低RAP摻量瀝青混合料凍融性能試驗*

張敏江， 李正楠， 方竹勝， 趙 爽

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168)

摻加RAP熱拌瀝青混合料技術(shù)是將舊料再利用的技術(shù)之一，但過度強調(diào)瀝青路面的高溫和疲勞性能，對水穩(wěn)定性沒有進行過多考慮，會使路面出現(xiàn)過多水毀現(xiàn)象.國內(nèi)外對于水損害的探索多數(shù)從礦料的級配調(diào)整、瀝青與集料的粘附性機理以及微觀特性等方面來研究.趙永利等[1]指出，真空飽和條件下測試瀝青混合物的水穩(wěn)定度高于馬歇爾殘余穩(wěn)定度；馮俊領(lǐng)等[2]指出高溫多雨地區(qū)的水溫穩(wěn)定指標(biāo)，探索在室溫水浴中進行全溫高溫循環(huán)一個月后，在凍融劈裂強度試驗條件下，對不同標(biāo)本進行混合料抗水毀能力評估；Edith等[3]開發(fā)了水分感應(yīng)模擬試驗(MIST)裝置，可以模擬不同溫度下的水壓循環(huán)，結(jié)果可以很好地辨別不同瀝青混合料抗凍能力的原因.

本文在研究大量國內(nèi)外研究成果基礎(chǔ)上，分析我國瀝青混合料水穩(wěn)定性的特點，從混合料的抗凍融性能角度出發(fā)，在不加再生劑的情況下，分別加入RAP(加熱和不加熱)含量為0%、10%、20%的混合料，進行劈裂試驗來分析其抗凍性能.

1 原材料及混合料配合比設(shè)計

1.1 RAP材料

RAP取自撫順市普通公路大中修工程中回收的材料，經(jīng)過破碎處理及篩分后運回實驗室進行自然風(fēng)干，通過燃燒爐燒熱后，對RAP中的瀝青開展抽提試驗.舊瀝青性能指標(biāo)如表1所示.

表1 舊瀝青指標(biāo)檢測結(jié)果Tab.1 Test results of old asphalt indexes

試驗測得RAP中舊瀝青含量為3.82%.考慮到具體取料和粗細(xì)集料的分布問題，以及RAP中本身的含水量問題，測得的舊瀝青含量略微有些偏差.

1.2 新瀝青

試驗使用撫順地區(qū)提供的瀝青，通過試驗檢測，其材料指標(biāo)如表2所示.

表2 新瀝青指標(biāo)檢測結(jié)果Tab.2 Test results of new asphalt indexes

1.3 新舊集料

表3、4為新舊粗細(xì)集料性能.由表3、4可知，試驗中需要的混合料為AC-10和AC-13兩種類型，其主要成分為石灰?guī)r材料，所選用集料為針片狀，其壓碎值等多個指標(biāo)均在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)范圍內(nèi).

表3 新舊粗集料性能Tab.3 Performances of new and old coarse aggregates

表4 新舊細(xì)集料性能Tab.4 Performances of new and old fine aggregates

1.4 瀝青混合料配合比設(shè)計

試驗中RAP材料加入量分別為0%、10%、20%，其中，RAP含量為其占混合料的百分比.混合料中的配合比具體要求如表5所示.

2 凍融試驗與結(jié)果分析

瀝青路面的抗凍性是指抵御因水的侵害導(dǎo)致出現(xiàn)瀝青膜破損、松垮、粘附性不強而毀壞的能力.為了探究低RAP對混合料抗凍能力的影響，本文采用兩種類型瀝青混合料，在不同摻量RAP情況下，通過對比試驗來進行研究.

表5 瀝青混合料配合比設(shè)計Tab.5 Design of mix proportion of asphalt mixtures %

2.1 試驗方案及步驟

為了確保試驗的精確性，規(guī)范要求每組平行試件不少于3個，本次每組取4個.針對AC-10、AC-13兩種類型混合料，在3種RAP摻量下(0%、10%、20%)進行10組凍融劈裂試驗，其中RAP料分為采用加熱處理和未采用加熱處理的情況，各4組合計8組，不添加RAP料的瀝青混合料合計2組.將成型后的試件放在(-18±2) ℃恒溫箱中，并且持續(xù)(16±1) h的養(yǎng)生.養(yǎng)生后對不同RAP摻量的瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，按照《瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行操作.

通過一系列的試驗，對凍融前后不同摻量RAP進行對比.凍融劈裂強度比公式為

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)規(guī)范操作要求，對加入RAP的瀝青混合料開展凍融試驗，統(tǒng)計結(jié)果如表6所示.

表6 多種RAP摻量下瀝青混合料的凍融劈裂檢測Tab.6 Freezing-thawing splitting determination of asphalt mixtures with various RAP contents

表6數(shù)據(jù)為試驗結(jié)果的均值，可以看出，在排除試驗誤差的情況下，對于AC-10和AC-13兩類混合料而言，隨著RAP的不斷增加，試件的劈裂抗拉強度也不斷增大，在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的凍融劈裂強度比(TSR)大于二級及二級以下道路的要求范圍.圖1、2為在RAP料加熱和未加熱情況下，AC-10與AC-13隨RAP料變化的凍融劈裂強度變化情況.

圖1 加熱的RAP凍融劈裂強度Fig.1 Freezing-thawing splitting strength of heated RAP

由圖1可知，AC-10與AC-13凍融強度隨RAP摻量的增加而增加，并且呈現(xiàn)線性增長趨勢.這是由于在RAP比例變多的過程中，細(xì)料不斷增多，兩種混合料的強度均增加.AC-10的細(xì)料多于AC-13，因此，AC-10在凍融后的強度損失低于AC-13.對于未加熱的RAP而言，其強度略高于加熱的RAP混合料，因為未加熱的RAP在攪拌過程中細(xì)料分離得更多.加熱的RAP中老化瀝青有一部分與新瀝青進行了交融，使得拌合后的調(diào)和瀝青偏向老化.而未加熱的RAP可以作為新集料的性質(zhì)，其調(diào)和瀝青的老化狀態(tài)低于加熱的RAP.但未加熱的RAP在與新料融合過程中不是很均勻，其強度變化的規(guī)律性不強.

圖2 未加熱的RAP凍融劈裂強度Fig.2 Freezing-thawing splitting strength of unheated RAP

凍融劈裂強度比(TSR)是衡量瀝青混合料抗凍性的關(guān)鍵指標(biāo).圖3為凍融劈裂強度比變化圖.由圖3可以看到，RAP含量在0%～20%時，其劈裂強度比在《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi).AC-10的凍融劈裂強度比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AC-13，這是因為AC-10的細(xì)集料較多，從而能夠提高抗凍性.隨著RAP的增加，結(jié)合料中老化瀝青所占比例增多，粘結(jié)性能不如新的瀝青好，使得其劈裂強度比下降[4].對于加熱或者不加熱的RAP，隨著RAP摻量不斷增多，其與新舊瀝青、礦料等結(jié)合都會出現(xiàn)不均勻的問題，從而導(dǎo)致粘附性下降.

圖3 凍融劈裂強度比Fig.3 Freezing-thawing splitting strength ratio

3 低RAP摻量混合料凍融性能

3.1 界面接觸與凍融性能

通過對RAP瀝青混合料開展掃描電鏡(SEM)觀察，研究接觸面的連接情況，判定其與水穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián).圖4、5為加熱與未加熱兩種情況下無塵電鏡掃描圖像.

圖4 加熱RAP與集料形貌圖Fig.4 Morphologies of heated RAP and aggregates

由于RAP原料經(jīng)多年使用，其集料被老化的瀝青包裹，吸收瀝青能力下降，RAP摻量增多，其總體的油石比不斷增加，所以瀝青用量減少.由于RAP集料中舊瀝青與新瀝青存在不完全結(jié)合與交融作用，導(dǎo)致其抗凍性能略低于新集料.但混合料中老化的瀝青較硬，破壞強度比無RAP瀝青混合料小[5].圖4中舊集料瀝青受熱后融化，從而粘附住舊料中的細(xì)料部分，細(xì)集料和新瀝青形成的結(jié)合瀝青增加了其強度，使得粗細(xì)粒料之間發(fā)生更好的嵌擠.而在未加熱的RAP中，由于長期受荷載以及紫外線影響，舊料變得更為脆硬.在未加熱情況下，舊瀝青不會形成裹附，因此，圖5中出現(xiàn)RAP與集料的不完全融合，導(dǎo)致未加熱的RAP混合料融合性較低.

圖5 未加熱RAP與集料形貌圖Fig.5 Morphologies of unheated RAP and aggregates

瀝青混合料主要分為瀝青和骨料兩部分，一般而言，瀝青和粒料中的細(xì)料或者所摻加的礦粉在結(jié)合中起到粘附性作用.而瀝青在混合料中主要有兩種存在方式，一種為自由瀝青，一種為結(jié)構(gòu)瀝青，起到粘附作用的主要為結(jié)構(gòu)瀝青.因此要對瀝青的最佳用量進行一個合理定位，達(dá)到一個飽和狀態(tài).該粘附性作用可對抗凍性能起到?jīng)Q定性作用[6].

3.2 老化瀝青對凍融性能的影響

對于瀝青質(zhì)而言，其許多極性分子，如—OH、—NH2和—COOH等會引發(fā)瀝青質(zhì)向瀝青與水分子界面處活動，在表面形成強的結(jié)構(gòu)膜[7].瀝青質(zhì)分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移傾向.為了具體研究集料與瀝青之間的界面變化，采用超景深顯微鏡在放大300倍條件下進行逐層掃描，并將每一次掃描進行合并[8]，得到的平面圖和3D海拔圖如圖6、7所示.

隨著時間的延長，混合料中瀝青部分發(fā)生上移，顯示出礦料與瀝青部分呈現(xiàn)高度差.圖7中紅色區(qū)域代表海拔升高地帶，該地帶多為瀝青，綠色和藍(lán)色區(qū)域代表集料及界面位置.通過上述圖片能夠看到融合情況，以及自由瀝青因集料之間的擠壓而發(fā)生位移[9]，由于多余的瀝青而使得混合料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變動.RAP不斷增加使得細(xì)料含量變多，會導(dǎo)致瀝青量增加，其在混合料中總體的比例發(fā)生變化.從針入度角度出發(fā)，RAP通過加熱后瀝青有部分融化，與新瀝青進行融合，融合后瀝青的老化程度升高，因此在劈裂強度試驗中混合料會變得脆硬.

圖6 混合料微觀平面掃描Fig.6 Micro plane scanning of mixture

3.3 凍融強度因素的因子分析

瀝青混合料劈裂強度由很多因素決定，例如AC-10和AC-13兩種不同類型的粒徑、RAP所摻加的比例、礦料的級配、油石比、空隙率等.通過引入IBM SPSS進行回歸分析來研究影響因素，對凍融劈裂前后的強度值，多種不同影響因素與凍融劈裂抗拉強度比進行擬合，找到主要影響因素.含低RAP摻量的材料合成后的級配以及混合料粒徑通過的百分率如表7所示.

圖7 混合料界面3D海拔掃描Fig.7 3D elevation scanning of mixture interface

表7 不同混合料的級配合成Tab.7 Synthesis of mixtures with different grading types %

由于不同檔料的粒徑很多，將其按照粗細(xì)劃分，主要對其細(xì)料粒徑進行劃分，分為>4.75 mm，1.18～4.75 mm，0.3～1.18 mm，<0.3 mm四檔不同類型，分別用礦料1～4來表示，其空隙率、礦料粒徑、油的含量、TSR平均值如表8所示.

表8 不同混合料的影響因素指標(biāo)Tab.8 Influencing factor indexes of different mixtures

利用SPSS軟件進行多元回歸分析，逐步分析各個影響因素，對次要影響因素進行一一排除，對主要影響因素建立回歸分析，在置信區(qū)間大于等于95%的情況下，排除粒徑為1.18～4.75 mm及4.75 mm以上兩檔混合料的影響，對其他5個影響因素進行診斷，從而得出影響因素之間的相關(guān)性表達(dá).提取主要作用的成分，令y1、y2為AC-10和AC-13中劈裂強度的因變量，x1、x2、x3、x4分別為油石比、礦料3、礦料4以及RAP摻量.

AC-10與AC-13表達(dá)式分別為y1=189.7-6.197x1-5.984x2-4.427x3-26.358x4，y2=292.89-26.044x1-2.049x2-5.839x3-112.59x4，從而確定了劈裂強度比與因變量的多元線性聯(lián)系.在降維因子分析中，首先開始KOM和Bbartlett檢測，按降序第一因子進行排序，獲得旋轉(zhuǎn)后的因子載荷，從而得到旋轉(zhuǎn)前后的主成分系數(shù)[10].

表9為采用Kaiser旋轉(zhuǎn)前后計算得到的成分矩陣，由因子的得分情況及旋轉(zhuǎn)前后的數(shù)值變化，找出影響劈裂強度比的關(guān)鍵因素.

表9 旋轉(zhuǎn)前后的因子荷載矩陣Tab.9 Factor loading matrix before and after rotation

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) AC-10混合料的抗凍性能優(yōu)于AC-13，因為AC-10的細(xì)集料部分較多，能夠充分填充骨架孔隙.

2) 隨著RAP摻量的增加，劈裂強度比主要呈現(xiàn)下降趨勢.通過微觀掃描分析形貌結(jié)構(gòu)可知，加熱的RAP融合性能更好，但是加熱后整體瀝青老化程度較高，對RAP是否進行加熱對劈裂強度比變化影響不明顯.因此，在工程實際中考慮到經(jīng)濟需要時可以不對舊料進行加熱.

3) 通過因子分析確立因變量與主要自變量間的關(guān)聯(lián)，找到主要因素，在荷載矩陣中進行旋轉(zhuǎn).