回收瀝青混合料用于路面中面層的研究

張 寧，李 志，胡 淼

(1.德州公路管理局 濟聊高速公路齊河管理處，山東 德州 251100;2.山東交通學院 土木工程學院，山東 濟南 250357;3.諸城市財政投資評審中心，山東 諸城 262200)

濟南—聊城高速公路(濟聊高速)始建于1996年，2005年全線路面大修，瀝青面層分層銑刨，銑刨的瀝青混合料材料稱為回收瀝青混合料廢料(RAP)。本文以濟聊高速RAP材料為研究對象，對其中的瀝青、集料和不同RAP質量分數的熱再生混合料(HMA)性質進行研究，根據路面各層作用和特點［1］，建議熱再生RAP用于中面層［2］，并從受力角度對中面層的厚度和RAP的質量分數進行優(yōu)化［3］。

1 摻加RAP的瀝青混合料性能

為探討摻加RAP的質量分數對瀝青混合料性能影響程度，以路面中面層(AC－20密級配類型)為例，將RAP分別按0、30%、50%、70%的質量分數進行摻加，并進行級配設計。

按馬歇爾試驗得到最佳油石質量比，見表1。按照設計配合比制作試件，進行各種性能的檢測試驗［4－9］。

1.1 力學性能

力學性能以馬歇爾穩(wěn)定度和流值為指標，檢測結果見表2。

由表2可知，添加RAP的HMA穩(wěn)定度得到提高，RAP的質量分數小于30%提升最快，穩(wěn)定度增加18%，RAP的質量分數為30% ～50%時穩(wěn)定度提升6.6%，超過50%后穩(wěn)定度有所下降，但仍然比不摻加RAP的高，說明摻加RAP的HMA的高溫穩(wěn)定性較好。RAP質量分數不超過70%都能滿足要求。

表1 不同RAP的質量分數的中面層HMA最佳瀝青用量表

表2 不同RAP的質量分數的中面層HMA力學指標對比表

1.2 水穩(wěn)定性能

以殘留穩(wěn)定度為指標進行水穩(wěn)定性能檢測，檢測結果見表3。

由表3可知，隨著RAP的質量分數的增加，殘留穩(wěn)定度逐漸減小，RAP的質量分數為0～30%時殘留穩(wěn)定度下降不明顯，降低了0.5%;RAP的質量分數為30% ～50%時殘留穩(wěn)定度迅速降低，降低了5.1%。RAP的質量分數＜30%時，水穩(wěn)定性基本與新混合料相同。

表3 不同RAP的質量分數的中面層HMA的水穩(wěn)定性對比

1.3 高溫穩(wěn)定性

以動穩(wěn)定度為高溫穩(wěn)定性指標，進行試驗檢測，試驗溫度為60℃，試驗荷載為0.7 MPa，結果見表4。

高溫穩(wěn)定性隨RAP的質量分數的增加基本呈線性增長，均符合規(guī)范要求。RAP的質量分數越高，高溫穩(wěn)定性越好。

1.4 低溫穩(wěn)定性

以低溫彎曲破壞應變?yōu)榈蜏胤€(wěn)定性指標，試驗溫度為－10℃，試驗加載速率為50 mm/min，檢測結果見表5。

HMA的低溫彎曲破壞應變隨RAP質量分數的增大呈線性明顯降低，RAP的質量分數為50%時已基本接近規(guī)范規(guī)定。所以從低溫性能角度考慮，RAP的質量分數不宜超過50%。

綜合以上各指標要求，并考慮到經濟性能，RAP的質量分數應該控制在30%以下，最大不能超過50%。

表4 不同RAP的質量分數的中面層HMA動穩(wěn)定度結果

表5 不同RAP的質量分數的中面層HMA低溫彎曲破壞應變結果

2 不同RAP質量分數的HMA應用于中面層的路面結構優(yōu)化設計

路面面層結構一般分為上、中、下3層，每層都有各自的作用和特點，上面層主要承受壓應力、剪應力作用，易發(fā)生車轍、推移、擁包和開裂現象;中面層以受剪應力為主，是車轍發(fā)生的主要層位;下面層受拉應力和剪應力作用，易產生彎拉疲勞開裂，是控制面層疲勞壽命的層位。從抵抗環(huán)境影響分析，上面層材料需要足夠的密水和抗水損害的性能;中面層主要考慮水損害的性能;下面層主要考慮層間的接觸條件惡化和水損害功能［10－12］。

摻加RAP的HMA混合料的高溫穩(wěn)定性比較好、低溫抗裂性較差、抗水損性能一般，結合各層位特點和作用，認為摻加RAP的HMA混合料用于中面層比較合理［13］。

本文以彈性層狀體系理論為基礎，利用Bisar軟件，對不同的混合料應用于中面層時進行受力計算，對摻加RAP材料的中面層混合料進行抗壓彈性模量和劈裂強度試驗，結果見表6。其它層位材料指標參考以往試驗數據，見表7。

表6 不同RAP質量分數的中面層瀝青混合料參數

2.1 設計指標計算結果分析

經過計算，得到不同中面層厚度與不同RAP質量分數時各路面的設計指標值，結果見表8。

由表8可以看出，RAP應用于中面層時，計算彎沉隨中面層厚度增加而呈線性減小;隨著RAP質量分數的增加，計算彎沉也在減小，減小的速率開始比較大，中間比較穩(wěn)定，當RAP的質量分數＞70%時降幅增加?？傮w來說，中面層厚度的影響遠遠大于RAP的質量分數的影響。當中面層厚度＜60 mm時，無法達到設計要求?；鶎訉拥鬃畲罄瓚?、面層層底最大拉應變和路基頂面最大壓應變變化規(guī)律基本與彎沉相似，受中面層厚度的影響比RAP的質量分數的影響大，效果更明顯，但都符合設計要求。出于經濟性和常用結構形式考慮，中面層取60 mm，若只考慮受力效果，RAP的質量分數可以取70%的高限。

表7 結構層材料計算用參數

表8 不同中面層厚度與不同RAP質量分數時設計指標計算值

2.2 剪應力指標計算結果分析

剪應力一般不作為設計控制指標，但研究表明［14－15］，剪應力直接影響路面車轍，本文對剪應力進行計算，并對其變化規(guī)律進行分析，結果見表9。

由表9可知，上面層最大剪應力為5.5～6.2 kPa，隨著中面層厚度的增加而減小。中面層厚度≤80 mm時，上面層最大剪應力隨RAP的質量分數的增加而減小;中面層厚度＞80 mm，則增大。單純考慮減小上面層剪應力，則增加中面層厚度或者增大RAP的質量分數，在中面層厚度≤80 mm時，RAP的質量分數影響較大。

中面層的最大剪應力為19.5～25 kPa，隨著中面層厚度和RAP的質量分數的增加而增加，RAP的質量分數影響相對較小。從減小中面層剪應力角度考慮，適當減小中面層厚度效果比較好。

表9 面層剪應力計算結果

下面層最大剪應力為29～30 kPa，隨RAP的質量分數增加而增大;中面層厚度≤80 mm時，下面層剪應力隨中面層厚度增加而增大，中面層厚度超過80 mm時，對下面層的剪應力基本沒影響。

考慮到中面層作為車轍產生的主要層位，需要較強的抗剪切能力，或者在層中只產生較小的剪應力。本文中面層厚度取60 mm時，RAP的質量分數不超過30%，此時既節(jié)約成本又能大幅提高抗車轍能力。

3 結論

1)綜合考慮HMA的高低溫穩(wěn)定性能、抗水損性能和經濟性能，RAP的質量分數宜＜30%，最大不能超過50%。

2)結合路面結構各層位的作用和特點，摻加RAP的HMA宜用在中面層。

3)分析路面結構受力結果，隨著中面層厚度的增加，路表彎沉、路基頂面最大壓應變、路面層底最大拉應變和基層層底最大拉應力都降低;隨RAP的質量分數的增加，路表彎沉、路基頂面最大壓應變減小，面層層底最大拉應變增加，基層層底最大拉應變基本不變。各指標對中面層厚度的變化更敏感。

4)各層最大剪應力的變化規(guī)律各不相同:上面層最大剪應力隨中面層厚度增加而減小，中面層厚度≤80 mm時，隨RAP的質量分數的增加而減小;中面層最大剪應力隨中面層厚度和RAP的質量分數增加而增加;中面層厚度≤80 mm時，下面層剪應力隨中面層厚度和RAP的質量分數增加而增長，超過80 mm基本沒影響。從路面結構抗車轍能力考慮，建議中面層厚度取60 mm，RAP的質量分數不超過30%。

5)建議RAP的質量分數為30%的HMA適用于中面層，厚度不宜＜60 mm。

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