基于平衡設(shè)計的RAP最佳摻量確定方法研究

(廣東晶通公路工程建設(shè)集團有限公司, 廣東 廣州 510635)

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展和環(huán)保理念的進步，瀝青路面再生技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。瀝青路面再生可分為熱再生、冷再生和溫再生；按照再生處理形式可分為廠拌式和就地式。廠拌熱再生由于其將舊料重新篩分加入新瀝青混合料中，再生瀝青混合料的性能能夠得到保證，在實際工程中取得了較好的應(yīng)用效果，行業(yè)認可度較高[1-3]。現(xiàn)有研究表明，只要嚴格控制施工質(zhì)量，高摻量回收瀝青路面材料(RAP)再生瀝青混合料也能取得良好的路用性能和耐久性。西班牙道路使用了60%RAP的再生瀝青混合料，經(jīng)過多年觀測后，該段道路沒有產(chǎn)生顯著病害；而我國廠拌熱再生瀝青混合料使用中，業(yè)主出于耐久性考慮，實際工作中通常僅加入20%左右RAP。目前,對于廠拌熱再生瀝青混合料中RAP的摻量確定比例缺乏研究。

美國在1980年代末期實施公路戰(zhàn)略研究計劃時，發(fā)現(xiàn)最常見的路面損壞形式是車轍。但隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，路面損壞形式發(fā)生了較大變化，最常見的病害形式變?yōu)榱芽p?；谠撜{(diào)查結(jié)果，美國聯(lián)邦公路局提倡平衡的配合比設(shè)計(BMD設(shè)計方法)，該方法回歸到Superpave系統(tǒng)的性能測試原則，在抗車轍和抗裂性能之間找到平衡點[4-6]。本文借鑒平衡設(shè)計的理念，以不同RAP摻量下再生瀝青混合料抗裂性和抗車轍能力平衡點作為RAP最佳摻量，為科學(xué)確定RAP最佳摻量提供參考。

1 試驗設(shè)計及原材料

1.1 原材料試驗

新瀝青采用的是中國石油化工股份有限公司茂名分公司生產(chǎn)的A級70#普通石油瀝青，其主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 70#瀝青技術(shù)指標類別針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)針入度指數(shù)PI延度(5 cm/min)/cm15 ℃10 ℃軟化點/℃60 ℃動力粘度/(Pa·s)臘含量(蒸餾法)/%閃點/℃溶解度/%25 ℃彈性恢復(fù)/%旋轉(zhuǎn)薄膜加熱后殘留物質(zhì)量變化/%25 ℃針入度比/%延度/cm10 ℃15 ℃15 ℃密度/(g·cm-3)25 ℃相對密度技術(shù)要求60～80-1.5～1.0≥100≥15≥46≥180≤2.2≥260 ≥99.5≥75-0.8～0.8≥61≥6 ———檢測結(jié)果62-1.45>10021.248.52551.833099.82910.04482 6.4451.0451.036

舊瀝青混合料采用1次銑刨方式銑刨，從現(xiàn)場取回后，實驗室內(nèi)采用26.5 mm和9.5 mm篩孔對其進行篩分，將舊瀝青混合料分為0～9.5 mm和9.5～26.5 mm 2檔，并分別對其抽提篩分，混合料級配如表2所示。采用阿布森法回收老化瀝青，測試老化瀝青的針入度，0～9.5 mm回收瀝青針入度為20(0.1 mm)，9.5～26.5 mm回收瀝青針入度為22(0.1 mm)，均可用于廠拌熱再生工程。粗集料、細集料和填料經(jīng)測試均滿足規(guī)范要求，再生劑是荷蘭Prephalt牌FBK型再生劑。

表2 RAP礦料檢測結(jié)果RAP礦料規(guī)格/mm通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0759.5～26.5100.098.495.984.646.623.116.011.59.67.25.64.20～9.5100.0100.0100.0100.099.965.541.127.521.615.111.17.4

1.2 配合比設(shè)計

設(shè)計原則是改變RAP摻量的同時調(diào)整新集料配比，使得不同RAP摻量的再生瀝青混合料級配曲線相當(dāng)，設(shè)計了RAP摻量為20%、40%、60%和80%時的混合料級配，其各篩孔通過率見表3。再生瀝青混合料實驗室拌合流程為:先加入RAP和再生劑拌合90 s，再加入新集料干拌90 s，然后加入新瀝青拌合90 s，最后加入填料拌合90 s，通過改變成型溫度保證瀝青用量和空隙率處在同一水平，馬歇爾試驗結(jié)果如表4所示。

表3 再生瀝青混合料級配曲線設(shè)計混合料名稱通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075GAC-25+20%RAP10099.287.580.370.255.335.025.516.013.89.57.95.6GAC-25+40%RAP10099.187.879.669.552.434.223.516.813.510.07.55.5GAC-25+60%RAP10099.087.980.672.757.436.126.517.914.310.28.05.7GAC-25+80%RAP10099.088.178.768.349.732.322.815.913.09.77.75.8

表4 再生瀝青混合料最佳油石比馬歇爾試驗結(jié)果混合料類型最佳油石比/%試件密度/(g·cm-3)理論實測空隙率/%GAC-25+20%RAP3.602.5322.4403.6GAC-25+40%RAP3.602.5352.4423.7GAC-25+60%RAP3.602.5372.4443.7GAC-25+80%RAP3.602.5392.4453.7———(4～6) 注: 括號內(nèi)為技術(shù)要求。

1.3 試驗方法

1.3.1低溫抗裂性能

評價瀝青混合料的低溫抗裂性能可采用半圓試驗、間接拉伸試驗或小梁彎曲試驗。瀝青路面在車輛荷載作用下，路面板呈現(xiàn)出上側(cè)受壓下側(cè)受拉的彎拉狀態(tài)。因此，本文抗裂性能以小梁彎曲試驗評價。

1.3.2高溫抗車轍性能

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)推薦單軸貫入試驗評價瀝青混合料的高溫性能[7]。因此，本文采用單軸貫入試驗評價再生瀝青混合料的高溫性能。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗裂性能

室內(nèi)成型小梁試件，測試其彎拉應(yīng)變，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 RAP摻量和彎拉應(yīng)變關(guān)系圖

由圖1可知，隨著RAP摻量的增加，再生料的低溫彎拉應(yīng)變呈下降趨勢。在較低RAP摻量時，再生瀝青混合料的低溫抗裂性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)不小于2 000 με的要求；RAP摻量超過60%后，其低溫性能低于規(guī)范要求，不適用于低溫地區(qū)使用。主要是因為瀝青老化后，低溫性能變差，再生劑、舊瀝青和新瀝青融合不充分導(dǎo)致不能完全恢復(fù)舊瀝青的性能，RAP摻量越高，融合程度越低，新、舊融合程度不夠的結(jié)合處越多，非常容易產(chǎn)生薄弱點，在施加荷載時這些薄弱點成為應(yīng)力集中處，從而造成破壞。因此RAP摻量越高，低溫性能越差。

2.2 高溫性能

將不同RAP摻量再生瀝青混合料制成馬歇爾試件，以60 ℃單軸貫入強度作為評價指標，測試得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 RAP摻量和單軸貫入強度關(guān)系圖

由圖2可知，隨著RAP摻量的減少，單軸貫入強度逐漸減小，再生瀝青混合料的高溫性能逐漸減弱。RAP摻量從60%增加到80%,再生料單軸貫入強度增加了0.4 MPa；而摻加20%RAP的再生料比摻加40%RAP的再生料單軸貫入強度僅低0.23 MPa。說明隨著RAP摻量減少，再生料的高溫性能逐漸減弱，但減弱程度不同，摻量減小對高摻量RAP再生料的高溫性能影響較大，對低摻量RAP再生料的影響較小。主要原因在于:再生劑加入后不能完全和舊瀝青混合料中的舊瀝青完全融合，RAP摻量越高，再生劑與舊瀝青融合程度越低，形成的再生瀝青針入度越小，從而使得高RAP摻量再生料的單軸貫入強度較高；RAP摻量較低時，新瀝青含量高，未完全與舊瀝青融合的再生劑跟新瀝青發(fā)生作用，這部分再生劑和新瀝青融合，增加新瀝青的針入度，使得低RAP摻量再生瀝青混合料的高溫性能減弱變慢。

2.3 確定最佳摻量

再生瀝青混合料的高溫抗車轍系數(shù)為：

式中：Ai表示不同摻量下再生瀝青混合料的單軸貫入強度;A為20%～80%單軸貫入強度的均值，即：A=∑Ai/4，其中i取20%、40%、60%、80%。

再生瀝青混合料的低溫抗裂系數(shù)為：

式中：Bi表示不同摻量下再生瀝青混合料的低溫彎拉應(yīng)變；B表示20%～80%的低溫彎拉應(yīng)變均值,即:B=∑Bi/4，其中i取20%、40%、60%、80%。

不同RAP摻量再生瀝青混合料的高溫車轍系數(shù)和低溫抗裂系數(shù)變化如圖3所示。隨著RAP摻量的增加，高溫抗車轍系數(shù)Di逐漸增加，低溫抗裂系數(shù)Fi逐漸減小。因此，隨著摻量的增加，抗車轍系數(shù)和抗裂系數(shù)存在一個交叉點，認為此處能較好地平衡再生瀝青混合料的高溫性能和低溫性能，并以交叉點處的RAP摻量作為再生瀝青混合料最佳摻量。

圖3 RAP摻量與均值比關(guān)系圖

由于加入了再生劑和RAP，因此摻加RAP后再生瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于普通瀝青混合料，同時低溫性能滿足規(guī)范要求。由圖3可知，抗車轍系數(shù)和抗裂系數(shù)在RAP摻量為52%處交叉，所以認為RAP摻量為52%時能夠較好地平衡再生瀝青混合料的高溫和低溫性能，實際操作中為了施工方便，取50%RAP摻量作為最佳摻量。

3 工程應(yīng)用

廣州市機場高速公路是連接機場的一條重要干道，也是廣州市對外交流和展示的重要形象。經(jīng)過十幾年運營后，大多數(shù)路段已經(jīng)超過了設(shè)計年限，

道路服務(wù)水平和整體形象受到了較大影響，為了提高路面的使用功能，更好地展現(xiàn)廣州的良好風(fēng)貌，2018年在廣州市機場高速公路上應(yīng)用了廠拌熱再生技術(shù)，對舊瀝青路面銑刨后重新加入部分新瀝青和新集料拌合成再生瀝青混合料，重新鋪筑在原路段。本次廠拌熱再生技術(shù)中應(yīng)用了平衡設(shè)計的理念，在GAC-25再生瀝青混合料中，確定了RAP最佳摻量為50%，然后再進行配合比性能驗證，其路用性能如表5所示。

表5 再生瀝青混合料路用性能類別動穩(wěn)定度/(次·mm-1)殘留穩(wěn)定度/%劈裂抗拉強度比/%試驗結(jié)果5 92793.189.7技術(shù)要求≥1 000≥80≥75

由表5可知，再生瀝青混合料路用性能符合要求，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)，現(xiàn)該段路經(jīng)過1 a使用后，未發(fā)現(xiàn)車轍、裂縫和坑槽等早期損害，因此基于平衡設(shè)計的RAP最佳摻量確定方法可以用于實際生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于平衡設(shè)計的RAP最佳摻量確定方法，研究發(fā)現(xiàn)再生瀝青混合料隨著RAP料的增加，高溫抗車轍性能逐漸增強，低溫抗裂性能逐漸減弱，以20%、40%、60%和80%RAP摻量的再生瀝青混合料抗車轍性能和抗裂性能均值比交叉點作為平衡點，平衡考慮抗裂性能和抗車轍性能，推薦50%RAP摻量作為最佳摻量，并在廣州市機場高速公路中應(yīng)用，取得了良好的效果，為確定再生瀝青混合料的RAP最佳摻量提供了科學(xué)依據(jù)。