熱再生瀝青磚級配結(jié)構(gòu)對性能的影響

朱曲平

(1.重慶工程學(xué)院，重慶市 400020；2.重慶交通大學(xué))

1 前言

中國交通事業(yè)的發(fā)展使得對瀝青及石料的需求劇烈增加，每年因路面鋪筑而消耗的瀝青混合料達(dá)到了2億t。瀝青混合料的生產(chǎn)與運輸，都將消耗大量的能源，并帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題，而如何對已鋪裝的瀝青混合料進(jìn)行高效節(jié)能的回收(RAP)及再利用，中國企業(yè)的手段還比較單一，主要集中于利用銑刨機(jī)等筑路機(jī)械進(jìn)行現(xiàn)場回收翻新及原路段鋪筑。

20世紀(jì)末，中國各科研機(jī)構(gòu)依托試驗路段，對瀝青的熱再生工藝進(jìn)行了深度優(yōu)化，取得了良好成果，而美國、日本和歐洲通過工程實踐，已將瀝青混合料舊料利用率提高至80%，并相繼出臺了瀝青路面再生技術(shù)手冊等規(guī)范化資料，極大地鼓舞和推動了再生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

通過考察人類筑路發(fā)展歷史，筑路材料經(jīng)歷了木塊、石塊、水泥混凝土至瀝青混凝土的發(fā)展歷程。由于天然石塊具有良好的耐久性，在比利時布魯塞爾廣場、荷蘭達(dá)姆廣場，至今仍保留為石塊路面，供行人和機(jī)動車使用?？紤]到現(xiàn)代瀝青熱再生技術(shù)的成熟與塊體材料筑路的歷史，以瀝青路面回收材料制備砌塊瀝青磚，用于特殊場合的路面鋪裝將具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，可將其用于人行道、城市CBD、市民公園等景觀步道的路面鋪裝。同時，采用瀝青回收料制備磚體材料極大降低了傳統(tǒng)磚窯對土地資源的侵蝕，在節(jié)約資源的同時又保護(hù)了自然環(huán)境，符合當(dāng)代中國的綠色環(huán)保發(fā)展思路。

目前中國對于瀝青磚制備、利用的報道尚且不多，而在國外，瀝青磚的發(fā)展已有100余年的歷史，早在1876年，美國黑斯廷斯公司就生產(chǎn)出一種工業(yè)地板用瀝青磚砌塊，它具有力學(xué)性能好、行走舒適、耐久性高的特點。自1885年起，美國俄亥俄州也出現(xiàn)了一種類似瀝青磚的巖石地板磚，這種地板質(zhì)地堅韌，能有效地吸收振動，減輕收縮，且具有高密度、低吸水率的特點。另外，這種地板主要集中在工廠生產(chǎn)，裝卸、修理較為容易，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性很強(qiáng)。在3D打印技術(shù)發(fā)展愈加成熟的今天，美國漢諾威公司將瀝青磚從工業(yè)用品發(fā)展成為一種具有極強(qiáng)觀賞價值的商品，基于已有的瀝青磚加工技術(shù)與3D打印技術(shù)，將瀝青砌塊做成無數(shù)種設(shè)計方案，通過顏色與形狀的改變，達(dá)到完美的鋪筑效果，獲得了路用功能與視覺效果的統(tǒng)一。

結(jié)合中國實際情況，有必要基于傳統(tǒng)的熱再生瀝青工藝進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級，瀝青的再生技術(shù)不再局限于對病害路面進(jìn)行提質(zhì)改造，亦可將再生后的瀝青混合料制備成RAP瀝青磚，用于人行道、停車場等區(qū)域的路面鋪裝，從而降低水泥基材料的用量，間接地達(dá)到節(jié)能減排的效果。同時，考慮到2017年末，世界首條光伏路面在濟(jì)南繞城高速公路的建成通車，未來亦可將瀝青磚及其周邊產(chǎn)品與光伏電池等功能元件結(jié)合起來，進(jìn)行多方向、模塊化生產(chǎn)，有利于此類多功能型路面的高效推廣。

路用性能方面，使用熱再生瀝青混合料生產(chǎn)的瀝青磚，在不同場合，需滿足不同的使用需求。應(yīng)用于渠化交通路段，瀝青磚必須有足夠的抗壓強(qiáng)度以承受低速重載的車輛荷載。在高等級公路中，由于路面必須保持良好的平整度，以保證高速行駛車輛的行車穩(wěn)定性，因而瀝青磚的最大棱角破損尺寸等因素必須嚴(yán)格控制。而在高寒地區(qū)，瀝青路面常受到凍融循環(huán)作用，凍融循環(huán)對瀝青混合料的力學(xué)性能破壞極大，因此，在進(jìn)行熱再生瀝青磚的開發(fā)與應(yīng)用時，凍融循環(huán)強(qiáng)度比也應(yīng)該成為主要評價指標(biāo)之一。已有的文獻(xiàn)與專著顯示，瀝青摻量、新集料替代率等因素對瀝青混合料的路用性能有一定影響，但都不是主要決定因素。由于相同材料在不同級配下，所體現(xiàn)出來的路用性能可能存在很大差異，因此，對瀝青磚的路用性能進(jìn)行綜合評價時，有必要考慮瀝青磚級配結(jié)構(gòu)的不同對其造成的影響。

2 試驗材料準(zhǔn)備

2.1 原材料

該文采用某高速公路路面大修時回收的RAP，研究中提出兩種典型的級配結(jié)構(gòu)：AC-10連續(xù)密集配和SMA-10間斷密集配，同時為了對比級配粗細(xì)程度對瀝青磚的影響，對2.36 mm為關(guān)鍵控制篩孔分別設(shè)計出粗、中、細(xì)級配。再生瀝青磚的設(shè)計初衷主要是使用原有瀝青的膠結(jié)料、集料，盡量不添加新料，以保證經(jīng)濟(jì)性，因此，使用AC-10和SMA-10等骨架密實或懸浮密實結(jié)構(gòu)(表1)，可以充分發(fā)揮其內(nèi)部原有瀝青的作用，減少新添加膠結(jié)料的用量，更符合瀝青磚設(shè)計的研究方向。

為快速取得各個級配結(jié)構(gòu)的RAP瀝青磚配比中瀝青含量α，試驗采用沈陽產(chǎn)KSW型燃燒爐在(538±5) ℃下進(jìn)行燃燒。

表1 瀝青磚設(shè)計級配結(jié)構(gòu)

此外，通過設(shè)計正交試驗，以抗壓強(qiáng)度、凍融強(qiáng)度比、棱角破損最大尺寸為指標(biāo)，確定AC-10再生瀝青混合料最佳油石比為7.2%，SMA-10混合料根據(jù)混合料設(shè)計經(jīng)驗，油石比應(yīng)控制在5.8%～6.2%之間，此次研究統(tǒng)一取6.0%。

根據(jù)上述試驗分別對兩種級配結(jié)構(gòu)，6種不同級配測試了其中RAP中的瀝青含量α，并計算出外加瀝青含量β(相對于RAP混合料)以及最終瀝青磚混合料中的瀝青有效油石比ψ，結(jié)果如表2所示。

2.2 瀝青磚制備

為保證瀝青磚混合料的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性，瀝青磚制備過程中僅適當(dāng)添加新瀝青膠結(jié)料，而并未添加新的集料，拌和過程及保溫過程嚴(yán)格按照RAP集料加熱溫度為(170±5) ℃、瀝青膠結(jié)料加熱溫度控制在150～160 ℃之間，拌和溫度160 ℃，采用馬歇爾擊實儀的成型原理，將試模改裝成100 mm×100 mm×63.5 mm規(guī)格，其試件單位面積的作用壓強(qiáng)等效于馬歇爾試件表面的作用壓強(qiáng)，即σ=5.49×10-3MPa，沖擊次數(shù)該文選擇單面100次，雙面共200次，冷卻后脫模即為瀝青磚。

表2 瀝青磚中瀝青用量確定

3 試驗方案

3.1 抗壓強(qiáng)度測試

抗壓強(qiáng)度是瀝青磚的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為了滿足室內(nèi)試驗研究的需要，特制定以下試驗方法：100 mm×100 mm×100 mm規(guī)格試件采用TYA-300型微機(jī)控制恒加載試驗機(jī)，控制加載速率0.6 kN/s。試件在恒溫空氣箱中保溫6 h，溫度控制在20 ℃。試驗開始后，自試件從恒溫箱中取出至試驗結(jié)束，時間應(yīng)不超過2 min。

3.2 凍融強(qiáng)度比測試

凍融強(qiáng)度比用以評價瀝青磚在水及凍融循環(huán)下試件的抗水損壞能力。試驗條件參照瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度試驗條件 (T0729-2000)：① 瀝青磚在-18 ℃冰凍16 h；② 60 ℃水浴浸泡24 h；③ 25 ℃水中放置不低于4 h；④ 試驗時環(huán)境溫度控制在(25±3) ℃；⑤ 取出試件后，立即按2.1節(jié)測試方法對試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，得到凍融作用后試件的抗壓強(qiáng)度值。

3.3 棱角破損率

棱角破損率試驗用以評定瀝青磚棱角抗外界沖擊的能力，棱角破損率越小表明其具有越好的抗棱角破損性。查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)資料顯示，當(dāng)前國內(nèi)外尚未見關(guān)于瀝青磚棱角破損性試驗方法報道。為了模擬瀝青磚從“生產(chǎn)-轉(zhuǎn)運-碼垛-再轉(zhuǎn)運-砌筑”等過程及偶然事件導(dǎo)致的磚塊遭受的棱角破損，室內(nèi)在評價瀝青磚時采用將瀝青磚放置在洛杉磯轉(zhuǎn)筒中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)10次，以棱角破損率θ來進(jìn)行評價。

(1)

式中：θ為棱角破損率(%)；m0、m′分別為試件旋轉(zhuǎn)前、后質(zhì)量(g)。

同時考慮到不同瀝青磚在質(zhì)量不同的情況下，如果最大破損尺寸完全相同，則計算的棱角破損率不同，實際上瀝青磚的外觀破損則完全相同，為此在評價時也引進(jìn)另外一個關(guān)鍵評價指標(biāo)——棱角破損最大尺寸Lmax，其測試方法是用游標(biāo)卡尺測試旋轉(zhuǎn)后瀝青磚試件的棱角最大破損長度。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

4.1.1 抗壓強(qiáng)度

不同級配類型的瀝青磚抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 不同瀝青磚的抗壓強(qiáng)度

由圖1可知：級配越細(xì)，其抗壓強(qiáng)度越高，而粗、中級配的抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，分析原因為：① 級配越細(xì)其中RAP中細(xì)集料越多，其內(nèi)含的瀝青含量α越大，在控制相等的有效油石比下，外加瀝青含量就越少，這使得制備出的瀝青磚整體上剛性更高，屬于偏剛性瀝青結(jié)構(gòu)，有利于提高整體強(qiáng)度；② 對于粗、中級配結(jié)構(gòu)由于RAP料中瀝青含量α基本相同，這一點從表3中RAP內(nèi)含瀝青含量α可以得到驗證，因此整體的結(jié)構(gòu)較細(xì)級配剛性較弱，類屬于柔性瀝青結(jié)構(gòu)，故使得抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)。

4.1.2 凍融強(qiáng)度比

不同級配類型對瀝青磚的凍融強(qiáng)度比影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同瀝青磚的凍融強(qiáng)度比

由圖2可知：對于AC-10型瀝青磚，隨著級配變細(xì)，其凍融強(qiáng)度比逐漸提高，而SMA-10型瀝青磚級配粗細(xì)程度對凍融強(qiáng)度比影響不大，整體上看SMA結(jié)構(gòu)較AC結(jié)構(gòu)更有利于提高其凍融強(qiáng)度比。分析可能出現(xiàn)的原因為：① 盡管AC-10型瀝青磚在一定有效油石比下，級配越細(xì)其整體結(jié)構(gòu)偏剛性，對凍融強(qiáng)度不利，但是由于級配偏細(xì)，結(jié)構(gòu)整體均勻性更好，可以有效降低凍融循環(huán)水對試件的破壞，試件的脫?，F(xiàn)象降低，因此使得整體凍融強(qiáng)度比有所提高；② SMA-10型瀝青磚試件由于不同粗細(xì)級配中RAP內(nèi)含的瀝青含量α基本相同，外加瀝青摻量也基本相同，加之骨架密實結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，因此整體上凍融強(qiáng)度比變化不大，且整體上較AC-10型瀝青磚試件凍融強(qiáng)度比大。

4.1.3 棱角破損率

不同級配類型瀝青磚棱角最大破損尺寸見圖3。

圖3 不同瀝青磚的棱角最大破損尺寸

由圖3可知：對于AC-10型瀝青磚，其級配越細(xì)Lmax越小，這歸結(jié)于其級配越細(xì)，整體均勻性越高，粒料之間黏結(jié)較好，有利于提高抗外界的沖擊作用；相反對于SMA-10型瀝青磚，則是級配越細(xì)Lmax越大，這可能是由于級配越細(xì)，粗細(xì)集料界限進(jìn)一步弱化，骨架密實結(jié)構(gòu)優(yōu)勢降低，混合料抵抗外力作用自然降低，故出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

圖4為不同級配結(jié)構(gòu)類型的瀝青磚棱角破損率試驗結(jié)果。

圖4 不同瀝青磚的棱角破損率

由圖4可知：AC-10型瀝青磚級配的粗細(xì)程度對棱角破損率θ影響不大，基本在0.4%以下，而SMA-10型瀝青磚級配越細(xì)棱角破損率θ越大，但即使這樣棱角破損率θ仍小于1%。

4.2 方差分析

雙因素方差分析是數(shù)據(jù)處理中一種重要的分析方法，它是研究討論兩因素對試驗指標(biāo)影響的顯著性，根據(jù)兩因素每種組合水平上試驗次數(shù)，可以將雙因素試驗的方差分為無重復(fù)試驗和重復(fù)試驗的方差分析。

研究過程中為分析方便，采用無重復(fù)試驗的方差分析，其中兩因素分別為：級配類型A，級配粗細(xì)程度B，A有r種水平A1、A2，…，Ar(這里r=2)，B因素有s種水平B1、B2，…，Bs(這里s=3)，試驗結(jié)果為Xij，則所有Xij相互獨立，試驗數(shù)據(jù)分布如表3所示。

表3 雙因素?zé)o重復(fù)試驗數(shù)據(jù)Xij

雙因素?zé)o重復(fù)方差分析按照以下步驟進(jìn)行：

(1) 計算平均值

(2)

(3)

(4)

(2) 計算離差平方和

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：SSA為因素A引起的離差平方和；SSB為因素B引起的離差平方和；SSe為誤差引起的離差平方和；SST為總離差平方和。

(3) 計算自由度

SSA自由度：dfA=r-1

(9)

SSB自由度：dfB=s-1

(10)

SSe自由度：dfe=(r-1)×(s-1)

(11)

SST自由度：dfT=rs-1

(12)

(4) 計算均方

MSA=SSA/(r-1)

(13)

MSB=SSB/(s-1)

(14)

MSe=SSe/[(r-1)(s-1)]

(15)

(5) F檢驗

FA=MSA/MSe

(16)

FB=MSB/MSe

(17)

表4給出了級配結(jié)構(gòu)類型A，級配粗細(xì)程度B對瀝青磚抗壓強(qiáng)度、凍融強(qiáng)度比以及棱角破損最大尺寸的方差分析結(jié)果。

表4 方差分析結(jié)果

注:fA=1，fB=2，fe=2，fT=5。

由表4可看出：

(1) 從對抗壓強(qiáng)度的影響看： 級配類型為AC-13或SMA-13對瀝青磚的抗壓強(qiáng)度性能影響并不大，其顯著性水平只有0.3左右，但相對的，集料顆粒的粗細(xì)程度對瀝青磚抗壓強(qiáng)度性能的影響顯而易見，其顯著性水平達(dá)到了3.54，二者差距10倍有余，因此，在考慮瀝青磚制品的抗壓強(qiáng)度時，首先應(yīng)選擇顆粒較細(xì)的回收料作為集料制備瀝青磚。

(2) 從棱角最大破損尺寸來看：雖然級配結(jié)構(gòu)類型和級配粗細(xì)程度對棱角破損最大尺寸的影響均不顯著，但相比于級配粗細(xì)程度，級配結(jié)構(gòu)類型的影響更為顯著，其顯著性水平是級配粗細(xì)程度的5倍多。原因有：① 由改性瀝青、礦粉、纖維穩(wěn)定劑共同組成的瀝青瑪蹄脂，各組成成分的性能與舊材料可能存在較大差異，新加入的膠結(jié)料與舊集料孔隙及表面殘余的膠結(jié)料相容性難以評估。造成對粗集料黏附力參差不一，棱角最大破碎尺寸離散性較大；② 回收后的集料在經(jīng)過反復(fù)高溫處理后，其酸堿性可能發(fā)生變化，不同類型的集料在高溫下氧化，所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不同，這會影響到集料與瀝青膠結(jié)料的結(jié)合力，從而導(dǎo)致瀝青磚表面完整性的差異。針對SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料，粗集料用量多，粗集料的表面積相對較大，決定了其受集料表面酸堿性變化的影響較大，膠結(jié)料與集料的結(jié)合程度受此因素影響存在較大的隨機(jī)性。

(3) 從對凍融強(qiáng)度比和棱角破損率的方差分析來看，級配類型與集料粗細(xì)程度對這兩個指標(biāo)的影響有限，且影響程度相當(dāng)接近，因此，凍融強(qiáng)度比與棱角破碎率兩個指標(biāo)不適合用來甄選瀝青磚制備材料。

4.3 綜合評分分析

雙因素方差分析可以判定各個影響因素對單個試驗指標(biāo)的影響顯著性，但是對于瀝青磚混合料，其性能包含多個評價指標(biāo)，若某些評價指標(biāo)顯著性水平不明顯或評價指標(biāo)在某些方面適用性不高，則無法利用該分析方法做出準(zhǔn)確評價?；谝陨戏治?，為優(yōu)化級配結(jié)構(gòu)類型及級配粗細(xì)程度對瀝青磚的總體性能，需要引入另外一種評價方法，多指標(biāo)綜合評分法。綜合評分法是根據(jù)各個試驗指標(biāo)的重要程度，對得出的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，給每一個試驗評出一個分?jǐn)?shù)，作為這個試驗的總指標(biāo)，然后根據(jù)這個總指標(biāo)利用單指標(biāo)試驗結(jié)果的直觀分析方法作進(jìn)一步分析，最后確定較好的試驗方案。其操作步驟為：

(1) 首先確定試驗指標(biāo)的權(quán)重。假定有P1、P2、…、Pi等i個試驗指標(biāo)，每個試驗指標(biāo)權(quán)重為γ1、γ2、…、γi，則滿足γ1+γ2…+γi=1.0。

(2) 確定試驗指標(biāo)的隸屬度。設(shè)指標(biāo)值X，指標(biāo)最小值Xmin，指標(biāo)最大值Xmax，則試驗指標(biāo)的隸屬度U的計算公式如下：

(18)

(19)

瀝青磚綜合性能控制4個關(guān)鍵試驗技術(shù)指標(biāo)，即抗壓強(qiáng)度、凍融強(qiáng)度比、棱角最大破損尺寸、棱角破損率，綜合考慮每個試驗指標(biāo)權(quán)重如表5所示。由于再生瀝青磚主要的受荷方向與類型為豎向與側(cè)向的壓應(yīng)力，因此其最可能的破壞方式為受壓破壞，因此權(quán)重較大，而在其服役期間，凍融循環(huán)作用也不可忽略，而棱角最大破損尺寸與棱角破損率相對前兩者而言，屬于形態(tài)規(guī)格上的變化，因此權(quán)重分布較小。

表5 試驗指標(biāo)權(quán)重分布

表6為級配結(jié)構(gòu)類型A和級配粗細(xì)程度B對試驗指標(biāo)的隸屬度及綜合評分。綜合得分最靠前兩種組合分別為：AC級配結(jié)構(gòu)細(xì)級配以及SMA級配結(jié)構(gòu)細(xì)級配。

表6 試驗指標(biāo)綜合評分

采用SMA級配結(jié)構(gòu)細(xì)級配盡管綜合評分較AC級配結(jié)構(gòu)細(xì)級配高，但綜合評分差距不大，從制備角度來看前者級配結(jié)構(gòu)較后者需要增加大量的礦粉及外摻瀝青，從經(jīng)濟(jì)角度看，這一點與RAP再生瀝青磚的研究初衷不符，綜合考慮建議瀝青磚的最佳級配結(jié)構(gòu)為AC-10型細(xì)級配。

5 結(jié)論

(1) AC-10級配RAP瀝青磚的初期抗壓性能整體優(yōu)于SMA-10級配，在經(jīng)過凍融循環(huán)處理后，不同粗細(xì)程度的SMA-10級配瀝青磚的凍融強(qiáng)度比變化不大，較AC-10而言，抗壓強(qiáng)度損失較小，說明SMA-10級配的瀝青磚在不利工況下可以保持較為穩(wěn)定的使用性能，較AC-10型而言更優(yōu)。

(2) AC-10級配的瀝青磚，隨著集料粒徑減小，集料與膠結(jié)料之間黏附性更好，整體更為均勻，受沖擊荷載作用時，表面破損率逐漸降低。而SMA-10級配中，粒徑逐漸變小的同時，在木纖維作用下，粗、細(xì)集料分界愈發(fā)不明顯，密實骨架型結(jié)構(gòu)優(yōu)勢逐漸降低，導(dǎo)致粒料之間嵌擠效果下降，在沖擊荷載作用下，粒料更容易發(fā)生分散。

(3) 雙因素方差分析顯示集料粒徑的大小對抗壓強(qiáng)度影響較大，而瀝青磚的表面平整度受級配類型的影響更為明顯，根據(jù)綜合評分結(jié)果，兩種級配類型的細(xì)級配方案具有最高的評分，但考慮到經(jīng)濟(jì)效益與實用價值，AC-10型細(xì)級配為生產(chǎn)RAP瀝青磚最佳的級配方案。