不同廢舊材料熱再生瀝青混合料的疲勞性能

董玲云，黃剛，何兆益

(1.淮安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001;2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)*

0 引言

瀝青路面材料再生利用能夠節(jié)約大量筑路材料，節(jié)省工程投資，且有利于廢料處理，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境.回收的瀝青路面材料處于不同的交通荷載和氣候下，不同路段及不同使用情況下的瀝青路面材料的老化程度和疲勞特性衰減不同，在回收利用時(shí)，不同廢舊瀝青路面材料再生后的混合料疲勞特性會(huì)有很大差別［1］.筆者針對兩種老化程度不同的廢舊路面材料，分別進(jìn)行瀝青混合料再生和間接拉伸疲勞試驗(yàn)，尋找不同廢舊瀝青混合料的再生瀝青混合料的疲勞變化規(guī)律，為今后瀝青再生路面的研究提供參考.

1 材料

1.1 原材料

本文采用了A、B兩種廢舊瀝青混合料RAP(recycle asphalt pavement)，其中，A種廢舊瀝青混合料(RAP－A)取自重慶渝長高速公路;B種廢舊瀝青混合料(RAP－B)為重慶市江北區(qū)某市政道路廢舊瀝青混合料.兩種廢舊瀝青混合料均是經(jīng)銑刨機(jī)銑刨后運(yùn)至料場，按相同或類似特征的段落進(jìn)行堆放.并按照隨機(jī)取樣法進(jìn)行取樣后進(jìn)行相關(guān)性能測試.

根據(jù)廠拌熱再生的要求，對廢舊瀝青混合料RAP進(jìn)行全面調(diào)查，主要包括取樣方法和性能測試.本文研究所用的RAP材料是采用隨機(jī)取樣法取樣.取樣后進(jìn)行了RAP材料的瀝青回收試驗(yàn)，RAP瀝青含量試驗(yàn)、廢舊瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度及粘度試驗(yàn)，以及廢舊集料的篩分，密度及壓碎值等性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下表1.

表1 回收廢舊瀝青各指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

以廢舊瀝青混合料中廢舊瀝青的針入度來評價(jià)廢舊瀝青混合料的老化程度，廢舊瀝青的針入度愈小，則廢舊瀝青混合料老化程度愈深.由表1可以得到，RAP-B中廢舊瀝青的針入度明顯小于RAP-A中廢舊瀝青的針入度，也就是RAP-B中的瀝青老化程度要比舊料A中的瀝青老化程度嚴(yán)重.

表2 舊料級配和目標(biāo)級配

RAP材料中回收廢舊集料經(jīng)試驗(yàn)得粗集料表觀密度為 2.543 g/cm3，壓碎值為 21.6%，經(jīng)篩分后級配結(jié)果見表2.再生瀝青混合料級配采用AC-16C型，級配新瀝青各指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如下:指標(biāo)為70#基質(zhì)瀝青;針入度(25℃，0.1 mm)為 70;軟化點(diǎn)為50℃;延度(15℃，cm)＞100;135℃粘度為 0.3 Pa·s.

選用的新瀝青還要考慮新瀝青與老化舊瀝青的混溶性能，本文研究采用的廢舊瀝青混合料的老化程度不同，在研究中首先考慮采用與原舊混合料設(shè)計(jì)文件中相同的70#瀝青.其技術(shù)指標(biāo)如上所述，且滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40 －2O04)要求［2］.

確定舊料摻量后，根據(jù)其瀝青含量、針入度、集料性能和級配等各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的影響程度，在滿足規(guī)范要求的前提下，選擇適當(dāng)新集料.而新集料則遵循“就地取材”的原則，采用重慶本地所產(chǎn)的石灰?guī)r.

根據(jù)兩種不同的舊料集料級配篩分結(jié)果及《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的礦料級配要求，本文研究中的目標(biāo)級配見附圖.

附圖 舊料和AC-16目標(biāo)級配圖

1.2 再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

廠拌熱再生是將回收的舊瀝青混合料運(yùn)至瀝青拌合廠(場、站)，經(jīng)破碎、篩分后，根據(jù)舊瀝青混合料中的瀝青含量、集料級配和瀝青老化程度等情況，添加一定比例的新瀝青、新集料、再生劑(必要時(shí))等拌制成符合規(guī)定要求的瀝青混合料，按熱拌瀝青混合料施工工藝重新鋪筑瀝青路面的技術(shù).本文中若無特殊說明，再生瀝青混合料均為廠拌熱再生瀝青混合料.

廠拌熱再生瀝青混合料因摻加了相當(dāng)數(shù)量的舊瀝青路面材料，而使得在混合料的組成設(shè)計(jì)方法上，比普通瀝青混合料復(fù)雜得多.廠拌熱再生瀝青混合料通常有四個(gè)組成部分，分別為回收的廢舊瀝青混合料，新集料、新瀝青膠結(jié)料，有時(shí)候還包括再生劑等外加劑.在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要對舊瀝青路面材料進(jìn)行分析，需要確定RAP的摻量，再生劑的用量，新瀝青的用量，級配設(shè)計(jì)還受限于廢舊瀝青混合料的級配［3］.

根據(jù)以上材料的選擇，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40－2004)附B中的熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于再生瀝青混合料的復(fù)雜性，其設(shè)計(jì)也不完全按照規(guī)范方法進(jìn)行.

本文研究主要對兩種廢舊瀝青混合料進(jìn)行了如下配合比設(shè)計(jì):

(1)料A再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

針對不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的再生混合料，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》附錄B熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法，采用馬歇爾方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，控制空隙率為4% ～5%，得出舊料A再生混合料的最佳瀝青用量，新鮮瀝青混合料AC-16(RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)和RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別10%、30%、50%的再生AC-16最佳瀝青用量分別為 4.37%、4.38%、4.67%、4.94%，其瀝青用量包括RAP中的舊瀝青.

(2)舊料B再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

按照上述舊料A再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，得出舊料B再生瀝青混合料的最佳瀝青用量，新鮮瀝青混合料AC-16(RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)和RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別10%、30%、50%的再生AC-16最佳瀝青用量分別為 4.37%、4.56%、4.88%、5.11%，其中瀝青包括RAP中的舊瀝青.

以上設(shè)計(jì)的配合比在確定的最佳瀝青含量下均進(jìn)行高溫穩(wěn)定性，低溫抗裂性和水穩(wěn)定性檢驗(yàn)，各指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40－2004)中AC-16混合料的技術(shù)要求.

2 試驗(yàn)方法

2.1 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法

首先通過瀝青混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，確定進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)力比的強(qiáng)度值，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)采用馬歇爾試驗(yàn)方法成型試件，成型后試件兩端進(jìn)行切割處理，確保試件直徑101.6 mm，高度控制在(50±1)mm，加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度 15℃［4］.

按照《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20 －2011 T0734 －2000［5］)熱拌瀝青混合料加速老化方法對瀝青混合料進(jìn)行老化處理，即先將瀝青混合料放入(135±3)℃的烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)條件下加熱4h±5 min，模擬短期老化條件.然后按上述要求的試件尺寸和成型方法制作試件，將試件放入(85±3)℃的烘箱中，強(qiáng)制通風(fēng)條件下連續(xù)加熱(120±0.5)h，模擬長期老化條件.筆者后面所述的老化均為采用本方法的加速長期老化.

2.2 間接拉伸疲勞試驗(yàn)方法

本文參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12697－24:2003采用UTM-100伺服液壓多功能材料試驗(yàn)機(jī).對再生瀝青混合料進(jìn)行間接拉伸疲勞特性研究.試驗(yàn)采用應(yīng)力控制，加載波形為半正矢波(Haversine)，加載頻率為10Hz，試驗(yàn)荷載通過一個(gè)寬12.7 mm的加載壓條作用在試件上，試件預(yù)壓荷載為20 kPa，預(yù)壓時(shí)間30 s.試驗(yàn)溫度15℃，采用0.3、0.4 、0.5、0.6、0.7等5個(gè)應(yīng)力比，試驗(yàn)中以試件完全斷裂破壞為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn).間接拉伸疲勞試驗(yàn)試件和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸和加速老化方法完全相同［6］.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3可知，AC-16(RAP-A)的劈裂強(qiáng)度小于AC-16(RAP-B)的劈裂強(qiáng)度，這是因?yàn)镽AP-B要比RAP-A老化的嚴(yán)重的多.舊料中的瀝青在老化的過程中，瀝青組分會(huì)發(fā)生移行轉(zhuǎn)化，瀝青組分移行轉(zhuǎn)化越明顯，瀝青老化程度后，瀝青的針入度就會(huì)減小，軟化點(diǎn)升高，延度降低.通常將廢舊瀝青混合料中廢舊瀝青的針入度大小來表征混合料的老化程度，若廢舊瀝青針入度越小，則老化程度越嚴(yán)重，反之，老化程度較輕.RAP-A的針入度為40(25℃，0.1 mm)，而 RAP-B 的針入度僅為 21(25℃，0.1 mm)，RAP-B 要比 RAP-A 老化的嚴(yán)重，廢舊瀝青更硬更脆，故劈裂強(qiáng)度會(huì)更高.

表3 再生AC-16劈裂強(qiáng)度

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

舊料中瀝青的老化程度對再生瀝青混合料的疲勞壽命有所影響.舊料中，RAP-A回收廢舊瀝青的針入度為40(25℃，0.1 mm)，RAP-B 回收廢舊瀝青的針入度為21(25℃，0.1 mm)，以回收廢舊瀝青的針入度來評價(jià)廢舊瀝青混合料的老化程度，則RAP-A的老化程度要小于RAP-B的老化程度.15℃相同應(yīng)力比下，AC-16(RAP-A)的疲勞壽命次數(shù)要大于AC-16(RAP-B)，有此簡單對比可知，舊料中瀝青的老化程度越嚴(yán)重，其再生后再生瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)就越小.

對AC-16(RAP-B)疲勞試驗(yàn)結(jié)果采用以下方法進(jìn)行單對數(shù)方程回歸:

式中，(σ/s)為應(yīng)力水平;系數(shù)n值反映了再生混合料疲勞壽命對所施加應(yīng)力的敏感程度，n值越大表明疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度越大;系數(shù)k值代表了疲勞曲線的位置，k值越大曲線越靠向上方，表明材料的抗疲勞性能越好.疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 老化前再生AC－16(RAP－B)15℃ 疲勞方程

由上表可知，相同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，再生瀝青混合料AC－16(RAP－B)的疲勞方程系數(shù)k值和n值要小于AC－16(RAP－A)，且中RAPB廢舊瀝青針入度大于RAP－A，說明RAP材料老化越嚴(yán)重，其再生瀝青混合料的疲勞壽命越短，對應(yīng)力的敏感性也就越低.

表5數(shù)據(jù)為摻加不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的再生瀝青混合料的疲勞方程系數(shù)(k/n)和新鮮瀝青混合料疲勞方程系數(shù)(k/n)的比值的百分比，以表征RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)對再生瀝青混合料疲勞壽命的影響.

表5 老化前再生AC－16疲勞壽命比Nf

由表5可知，老化程度不同的廢舊瀝青混合料再生后，其再生瀝青混合料的疲勞壽命比也不相同.RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，老化較嚴(yán)重的RAP-B再生AC-16(RAP-B)的疲勞壽命比要比老化程度較輕的RAP-A再生AC-16(RAP-A)疲勞壽命比大，如RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)同為50%時(shí)，AC-16(RAP-A)的 Nf(k)為 87.61%，而 AC-16(RAP-B)的 Nf(k)為83.88%;而 Nf(n)則相差更大，AC-16(RAP-A)為77.06%，AC-16(RAP-B)則為65.30%，可見關(guān)于RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)對再生瀝青混合料的影響，老化程度嚴(yán)重的RAP材料的影響要大于老化程度較輕的RAP材料.

對再生瀝青混合料AC-16(RAP-B)按照第二章所述加速老化方法進(jìn)行老化，再次進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6.

表6 老化后再生AC-16(RAP-B)疲勞方程

表7數(shù)據(jù)為老化前后疲勞方程系數(shù)的差值和老化前疲勞方程系數(shù)的比值的百分比，以表征老化前后再生瀝青混合料疲勞壽命的損失程度.

表7 再生AC-16老化前后疲勞壽命損失率對比

由表5～7可知:

(1)不論哪一種廢舊瀝青混合料，其再生瀝青混合料老化后的疲勞壽命都比老化前降低;

(2)對比表6和表7可知，再生AC-16(RAPB)老化后的疲勞方程系數(shù)要小于再生AC-16(RAP-A)，說明舊料老化程度嚴(yán)重的再生瀝青混合料老化后的疲勞壽命和應(yīng)力敏感性低于舊料老化程度較輕的再生瀝青混合料;

(3)對比老化前后兩種不同舊料的再生瀝青混合料的疲勞壽命損失率可知，再生瀝青混合料老化后疲勞壽命損失率F(k)要大于新鮮瀝青混合料(RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%).對于F(k)，相同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)(除30%)，再生AC-16(RAP-A)的F(k)要小于再生AC-16(RAP-A)的F(k)，說明舊料老化程度越嚴(yán)重，其再生混合料疲勞壽命隨老化而降低的幅度越大.再生AC-16(RAP-A)的F(k)隨再生瀝青混合料RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加;而再生AC-16(RAP-A)的F(k)隨RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后減少再增加，在RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)到達(dá)最小值，RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%再生AC-16(RAP-A)的F(k)和新鮮瀝青混合料相差不大.再生瀝青混合料老化前后疲勞特性的變化由于RAP材料的不同而不同;

(4)對于F(n)，相同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，再生AC-16(RAP-A)的F(n)要小于再生AC-16(RAPA)的F(n)，說明舊料老化程度越嚴(yán)重，其再生混合料疲勞壽命對應(yīng)力的敏感性隨老化而降低的幅度越大.兩種不同舊料的再生瀝青混合料的F(n)隨RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后減少再增加，同樣在RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%處最小.

結(jié)合兩種不同舊料試驗(yàn)結(jié)果分析可知，要保證再生瀝青混合料老化后的疲勞壽命，再生瀝青混合料RAP最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜大于30%.

4 結(jié)論

(1)RAP老化程度嚴(yán)重的AC-16(RAP-B)的劈裂強(qiáng)度大于RAP老化程度較輕的AC-16(RAPA)的劈裂強(qiáng)度;

(2)RAP材料老化越嚴(yán)重，其再生瀝青混合料的疲勞壽命越短，對應(yīng)力的敏感性也就越低;

(3)舊料老化程度嚴(yán)重的再生瀝青混合料老化后的疲勞壽命和應(yīng)力敏感性低于舊料老化程度較輕的再生瀝青混合料;

(4)舊料老化程度越嚴(yán)重，其再生混合料疲勞壽命對應(yīng)力的敏感性隨老化而降低的幅度越大.兩種不同舊料的再生瀝青混合料的F(n)隨RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后減少再增加，同樣在RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%處最小;

(5)經(jīng)過試驗(yàn)研究可知，要保證再生瀝青混合料老化后的疲勞壽命，再生瀝青混合料RAP最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜大于30%.

［1］薛彥卿，黃曉明.廠拌熱再生瀝青混合料力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14(8):507-511.

［2］中華人民共和國交通部.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

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