舊料特性對熱再生瀝青混合料壓實性能的影響研究

柯 翔， 張 澄， 許銀銀， 胡 健

(1.江蘇交通控股有限公司， 南京 210002； 2.南京林業(yè)大學(xué)， 南京 210037； 3.江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司， 南京 210049)

廠拌熱再生作為一種舊瀝青混合料性能最優(yōu)的再生技術(shù)在養(yǎng)護(hù)維修工程中已得到了廣泛應(yīng)用，其中再生料類型、生產(chǎn)工藝和施工壓實是影響廠拌熱再生瀝青混合料路用性能的重要因素。在生產(chǎn)工藝方面，舊料加熱溫度是再生過程中非常重要的技術(shù)參數(shù)[1-4]。國內(nèi)一些學(xué)者經(jīng)過室內(nèi)試驗表明RAP加熱溫度對再生料的配比與再生性能影響很大，合理加熱溫度應(yīng)在80 ℃～110 ℃之間，而任拴哲[5]則認(rèn)為這一溫度范圍偏低，對比了90 ℃及130 ℃情況下的再生料指標(biāo)，提出溫度為130 ℃時最佳。美國NCHRP項目通過試驗研究提出RAP加熱溫度應(yīng)控制在130 ℃以下，以免二次老化。王飔奇[6]通過室內(nèi)車轍板試驗和RAP分散性試驗初步確定RAP料的合理加熱溫度應(yīng)在100 ℃～140 ℃范圍之內(nèi)，并通過對AC-20S廠拌熱再生料路用性能(低溫抗裂性和疲勞性能)的影響研究，提出RAP合理加熱區(qū)間為120 ℃～130 ℃，同時建議在施工過程中應(yīng)結(jié)合RAP摻量來確定RAP料的加熱溫度。

壓實是施工過程中的重要環(huán)節(jié)，壓實度直接影響瀝青混凝土的路用性能。紀(jì)小平[7]曾通過試驗研究了公稱最大粒徑和RAP摻量對再生瀝青混合料壓實特性影響，得出公稱粒徑越大，RAP摻量越高，混合料越難壓實，但通車后抗變形能力越好，并沒有考慮舊料加熱溫度對其壓實特性的影響。

為確定瀝青混合料廠拌熱再生工藝中舊料的合理加熱溫度，本文考慮了舊料再生料類型、RAP摻量，分別對AC-20、AC-13改性瀝青2種再生料在20%、40%兩種摻量下，舊料加熱溫度分別為 100 ℃、120 ℃和140 ℃時，研究其壓實特性。

1 原材料及再生料組成設(shè)計

本文設(shè)計了RAP摻量為20%、40%(分別代表常規(guī)摻量和高摻量)的普通瀝青AC-20和改性瀝青AC-13舊料組成普通瀝青AC-20和改性瀝青AC-13再生混合料。進(jìn)行回收再生利用的AC-20普通瀝青混合料舊料及其再生料新料的粗、細(xì)集料均為石灰?guī)r，由于集料級配較細(xì)，故不添加礦粉；AC-13改性瀝青混合料舊料及其新料的粗、細(xì)集料均為玄武巖，礦粉為石灰石礦粉。將銑刨回收的舊料和新料的集料進(jìn)行性能評價試驗，結(jié)果如表1所示，添加的石灰石礦粉性能評價指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表1 集料檢測結(jié)果

表2 礦粉檢測結(jié)果

上述回收的2種舊料中瀝青分別為70#普通瀝青和SBS改性瀝青(瀝青含量分別為4.0%和4.7%)，再生料中的新瀝青同樣分別采用70#普通瀝青和SBS改性瀝青，對舊、新瀝青進(jìn)行性能檢測，結(jié)果如表3所示。

采用馬歇爾設(shè)計方法進(jìn)行混合料配合比設(shè)計，級配組成設(shè)計時，在保證再生料設(shè)定比例前提下，新集料根據(jù)表4所示的目標(biāo)級配，各檔逐一摻配。通過馬歇爾試驗結(jié)果確定RAP摻量分別為20%和40%的AC-20普通瀝青再生料的最佳油石比為4.2%和4.3%，AC-13改性瀝青再生料的最佳油石比分別為4.8%和4.9%，為了性能對比研究統(tǒng)一，2種類型再生料的油石比分別取4.2%和4.9%。

表3 瀝青檢測結(jié)果

注：普通瀝青的延度試驗溫度為15 ℃，改性瀝青的延度試驗溫度為5 ℃。

表4 再生料目標(biāo)級配

2 舊料加熱溫度對再生料壓實特性的影響

2.1 試驗方案

為了研究不同舊料在不同加熱溫度下的壓實特性，試驗方案如下：

1) 選取AC-20普通瀝青再生料和AC-13改性瀝青再生料，RAP摻量均分別為20%和40%；

2) 舊料加熱溫度分別為100 ℃、120 ℃和140 ℃，加熱過程中須有足夠的加熱時間，以確保加熱均勻；

3) 采用旋轉(zhuǎn)壓實法，壓實次數(shù)為160次，并測量成型后試件的毛體積密度及最大理論密度；

4) 結(jié)合不同旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下的試件高度，計算出不同旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下混合料的毛體積密度，用毛體積密度除以最大理論密度得到密實度；

5) 以獲取旋轉(zhuǎn)壓實試件的密實曲線來分析其壓實特性。

2.2 壓實特性參數(shù)

瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)分為3個階段：初始壓實次數(shù)、設(shè)計壓實次數(shù)、最大壓實次數(shù)[8-9]。在分析瀝青混合料壓實特性時，以不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)下的壓實度為基礎(chǔ)[10-12]。本文分別采用密實曲線的2個斜率K1和K2、壓實能量指數(shù)CEI、交通密實指數(shù)TDI1和TDI2共5個指標(biāo)評價，密實曲線如圖1所示。

K1表征瀝青混合料前期的壓實速率，一般取半對數(shù)坐標(biāo)中Nini至Ndes區(qū)間內(nèi)密實曲線的平均斜率，其計算如式(1)，K1越大，表明瀝青混合料壓實至92%密實度的速率越大。

圖1 密實曲線示意

(1)

K2表征瀝青混合料通車后的抗變形能力，一般用直角坐標(biāo)中Ndes至Nmax區(qū)間內(nèi)的平均斜率，其計算如式(2)，K2越大，表明瀝青混合料抵抗變形的能力越差。

(2)

式中：Nini為初始壓實次數(shù)；Ndes為設(shè)計壓實數(shù)；Nmax為最大壓實次數(shù)；Nini、Ndes、Nmax的具體取值與預(yù)測交通量相關(guān)，本文取Nini=8次，Ndes=100次，Nmax=160次；γN為壓實次數(shù)為N時所對應(yīng)的壓實度。

壓實能量指數(shù)CEI是指在攤鋪與壓實時將瀝青混合料壓實到92%密實度時設(shè)備所需做的功，一般用瀝青混合料從初始狀態(tài)壓實到92%密實度過程中的密實曲線面積來表示，CEI越大，表明混合料越不易被壓實。

前期交通密實指數(shù)TDI1指在通車初期混合料被行車荷載壓實到96%密實度時所做的容許變形功，一般用密實度92%～96%之間的密實曲線面積來表示，TDI1越大，表明瀝青混合料在開放交通早期的抗變形性能越好。

后期交通密實指數(shù)TDI2指開放交通后期混合料被行車荷載從96%密實度壓實到極限密實度時所做的過壓功，一般用密實度96%～98%之間的密實曲線面積來表示，TDI2越大，說明瀝青混合料在開放交通后期抵抗變形的性能越好，同時也表明前期的壓實效果越好。

2.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗方案，通過密實曲線計算得到壓實特性參數(shù)K1、K2、CEI、TDI1和TDI2，結(jié)果如表5所示。

表5 壓實特性參數(shù)結(jié)果

為了便于比較舊料加熱溫度對不同類型瀝青再生料壓實特性的影響，分別將RAP摻量為20%、40%的瀝青混合料壓實特性結(jié)果用條形圖表示，如圖2～圖6所示。

1)K1變化特性

由圖2可知，2種類型再生料的K1均在舊料加熱溫度為120 ℃時最大，表明在該溫度下混合料的前期壓實速率最快。結(jié)合RAP摻量可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)舊料加熱溫度為100 ℃時，摻量為40%的RAP再生料前期壓實速率較快，而當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃及以上時，40%摻量RAP再生料的壓實速率較20%摻量慢。同時，相對于AC-13改性瀝青混合料，RAP摻量和舊料加熱溫度對AC-20普通瀝青混合料前期壓實速率的影響更顯著，但整體而言，2種舊料因素對混合料K1值的影響相對較小。此外，AC-20的K1值稍大于AC-13的，說明其在成型過程中更易壓實。

(a) AC-20

(b) AC-13

(a) AC-20

(b) AC-13

(a) AC-20

(b) AC-13

2)K2變化特性

由圖3可知，當(dāng)舊料加熱溫度從100 ℃升高至120 ℃時，2種類型再生料的K2值均有明顯降低，說明在此溫度范圍內(nèi)，隨著舊料加熱溫度的升高，開放交通后路面抗變形能力提高，但當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃時，繼續(xù)升高舊料加熱溫度對后期抗變形能力影響較小。同時，RAP摻量越多，再生料在后期行車荷載的作用下越不易發(fā)生變形，且提高RAP摻量對AC-13的影響相對更大。此外，AC-13的K2值明顯小于AC-20的，表明其后期抗變形能力更好，這與瀝青混合料一般性能規(guī)律一致。

(a) AC-20

(b) AC-13

(a) AC-20

(b) AC-13

3)CEI變化特性

由圖4可知，當(dāng)RAP摻量為20%時，2種類型再生料的CEI值均隨著舊料加熱溫度的升高而逐漸減小，從松散狀態(tài)壓實到92%密實度需要的壓實功減少，更易壓實；當(dāng)RAP摻量為40%時，AC-20的CEI值同樣隨溫度的升高而逐漸減小，而AC-13舊料摻量達(dá)到40%時其CEI值隨溫度的升高而增大。

分析產(chǎn)生上述性能差異的原因是，當(dāng)RAP摻量為20%時，隨著舊料溫度的升高，舊料里的瀝青容易出現(xiàn)熔融且更易粘結(jié)[13-15]，粘度較大的舊瀝青使得融合后瀝青粘度有所下降，但溫度的升高降低了新、舊瀝青混合物的粘度，使得再生料更易壓密；當(dāng)RAP摻量達(dá)到40%時，混合料的舊瀝青含量較多，隨著溫度的升高，熔融的舊瀝青更多，融合后的新、舊瀝青混合物的粘度反而增加，導(dǎo)致其難以壓實。對于AC-20，溫度達(dá)到100 ℃時已使其達(dá)到充分融合狀態(tài)，溫度再升高會使混合料更易壓實；而AC-13的舊料加熱溫度需達(dá)到140 ℃及以上時才能充分融合。因此在高摻量RAP(40%)下，AC-20在100 ℃～140 ℃時，溫度越高，越易壓實，而AC-13在該溫度范圍內(nèi)，溫度越高，拌和越充分，越難壓實。

此外，對比2種類型瀝青再生料，由于改性劑的添加，AC-13的CEI值較AC-20的明顯更大，更難壓實，且可發(fā)現(xiàn)RAP摻量對AC-13的影響更大，而舊料加熱溫度對AC-20的影響更大。

4)TDI1變化特性

由圖5可知，TDI1隨舊料加熱溫度和RAP摻量的變化規(guī)律與CEI一致，即AC-20的TDI1值隨RAP摻量的增加而逐漸增大，隨舊料加熱溫度的升高而逐漸減小，表明RAP摻量越小，舊料加熱溫度越高，混合料在開放交通早期密實度從92%提高至96%的過程中所做的容許變形功越小，早期抗變形能力越差。

對AC-13混合料，常規(guī)RAP摻量下，混合料的TDI1值隨舊料加熱溫度的升高而減小，而RAP高摻量下的混合料在舊料加熱溫度需達(dá)到140 ℃及以上時才能充分融合，此時TDI1值在該溫度范圍內(nèi)隨舊料加熱溫度的升高而增大，早期通車后混合料抵抗變形的能力增強(qiáng)，同時TDI1值隨著RAP摻量的增加而明顯減小，但當(dāng)溫度升高到140 ℃時，RAP高摻量下的TDI1值不斷增加甚至大于常規(guī)RAP摻量的TDI1值。

在相同RAP摻量和舊料加熱溫度條件下，AC-13的TDI1較AC-20的大，早期抗變形能力更好。

5)TDI2變化特性

由圖6可知，AC-20的TDI2隨舊料加熱溫度的升高而逐漸減小，隨RAP摻量的增加而逐漸增大，但整體相差不大。這表明舊料加熱溫度越高，RAP摻量越小，在長期行車荷載作用下混合料從密實度96%提高至98%過程中的所需功越小，則后期抵抗變形的能力越弱。

AC-13的TDI2值隨RAP摻量的增加明顯增大，而隨舊料加熱溫度的變化呈現(xiàn)如下規(guī)律：100 ℃的TDI2<140 ℃的TDI2<120 ℃的TDI2，表明RAP高摻量下的混合料在長期行車荷載作用下抗變形能力仍然較好，并在舊料加料溫度為120 ℃時壓實效果達(dá)到最佳，不易達(dá)到過壓狀態(tài)。

比較2種類型的再生料，可發(fā)現(xiàn)在相同條件下，AC-13的TDI2較AC-20更大，前期壓實效果更好，不易達(dá)到過壓狀態(tài)，且RAP摻量和舊料加熱溫度對AC-13改性瀝青再生料TDI2的影響更大。

3 結(jié)論

本文從加熱溫度、摻量、級配及瀝青類型等角度考慮了舊料的差異，研究其對再生料壓實特性的影響，主要得到如下結(jié)論：

1) 舊料加熱溫度較低時，RAP料中的舊瀝青無法與新瀝青充分融合，導(dǎo)致再生料壓實困難，加熱溫度較高時，舊料中已經(jīng)老化變硬的瀝青與新瀝青充分融合，使得再生料中的融合瀝青也變硬，降低其壓實效果，在常用的100 ℃～140 ℃之間，舊料加熱溫度為120 ℃時再生料更容易壓實。

2) AC-13和AC-20兩種類型的再生料中RAP摻量越多，混合料越難壓實，但使用過程中的抗變形能力越好。

3) 與AC-13改性瀝青混合料相比，AC-20普通瀝青再生混合料更易壓實，但抗變形能力明顯不如AC-13混合料。