溫拌再生瀝青混合料的壓實特性研究

紀小平， 許 輝， 侯月琴， 譚學章

（1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安710064；2.甘肅省公路管理局，甘肅蘭州730030；3.甘肅省高等級公路建設(shè)開發(fā)有限公司，甘肅蘭州730030）

路面再生技術(shù)能實現(xiàn)廢舊瀝青路面材料（RAP）的循環(huán)再生利用，作為一種綠色交通技術(shù)而被廣泛應用[1－3].目前，國際上已形成了一套較完整的設(shè)計、評價和施工方法，并達到規(guī)范化程度，但仍有一些技術(shù)問題需要解決.考慮到瀝青的二次老化，熱拌再生瀝青混合料中RAP的摻配量受到嚴格限制[4－6]，而瀝青混合料的溫拌技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在相對較低的溫度下進行拌和與碾壓，較熱拌瀝青混合料低30～50℃.因此，將溫拌與再生技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，不僅能大幅提高RAP的使用比例，而且能實現(xiàn)在較低溫度下的拌和與壓實，從而達到RAP循環(huán)利用和節(jié)能減排的雙重目的[7－8].溫拌再生瀝青混合料（WMRA）是一種新型的環(huán)保型材料，國內(nèi)外仍處于探索階段.

本文以WMRA為研究對象，通過室內(nèi)試驗和理論分析，展開成型溫度確定和壓實特性的研究，為施工過程的溫度與壓實控制提供參考，有利于新材料的推廣應用.

1 原材料和混合料設(shè)計

采用離心式抽提法檢測RAP中的瀝青油石比為4.93%1））本文所涉及的比值、摻配量等除特別說明外均為質(zhì)量比或質(zhì)量分數(shù).，并分離出舊集料，其技術(shù)性質(zhì)見表1.采用阿布森法回收RAP中的瀝青，新瀝青為克拉瑪依90號基質(zhì)瀝青，兩者的技術(shù)指標見表2.采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計測試回收瀝青與新瀝青在不同溫度下的黏度，用于分析混合料的拌和與成型溫度，見表3.新集料為玄武巖，其技術(shù)指標見表4.

表1 回收集料的技術(shù)性質(zhì)Table 1 Technical indexes of recycled aggregate

表2 瀝青技術(shù)性質(zhì)Table 2 Technical indexes of asphalts

表3 瀝青黏度Table 3 Viscosity of asphalts Pa·s

采用2種溫拌劑進行對比研究.一種為美德維實偉克的Evotherm，國內(nèi)也稱DAT，其原理是將化學表面活性劑配置成皂液的形式直接加入拌和缸，通過水膜的潤滑作用提高混合料的流動性，使混合料易于碾壓密實，降溫幅度能達30～50℃，摻量為瀝青質(zhì)量的5%.另一種為HPAS，由表面活性劑和低分子聚合物共聚得到，具有良好的耐高溫性，通過調(diào)節(jié)主鏈長度，可有效降低瀝青高溫黏度，同時其中定量的表面活性劑可以降低石料間的摩擦.HPAS摻量為瀝青質(zhì)量的5%，降溫幅度與DAT相當.

表4 新集料技術(shù)性質(zhì)Table 4 Technical indexes of new aggregate

選用AC－20型混合料，RAP摻配量分別為10%，30%和50%.將粗、細集料篩分成單粒級再進行回配，可將不同RAP摻配量的礦質(zhì)混合料級配設(shè)計成同一級配，見表5所示.理論法預估再生瀝青混合料的油石比為4.6%.

采用旋轉(zhuǎn)壓實儀（SGC）成型試件，主要基于以下考慮：（1）NCAT的研究成果表明，采用旋轉(zhuǎn)壓實成型確定的液體類溫拌劑的降溫幅度與現(xiàn)場的更接近；（2）旋轉(zhuǎn)壓實儀能實時記錄不同壓實次數(shù)下的試件高度，進一步獲取不同壓實次數(shù)下的密實度.SGC成型參數(shù)如下：壓力600kPa，旋轉(zhuǎn)角度1.25°，旋轉(zhuǎn)速度30r／min；初始旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)Nini為8次、設(shè)計旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)Ndes為100次、最大旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)Nmax為160次.

表5 再生瀝青混合料的級配Table 5 Design gradation of reclaimed mixtures

2 WMRA拌和與成型溫度的確定方法

與熱拌混合料不同，WMRA的拌和溫度還與新集料的加熱溫度、RAP摻配量和溫拌降溫幅度有關(guān).參考筆者以前的研究成果，提出WMRA拌和與成型溫度、新集料加熱溫度的確定方法.本文中不同類型混合料的SGC成型溫度統(tǒng)一采用計算值，以排除因采用非最佳成型溫度而對壓實特性參數(shù)造成的影響.在熱拌再生瀝青混合料（HMRA）的基礎(chǔ)上，結(jié)合溫拌劑的降溫效果，提出WMRA拌和與成型溫度的確定方法：

步驟1：HMRA拌和與成型溫度的確定 再生瀝青混合料的拌和與成型溫度應由再生瀝青的復合黏溫曲線確定，如式（1）[9].采用式（1）計算黏度分別為（170±20）mPa·s，（280±30）mPa·s所對應的溫度為HMRA的最佳拌和溫度t1與成型溫度t2.

式中：ηm為再生瀝青的黏度，mPa·s；t為溫度，℃；a0，b0分別為回收瀝青的黏溫參數(shù)；as，bs分別為新瀝青的黏溫參數(shù)；x為回收瀝青與再生瀝青的質(zhì)量比.

步驟2：WMRA拌和與成型溫度的確定 根據(jù)溫拌劑的降溫幅度Δt，確定WMRA的最佳拌和溫度twm＝t1－Δt和成型溫度twc＝t2－Δt.

步驟3：新集料加熱溫度的確定 RAP因新集料的熱量傳導而達到目標拌和溫度，RAP摻配量越大意味著需要越高的新集料加熱溫度.采用式（2）計算新集料的加熱溫度[9]：

式中：ta為新集料的加熱溫度，℃；wa，wR，wf分別為新集料、RAP、礦粉的質(zhì)量分數(shù)，%；ca，cR，cf分別為新集料、RAP、礦粉的比熱容，kJ／（kg·℃）；tR，tf分別為RAP、礦粉的初始溫度，℃；r為RAP的摻配量，%.

按照上述方法，計算本文SGC成型試件的新集料加熱溫度、混合料拌和與成型溫度，步驟如下：

（1）根據(jù)表3中的瀝青黏度，回歸得到新瀝青與回收瀝青的黏溫曲線，如式（3），（4）：

式中：ηs，ηo分別為新瀝青和回收瀝青的黏度，mPa·s.

（2）當RAP摻配量分別為10%，30%和50%時，再生瀝青混合料中新瀝青與回收瀝青的質(zhì)量比ms∶mo分別為0.90∶0.10，0.69∶0.31，0.49∶0.51；結(jié)合式（1），（3）和（4），進一步推導再生瀝青的復合黏溫曲線為：

式中：η10，η30，η50分別為RAP摻配量為10%，30%和50%時混合料中再生瀝青的黏度，mPa·s.

（3）依據(jù)復合黏溫曲線計算黏度為170，280mPa·s所對應的溫度，得到HMRA的拌和與成型溫度.

（4）DAT和HPAS的降溫幅度為30℃，用HMRA的拌和溫度與成型溫度減去降溫幅度，即可得到WMRA的拌和溫度與成型溫度.

（5）根據(jù)式（2）計算確定新集料的加熱溫度.

最終確定的溫度結(jié)果見表6所示（表6中的HR－10，HR－30，HR－50分別代表RAP摻配量為10%，30%，50%的熱拌再生瀝青混合料；WR－10（D），WR－30（D），WR－50（D）分別代表RAP摻配量為10%，30%，50%的DAT溫拌再生瀝青混合料；WR－10（H），WR－30（H），WR－50（H）分別代表RAP摻配量為10%，30%，50%的HPAS溫拌再生瀝青混合料）.按照表6中的溫度進行新集料加熱、混合料拌和與成型.

表6 混合料的拌和與成型溫度Table 6 Mixing and compaction temperature of mixtures

3 WMRA的空隙率

空隙率（VV）能直觀反映混合料的密實程度，對不同混合料的VV展開對比分析，以評價WMRA的可密實性及溫拌劑的降溫效果.測試SGC成型試件在旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為Ndes時的相對毛體積密度γ，并計算空隙率VV，礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA，結(jié)果見表7.由表7可知：

（1）隨著RAP摻配量的增大，在新集料加熱溫度和成型溫度大幅提高的情況下，VV仍大幅增大.這是因為隨著新集料加熱溫度的提高，瀝青老化趨于嚴重，使得瀝青的流動性大大降低，進而影響混合料的和易性.

（2）當RAP摻配量為10%時，WMRA的空隙率略小于HMRA，說明2種溫拌劑的降溫效果略高于30℃.

（3）當RAP摻配量為50%且成型溫度一致時，摻DAT的WMRA空隙率是7.7%，摻HPAS的WMRA空隙率是4.3%，說明2種溫拌劑具有不同的加熱穩(wěn)定性，相比而言HPAS具有較好的加熱穩(wěn)定性.究其原因可能是DAT中的水微粒結(jié)構(gòu)在高溫條件下?lián)p失進而使其失去了潤滑作用，進一步導致混合料不易密實成型[8].

表7 混合料的體積參數(shù)Table 7 Volume parameters of mixtures

4 WMRA的壓實特性

4.1 瀝青混合料壓實特性的分析參數(shù)

SGC成型試件的密實曲線可以反映混合料在不同階段的壓實特性，一般采用壓實能量指數(shù)CEI，交通密實指數(shù)TDI，密實曲線的兩個斜率K1，K2這4個指標來評價[10－12].

壓實能量指數(shù)CEI是指在攤鋪與碾壓過程中，攤鋪機和壓路機將混合料壓實到指定密實度時所需做的功.通常用將混合料從松散狀態(tài)壓實到92%密實度的密實曲線面積來計算，如圖1.CEI越大，說明混合料的和易性越差且不易被壓實.

圖1 壓實能量指數(shù)Fig.1 Compaction energy indexes

交通密實指數(shù)TDI是指在開放交通后，在交通荷載的反復作用下混合料被壓密到極限密實度時所需做的功.通常用密實度為92%～98%的密實曲線面積來表征.TDI越大，在開放交通后路面抵抗變形的能力越大.

斜率K1為半對數(shù)坐標中Nini至Ndes范圍內(nèi)密實曲線的平均斜率，可反映混合料的壓實速率，采用式（8）計算.K1越大，說明混合料被碾壓至一定密實度時所需的次數(shù)越小，碾壓速率就越大.

式中：γdes，γini分別為旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為Ndes和Nini時的混合料密實度，%.

斜率K2為直角坐標系中壓實曲線Ndes至Nmax范圍內(nèi)密實曲線的平均斜率，同TDI一樣，用以反映混合料在開放交通后抵抗變形的能力.K2越大，混合料抗變形能力就越差.

4.2 結(jié)果與分析

記錄在不同旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下9種混合料的試件高度，通過計算得到密實度曲線；通過擬合分析，將密實度曲線擬合成指數(shù)函數(shù)[13]，用于后續(xù)的壓實特性分析，結(jié)果見表8所示.

不同混合料的壓實能量指數(shù)CEI如圖2所示.由圖2可知：（1）隨著RAP摻配量的增大，在新集料加熱溫度和成型溫度大幅提高的情況下，CEI逐漸增大，混合料難被壓實.這是因為隨著RAP摻配量的增加，再生瀝青混合料中的新瀝青含量逐漸減小，混合料的和易性降低；隨著RAP摻配量的提高，新集料的加熱溫度也隨之提高，導致瀝青過度老化，瀝青的黏度提高而流動性降低.（2）加入溫拌劑后，在拌和溫度和成型溫度降低30℃的情況下，CEI總體上具有降低趨勢.這是因為較低的拌和溫度減弱了瀝青的老化，使得碾壓密實趨于容易，另外也反映出2種溫拌劑的降溫幅度略高于30℃.

表8 密實度計算式Table 8 Formula of densification

圖2 不同混合料的CEIFig.2 CEI of mixtures

不同混合料的K1值如圖3所示.由圖3可知：（1）K1值隨著RAP摻配量的增大而逐漸降低，說明RAP摻入過多會降低再生瀝青混合料的壓實速率.（2）HMRA，DAT溫拌再生瀝青混合料和HPAS溫拌再生瀝青混合料的K1均值分別為7.1，7.1，7.0%／次，三者基本一致，說明溫拌劑對碾壓速率基本無影響.

不同混合料的K2值和交通密實指數(shù)TDI如圖4，5所示.由圖4，5可知：（1）隨著RAP摻配量的提高，K2值變小、TDI變大，說明在開放交通后混合料抵抗變形的能力逐漸增大.這是由再生瀝青中含有更多的老化瀝青導致其黏度偏高引起的.（2）HMRA，DAT溫拌再生瀝青混合料和HPAS溫拌再生瀝青混合料的K2均值分別為0.029，0.027， 0.028%／次，三者基本一致，說明溫拌劑對開放交通后混合料抵抗變形的能力基本無影響.

圖3 不同混合料的K1值Fig.3 K1value of mixtures

圖4 不同混合料的K2值Fig.4 K2value of mixtures

圖5 不同混合料的TDIFig.5 TDI of mixtures

5 結(jié)語

（1）當拌和溫度和成型溫度降低30℃時，WMRA的空隙率略小于HMRA，說明溫拌劑的降溫效果在30℃左右.

（2）隨著RAP摻配量的提高，密實曲線斜率K1，K2值降低，VV，CEI和TDI逐漸增大，表明再生瀝青混合料的可壓實性和壓實速率逐漸降低、開放交通后抵抗變形的能力逐漸增加.

（3）當拌和溫度和成型溫度降低30℃時，WMRA的VV和CEI均值略小于HMRA，說明溫拌劑大大提高了混合料的和易性.

（4）HMRA，DAT溫拌再生瀝青混合料和HPAS溫拌再生瀝青混合料的K1，K2和TDI均值基本一致，說明溫拌劑對混合料的碾壓速率和抗變形能力基本無影響.

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