP)+下面層(AC-25+30%RAP)、中面層(AC-20+30%RAP)+下面層(AC-25+45%RAP)、中面層(AC-20+45%RAP)+下面層(AC-25+45%RAP)。經(jīng)過連續(xù)兩年的密切監(jiān)測，試驗(yàn)路段經(jīng)過廣東省濕熱高溫氣候和大交通量的嚴(yán)酷考驗(yàn)，整體平整密實(shí)，無車轍無裂縫，表現(xiàn)良好。

4 結(jié)論

1)浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明熱再生混合料水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求;浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為熱再生混合料水穩(wěn)定性在RAP摻量為30%時(shí)略優(yōu)于普通瀝青混合料，RAP摻量為45%，60%時(shí)不如普通瀝青混合料;凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明RAP摻量為30%，45%，60%時(shí)熱再生混合料水穩(wěn)定性均優(yōu)于普通瀝青混合料。

2)浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果均表明熱再生混合料在RAP摻量為30%時(shí)，水穩(wěn)定性能最好。

3)肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)?zāi)茏畲蟪潭鹊哪M水損害過程，且與混合瀝青“黏結(jié)性”關(guān)系良好，可以用作評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法。

4)瀝青黏結(jié)性和韌性指標(biāo)可用于評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性。

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