RAP摻量對熱再生瀝青混合料水溫耐久性能的影響

姜嚴(yán)旭, 顧興宇, 周 洲

(東南大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

目前,瀝青路面再生技術(shù)被廣泛地運用于路面養(yǎng)護與維修工程中.然而,在瀝青混合料中使用高摻量舊料(RAP摻量大于25%),尤其是在高速公路表面層混合料中使用高摻量舊料的情況仍然較少[1],主要原因在于使用高摻量舊料的熱再生瀝青混合料在車輛荷載和自然環(huán)境長期作用下的疲勞開裂、低溫斷裂和水損害等耐久性能存在疑問[2-3].RAP在多年的路面使用中經(jīng)受了長期的自然環(huán)境及行車荷載的作用,材料老化嚴(yán)重,對再生混合料的耐久性能有著顯著的影響.

國外學(xué)者對通過鋪筑試驗路進行跟蹤觀測,發(fā)現(xiàn)相比于新瀝青路面,再生瀝青路面有著更多的疲勞裂縫、縱縫、橫縫及更快的開裂速率[4-8].由于熱再生技術(shù)在國內(nèi)使用時間不長,國內(nèi)學(xué)者主要研究熱再生瀝青混合料的基本性能,但結(jié)論并不一致,且尚未有學(xué)者研究再生瀝青混合料在荷載和水溫共同作用情況下的耐久性能.為此,本研究考慮在荷載和水溫共同作用條件下,研究不同RAP摻量熱再生瀝青混合料的耐久性能,以期為熱再生工程設(shè)計中選擇合理的RAP摻量提供參考.

1 試驗方案

本研究主要分析熱再生瀝青混合料在不利自然環(huán)境影響下的性能退化,評價荷載作用下抵抗水損害、車轍和開裂(低溫開裂和疲勞開裂)等病害的能力.考慮的不利自然環(huán)境為水溫循環(huán)作用,因此,在室內(nèi)采用凍融循環(huán)來模擬水溫作用,通過多次凍融循環(huán)來體現(xiàn)長期水溫作用對再生混合料的影響.凍融循環(huán)的養(yǎng)生條件按照J(rèn)TG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》要求,采用以下3種方案，即不經(jīng)過凍融循環(huán)、凍融循環(huán)1次和凍融循環(huán)3次.然后,將試件分別進行劈裂試驗、動態(tài)蠕變試驗、半圓彎曲試驗和間接拉伸疲勞試驗來評價再生混合料的水損害、高溫變形、低溫開裂和疲勞開裂的耐久性能.試驗均在UTM-25試驗機上完成.

2 試驗材料

RAP摻量分別為0,15%,30%,40%和50%等5種.RAP來源于江蘇省某高速公路養(yǎng)護工程中面層銑刨料,級配類型為AC-13.RAP油石比為4.7.對于高舊料摻量(摻量≥30%)瀝青混合料,使用再生劑將老化瀝青恢復(fù)至新瀝青的性能水平,再生劑摻量根據(jù)試驗結(jié)果確定,為舊料瀝青質(zhì)量的2%.新集料中的粗集料為玄武巖,新瀝青為SBS改性瀝青,材料的技術(shù)指標(biāo)及實測結(jié)果如表1所示,均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求.使用馬歇爾設(shè)計方法進行瀝青混合料設(shè)計,得到的再生瀝青混合料和新瀝青混合料的級配組成如表2所示.全新料的最佳油石比為5.0%,其他4種摻量的熱再生瀝青混合料的最佳油石比依次為4.9%,4.9%,5.0%和5.0%.采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件,試件的設(shè)計空隙率為5%.

表1 試驗材料技術(shù)指標(biāo)及實測結(jié)果

表2 瀝青混合料級配組成

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 水穩(wěn)定性

將所有試件在25 ℃水槽中養(yǎng)生3 h,然后測試劈裂強度,即間接拉伸強度(IDT),以未凍融試件的IDT為基準(zhǔn),分別計算1次和3次凍融循環(huán)的凍融劈裂強度比(TSR),用以評價混合料的抗水損害性能,每組試驗采用4個平行試件,取平均值作為試驗結(jié)果,如表3所示.

表3 凍融循環(huán)下劈裂試驗結(jié)果

由表3可知:0次和1次凍融循環(huán)后,再生混合料劈裂強度比新瀝青混合料大,這主要是因為再生混合料內(nèi)層老化瀝青在礦料表面形成了黏度較大的強作用界面,使得水分很難滲入而導(dǎo)致的;但是經(jīng)3次凍融后,再生混合料的劈裂強度均出現(xiàn)了大幅度下降,明顯低于新瀝青混合料,說明3次凍融循環(huán)對再生混合料中瀝青與集料的黏結(jié)有較大的損害作用.對比1次凍融循環(huán)后5種混合料的TSR,發(fā)現(xiàn)TSR均大于0.8,且再生混合料的TSR大于新料;但是3次凍融循環(huán)后,發(fā)現(xiàn)再生混合料的TSR均小于新料,可能是由于老化瀝青與集料的黏附性不如新瀝青,在多次凍融循環(huán)下,再生混合料中瀝青與集料之間黏結(jié)力的下降幅度比新瀝青大,從而導(dǎo)致再生混合料的水穩(wěn)定性明顯低于新瀝青混合料.同時,也說明采用1次凍融循環(huán)后的TSR來評價再生混合料的水穩(wěn)定性具有一定的局限性.

3.2 凍融后高溫性能

采用動態(tài)蠕變試驗評價在水溫循環(huán)條件下不同RAP摻量的混合料的高溫變形耐久性能.動態(tài)蠕變試驗的試驗溫度為60 ℃,軸向壓力為0.7 MPa,采用直徑100.0 mm、高100.0 mm的圓柱體試件.試驗終止條件為荷載作用達(dá)到10 000次、軸向累積微應(yīng)變達(dá)到50 000或蠕變曲線進入第3階段.每組試驗采用2個平行試件,取平均值作為試驗結(jié)果.動態(tài)蠕變試驗以累積永久變形曲線第2階段的斜率、流變次數(shù)(FN)及對應(yīng)的累積永久應(yīng)變εp(FN)為評價指標(biāo),結(jié)果如表4所示.

由表4可知:0次凍融循環(huán)后,15%RAP摻量混合料的高溫性能好于未摻RAP的混合料,說明一定量的RAP對瀝青混合料的高溫性能有提升作用;當(dāng)RAP摻量進一步提升時,再生混合料的高溫性能比新瀝青混合料差,這是因為再生劑的加入起到軟化效果造成的.

表4 凍融循環(huán)下動態(tài)蠕變試驗結(jié)果

經(jīng)過凍融循環(huán)后,所有混合料的流變次數(shù)都表現(xiàn)出下降,說明再生混合料和新瀝青經(jīng)水溫循環(huán)作用后抗車轍性能下降.以未凍融混合料的試驗結(jié)果為基準(zhǔn), RAP摻量分別為0,15%,30%,40%和50%的瀝青混合料,經(jīng)過1次凍融循環(huán)后的流變次數(shù)下降幅度分別為21.0%,25.5%,28.6%,38.1%和40.0%,經(jīng)過3次凍融循環(huán)后分別為56.0%,59.8%,63.3%,66.0%和71.1%.再生混合料在1次和3次凍融后流變次數(shù)的下降幅度均比新瀝青混合料大,隨著RAP摻量增加,下降幅度越大.相應(yīng)地,累積永久應(yīng)變也出現(xiàn)了大幅增加,且RAP摻量越大,增加幅度也越大.根據(jù)以上分析可以看出:多重凍融循環(huán)作用對再生混合料的抗車轍性能影響更為顯著,考慮到水溫循環(huán)作用,再生混合料的高溫性能反而弱于新料.因此,在評價再生混合料的抗車轍性能時,應(yīng)從長期耐久性能的角度進行考慮更為合理.

3.3 凍融后低溫性能

半圓彎曲試驗具有操作簡便快捷、結(jié)果重復(fù)性高等優(yōu)點,其對再生混合料的低溫抗裂性能評價也有不錯的效果[9-10].本研究采用該試驗評價不同RAP摻量瀝青混合料的低溫抗裂性能,以斷裂能密度作為試驗評價指標(biāo).試驗溫度為-10 ℃,加載速率為50 mm·min-1,采用直徑150.0 mm、高50.0 mm的半圓形試件,試件底部2個支點的間距為試件直徑的0.8倍.每組試驗采用4個平行試件,取平均值作為試驗結(jié)果,如表5所示.

表5 凍融循環(huán)下半圓彎曲試驗結(jié)果

由表5可知:未凍融循環(huán)時,試件的斷裂能密度從大到小依次為未摻RAP,15%RAP,30%RAP,40%RAP和50%RAP,說明RAP的摻入對瀝青混合料的低溫抗裂性能不利,且RAP越高,低溫性能越差;經(jīng)過凍融循環(huán)后,再生混合料和新瀝青混合料的抗拉強度和斷裂能密度均有較大幅度的下降,說明瀝青混合料的低溫抗裂性能有較大程度的衰減;1次和3次凍融循環(huán)后,新瀝青混合料仍具有最大的斷裂能密度,表明經(jīng)過長期水溫作用后,新瀝青混合料相比再生瀝青混合料仍具有較高的低溫抗裂性能.以未凍融試件的斷裂能密度為基準(zhǔn),計算得到5種瀝青混合料1次凍融循環(huán)后斷裂能密度下降幅度分別為10.3%,10.8%,14.3%,16.7%和25.4%,3次凍融循環(huán)后分別為 28.2%,32.1%,41.5%,43.7%和52.4%.再生混合料在1次和3次凍融后斷裂能密度都有較大幅度的下降,而新瀝青混合料的斷裂能密度下降相對較小,說明與新料相比,凍融作用對再生瀝青混合料低溫抗裂性能的損害作用更大,再生混合料在長期水溫作用下的低溫耐久性能較差,且RAP摻量越高,低溫耐久性能越差.

3.4 凍融后疲勞性能

采用間接拉伸試驗評價不同RAP摻量瀝青混合料在水溫循環(huán)作用下的疲勞耐久性能.間接拉伸疲勞試驗采用應(yīng)力控制模式,應(yīng)力比為0.20,0.25,0.35和0.45,試驗溫度為15 ℃,加載頻率設(shè)為10 Hz,采用半正弦波形的荷載形式.考慮到疲勞試驗時間較長,不設(shè)間歇時間,以試件斷裂作為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn),試驗取疲勞壽命作為評價指標(biāo)進行分析.試件采用直徑100.0 mm和高度63.5 mm的圓柱體試件,每組試驗采用2個平行試件,取疲勞壽命平均值.試驗結(jié)果見表6.

表6 凍融循環(huán)下間接拉伸疲勞壽命結(jié)果 次

由表6可知:相同的應(yīng)力水平及凍融循環(huán)作用次數(shù)下,新瀝青混合料具有最大的疲勞壽命;隨著RAP摻量增加,瀝青混合料疲勞壽命減小,表明瀝青混合料的疲勞抗裂性能隨RAP摻量的增加而降低;經(jīng)過凍融循環(huán)后,再生混合料和新瀝青混合料的疲勞壽命均大幅度下降,說明瀝青混合料的疲勞抗裂性能有較大程度的衰減;經(jīng)1次和3次凍融循環(huán)后,新瀝青混合料仍具有最大的疲勞壽命,表明經(jīng)過長期水溫作用后,新瀝青混合料相比于再生混合料仍具有較高的抗疲勞性能.因此,為了保證再生瀝青混合料的疲勞耐久性能,應(yīng)對其中的舊料摻量作出限制.

4 結(jié) 論

1) 再生混合料在1次凍融循環(huán)劈裂試驗中表現(xiàn)出比新瀝青混合料高的間接拉伸強度和凍融劈裂強度比,但3次凍融循環(huán)劈裂試驗中間接拉伸強度和凍融劈裂強度比都比新瀝青混合料低,顯然再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能不如新瀝青混合料.因此,采用1次凍融循環(huán)后的凍融劈裂強度比評價再生混合料的水穩(wěn)定性具有一定的局限性.

2) 動態(tài)蠕變試驗、半圓彎曲試驗和間接拉伸疲勞試驗結(jié)果表明:在多重凍融循環(huán)作用下,再生混合料的水穩(wěn)定性低溫性能、高溫性能與疲勞性能都有了較大的下降,與新瀝青混合料相比,再生混合料在長期水溫作用下的耐久性能較差.

3) 再生混合料中舊料摻量越高,混合料在多重凍融循環(huán)作用下耐久性能衰退得越快,因此,為保證再生瀝青混合料的耐久性能,應(yīng)對其中的舊料摻量作出限制.

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