大摻量廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

陳 波

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司 國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心特殊鋪裝技術(shù)研究所，重慶 400067)

0 引言

隨著我國交通建設(shè)的發(fā)展和公路綠色養(yǎng)護(hù)需求的不斷上升，廢舊瀝青路面材料(RAP)作為一種重要的、可循環(huán)再生利用的自然資源，在道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)工程中發(fā)揮著巨大作用。在RAP的再生利用過程中，再生瀝青混合料(Recycled Asphalt Mixture)存在低溫性能、水穩(wěn)定性能、抗疲勞性能不足的問題[1]。

Mogawer等[2]研究了40%RAP摻量的再生瀝青混合料路用性能，結(jié)果表明再生瀝青混合料的強(qiáng)度大于新料，低溫性能與新料相當(dāng)。陳龍等[3]考察了RAP摻量為10%～50%的再生瀝青混合料的低溫和水穩(wěn)定性，結(jié)果表明再生瀝青混合料的低溫和水穩(wěn)定性隨RAP的加入而降低。董玲云等[4]針對不同老化程度的RAP，采用馬歇爾方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，測試RAM的疲勞性能，結(jié)果表明RAM的疲勞壽命隨RAP老化程度的提高而降低。李泉等[5]研究RAP材料變異性對RAM性能的影響，結(jié)果表明減少RAP的材料變異性可以提高RAM的路用性能。

RAP的循環(huán)再利用具有廣闊的應(yīng)用前景，目前國內(nèi)外學(xué)者針對低摻量(<50%)的再生瀝青混合料路用性能進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，RAM的各項(xiàng)路用性能均可以滿足要求，對高摻量的RAM路用性能研究較少。本文基于馬歇爾方法設(shè)計(jì)了AC-13，AC-16兩種再生瀝青混合料，采用室內(nèi)試驗(yàn)研究再生瀝青混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)定性和疲勞特性，分析RAP摻量、再生劑和級配對再生瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律，為大摻量RAP再生瀝青混合料的生產(chǎn)與應(yīng)用提供參考。

1 原材料

再生劑ZZ為重慶交通大學(xué)研制的瀝青再生劑，其主要成分包括高芳烴含量的石油提取物、韌性恢復(fù)材料和抗老化劑，摻量為老化瀝青質(zhì)量的7%[3]，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

RAP取自貴陽畢節(jié)高速公路中面層，原瀝青路面膠結(jié)料為70號基質(zhì)瀝青，瀝青含量為4.8%，RAP中瀝青的性能指標(biāo)見表2，集料物理指標(biāo)見表3。

表1 ZZ再生劑基本性能指標(biāo)

表2 RAP中瀝青的性能指標(biāo)

表3 回收集料物理指標(biāo)

2 再生瀝青混合料配合比

由RAP與70號基質(zhì)瀝青配置AC-13和AC-16型再生瀝青混合料(RAM)，根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法，計(jì)算了RAM的最佳瀝青用量、新瀝青用量，并測試了混合料的空隙率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 再生瀝青混合料的配合比

分析表4可知，再生瀝青混合料的總瀝青用量隨RAP摻量的增大而提高，RAP摻量增加10%，RAM總瀝青用量增加0.2%～0.3%。分析其原因是：隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料中舊瀝青含量提高，舊瀝青在自然條件下老化，其中部分瀝青與集料形成嵌固結(jié)構(gòu)，通過回收拌和無法實(shí)現(xiàn)完全再生，導(dǎo)致馬歇爾方法確定的瀝青含量偏高。對比摻入再生劑前后瀝青混合料瀝青用量可知，RAP摻量相同時(shí)，加入ZZ再生劑后，RAM的最佳瀝青用量降低0.2%～0.3%，新瀝青用量降低0.2%～0.4%，表明再生劑能夠提高老化瀝青的再生性，分析其原因是再生劑使部分老化瀝青的路用性能得到恢復(fù)，提高了老化瀝青的利用率[4,5]。

3 再生瀝青混合料路用性能

3.1 高溫性能

按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青和瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程T0703—2011的方法成型車轍試件，采用車轍實(shí)驗(yàn)研究RAM的高溫抗變形能力，實(shí)驗(yàn)條件為：輪壓0.7 MPa±0.05 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃±1 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5，圖1所示。

表5 再生瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)穩(wěn)定度能夠表征瀝青混合料抵抗高溫變形的能力，我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求基質(zhì)瀝青混合料的高溫性能應(yīng)大于800次/mm。分析再生瀝青混合料的高溫性能可知，RAM的動(dòng)穩(wěn)定度隨RAP的摻量變化明顯，提高RAP摻量能夠改善瀝青混合料高溫條件下的抗變形能力。RAP摻量相同時(shí)，使用再生劑的再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度較低，表明再生劑對瀝青混合料的高溫性能有不利影響。其主要原因是ZZ再生劑富含芳香分、飽和烷烴等化合物，對瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有顯著影響，降低瀝青的粘度和模量，導(dǎo)致RAM的動(dòng)穩(wěn)定度下降。此外，AC-16型再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度高于AC-13型，表明采用較大公稱粒徑的級配能夠提高瀝青混合料抵抗高溫變形的能力。

3.2 低溫性能

瀝青混合料是典型的柔性路面結(jié)構(gòu)，具有良好的低溫變形能力，本文采用低溫小梁彎曲實(shí)驗(yàn)，測試不同RAP摻量的RAM在-10 ℃、加載速率50 mm/min條件下的抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變、彎曲勁度模量，評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

低溫彎曲實(shí)驗(yàn)表明，隨著RAP摻量比例的增加，再生瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度RB無明顯變化規(guī)律，最大彎拉應(yīng)變εB逐漸降低，彎曲勁度模量SB逐漸增大。表明，RAP提高了瀝青混合料低溫下的塑性變形能力和應(yīng)力耗散能力，對再生瀝青混合料的低溫抗裂性能有不利影響。再生劑對瀝青混合料的低溫應(yīng)變特性影響顯著，摻加再生劑后，再生瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度RB和最大彎拉應(yīng)變εB增大，彎曲勁度模量SB減小，再生劑提高了再生瀝青混合料的柔性變形能力，對低溫性能有改善作用。當(dāng)RAP摻量在40%～70%之間時(shí)，AC-13和AC-16型RAM的低溫性能均滿足JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中εB>2 000 με的技術(shù)要求。此外，AC-16型RAM的彎拉應(yīng)變大于AC-13型，勁度模量小于AC-13型，說明AC-16型再生瀝青混合料的抗裂性能優(yōu)于AC-13型，從低溫性能考慮，AC-16型級配更適合用于高摻量的再生瀝青混合料。

表6 再生瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

水損害是瀝青混合料最顯著的早期病害形式，根據(jù)《規(guī)程》中瀝青混合料水穩(wěn)定性評價(jià)方法，本文測試不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)、摻加再生劑前后的RAM凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR，評價(jià)RAM的水穩(wěn)定性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 再生瀝青混合料水穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于AC-13與AC-16兩種級配，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR均隨著RAP摻量的增加而降低。摻加再生劑后，瀝青混合料的殘留強(qiáng)度比增大，表明再生劑對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有改善作用。這主要是因?yàn)樵偕鷦┧妮p質(zhì)組分與老化瀝青融合，降低了老化瀝青的粘度，提高了老化瀝青在集料表面的鋪展、浸潤程度；同時(shí)，再生劑使老化瀝青的輕質(zhì)組分(芳香分、飽和分)比例上升，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的含量降低，改善了老化瀝青的分子極性，從而提高瀝青與集料的粘附能力[11]。

3.4 疲勞特性

本文使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)UTM對RAM進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，研究RAP摻量、應(yīng)力水平、再生劑對再生瀝青混合料疲勞特性的影響。試件采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，以試件豎向應(yīng)變達(dá)到6%為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)，荷載加載模式為應(yīng)力控制，加載波形為半正矢波,加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)溫度為15 ℃，應(yīng)力水平為0.3，0.4，0.5，0.6。按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青和瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程T0716—2011的方法測試RAM在15 ℃的劈裂強(qiáng)度，確定疲勞試驗(yàn)的荷載值，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表8。

由表8可見，對于AC-16與AC-13型RAM，隨著RAP摻量的增加，其劈裂強(qiáng)度呈增大趨勢，這主要是因?yàn)镽AP中老化瀝青的勁度模量高于普通瀝青，使RAM的強(qiáng)度高于普通瀝青混合料，變形能力下降。對于同種級配的RAM，RAP摻量相同時(shí)，ZZ再生劑的加入降低了劈裂強(qiáng)度，其主要原因是再生劑能夠調(diào)節(jié)老化瀝青的組分和膠體結(jié)果，具有軟化瀝青的作用，改善了老化瀝青的流變性能，宏觀表現(xiàn)為RAM的劈裂強(qiáng)度降低。

表8 再生瀝青混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

研究表明，應(yīng)力比與疲勞壽命的對數(shù)呈線性關(guān)系，其方程形式為：

logNf=k-nσ

(1)

其中,σ為應(yīng)力水平；Nf為疲勞壽命；k為瀝青混合料的疲勞壽命初值；n為瀝青混合料疲勞壽命對應(yīng)力比的敏感度[10]。

本文對AC-13與AC-16兩種級配的RAM進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，按照式(1)對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，結(jié)果見表9，圖2，采用最小二乘法對回歸方程進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，結(jié)果表明：線性回歸方程的R2>0.95,回歸效果顯著。

根據(jù)圖2可知，隨著RAP摻量的增加，疲勞方程的k與n均減小，表明隨著RAP摻量的增加，RAM的疲勞壽命降低，疲勞壽命對應(yīng)力比的敏感程度也降低。在相同級配和RAP摻量條件下，加入再生劑后，n與k增大，表明再生劑能夠提高RAM的疲勞壽命，同時(shí)RAM對應(yīng)力的敏感程度提高。AC-13型RAM的疲勞壽命大于AC-16型，隨RAP摻量增加AC-13型RAM的疲勞壽命降幅低于AC-16型，因此，從再生瀝青混合料的長期性能考慮，使用公稱最大粒徑較小的級配更適用于大摻量再生瀝青混合料。

表9 再生瀝青混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)RAP摻量增加10%，RAM的總瀝青用量增加0.2%～0.3%；RAP摻量相同時(shí)，加入ZZ再生劑后，RAM的總瀝青用量降低了0.2%～0.3%，新瀝青用量降低了0.2%～0.4%，再生劑能提高老化瀝青的利用率。2)隨著RAP摻量的增加，RAM高溫性能提高，低溫性能、水穩(wěn)定性能均下降，再生劑降低了RAM的高溫性能，對低溫性能、水穩(wěn)定性能有明顯改善作用。3)隨著RAP摻量從40%增加到70%，AC-13與AC-16型RAM的15 ℃劈裂強(qiáng)度分別從2.51 MPa，3.17 MPa增加到2.96 MPa,3.66 MPa，增幅分別為18%，15.5%，劈裂強(qiáng)度與RAP摻量具有顯著的相關(guān)性。4)RAM的對數(shù)疲勞壽命與應(yīng)力比具有顯著的線性關(guān)系，隨著RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，擬合方程的截距減小，RAM的抗疲勞性能降低，加入ZZ再生劑后，RAM的疲勞壽命增大，應(yīng)力敏感度升高。5)對比AC-13和AC-16兩種再生瀝青混合料的路用性能可知，使用較小粒徑的級配能夠提高瀝青混合料的疲勞性能和水穩(wěn)定性。