團(tuán)粒結(jié)構(gòu)對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響

杜曉博 劉曉彤 張宏超 劉文昶 張 鋒

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

0 引 言

近年來，隨著對(duì)環(huán)保的日益重視及資源的日漸短缺，廢舊瀝青混合料再生技術(shù)已成為道路工程的研究熱點(diǎn).但是關(guān)于舊料的研究主要集中在舊料的摻量等對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響上，對(duì)于舊料本身結(jié)構(gòu)的研究則較少.實(shí)際上，舊料銑刨后，集料并不像新的混合料一樣是松散的，大部分舊料是由多個(gè)集料通過瀝青黏結(jié)成團(tuán)存在的，通常稱為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[1].在混合料再生的過程中，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)并不能完全分散，因此在再生瀝青混合料中仍然存在團(tuán)粒結(jié)構(gòu).團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在對(duì)瀝青混合料究竟會(huì)產(chǎn)生何種影響需要進(jìn)行進(jìn)一步研究.

1 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)

通常來說，進(jìn)行混合料再生設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)對(duì)舊料進(jìn)行抽提，確定舊料級(jí)配和瀝青含量等，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在將對(duì)級(jí)配產(chǎn)生影響.因此，采用某種指標(biāo)評(píng)價(jià)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在對(duì)舊料級(jí)配的影響是有實(shí)際意義的，也是可行的.根據(jù)舊料抽提前后的級(jí)配差異建立團(tuán)粒結(jié)構(gòu)指標(biāo)，為

(1)

式中：Jt為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)結(jié)團(tuán)程度；Bi0為各篩孔抽提前分計(jì)篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Bi為各篩孔抽提后分計(jì)篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Jt為0時(shí)，廢舊瀝青混合料中不存在團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；Jt越接近于1，則廢舊瀝青混合料結(jié)團(tuán)程度越高.

2 試驗(yàn)方案

熱拌再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法如下：對(duì)舊料進(jìn)行抽提，得到回收瀝青和回收集料；之后計(jì)算舊料中的瀝青含量，同時(shí)對(duì)回收瀝青進(jìn)行性能試驗(yàn)和再生劑摻量試驗(yàn)并確定再生劑摻量；對(duì)回收集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)確定回收集料級(jí)配，依據(jù)該級(jí)配將舊料作為一檔集料，與新集料進(jìn)行合成級(jí)配的設(shè)計(jì).

因此，熱拌再生瀝青混合料的目標(biāo)級(jí)配設(shè)計(jì)是按照舊料抽提后的回收集料級(jí)配設(shè)計(jì)的，其中隱含了舊料里的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在熱再生過程中全部散開的假設(shè).然而在實(shí)際應(yīng)用中，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)仍然存在于再生瀝青混合料中，所以利用抽提后回收集料的級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)是不合理的.為探究團(tuán)粒結(jié)構(gòu)對(duì)熱再生瀝青混合料路用性能的影響，對(duì)比試驗(yàn)方案見表1.

模擬舊料是由新集料按10%舊料(10～26 mm)和25%舊料(0～10 mm)抽提后的級(jí)配配成的模擬集料與模擬老化瀝青組成.

該對(duì)比試驗(yàn)中，兩種再生瀝青混合料的變量為摻加的舊料形態(tài)不同.普通再生瀝青混合料(普通再生料)摻加的是實(shí)際的舊料，里面含有大量的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；而模擬舊料再生瀝青混合料(模擬再生料)摻加的是按照舊料抽提后的級(jí)配配成的模擬集料與相應(yīng)含量的模擬老化瀝青，旨在模擬舊料中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在拌和中完全散開的情況，即理想狀態(tài)下的熱再生瀝青混合料設(shè)計(jì).

3 材 料

3.1 舊料

3.1.1舊料級(jí)配

將舊料分成0～10 mm和10～26 mm兩檔，各取五組分別進(jìn)行篩分試驗(yàn)，然后進(jìn)行抽提及瀝青的回收.抽提及回收瀝青分別采用文獻(xiàn)[2]中T0722—1993和T0727—2011兩種方法進(jìn)行.舊料抽提前后篩分結(jié)果見表2.

3.1.2團(tuán)粒結(jié)構(gòu)結(jié)團(tuán)程度評(píng)價(jià)

根據(jù)式(1)，對(duì)10～26 mm和0～10 mm兩檔舊料進(jìn)行了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)結(jié)團(tuán)指標(biāo)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 0～10 mm和10～26 mm舊料結(jié)團(tuán)程度指標(biāo)

由表3可知，不同粗細(xì)的舊料相比，粒徑較粗的舊料中結(jié)團(tuán)程度明顯高于粒徑較小的舊料，說明團(tuán)粒結(jié)構(gòu)更廣泛地存在于粒徑較粗的舊料中，為保證再生瀝青混合料的路用性能，減小團(tuán)粒結(jié)構(gòu)對(duì)其的影響，應(yīng)控制粒徑較粗舊料的摻配比例.

3.1.3舊料瀝青

通過抽提，可以得到舊料中瀝青含量.0～10 mm檔舊料瀝青平均含量為3.9%，10～26 mm檔舊料中瀝青平均含量為1.7%.舊料瀝青的三大指標(biāo)見表4.

表4 舊料瀝青三大指標(biāo)

3.2 基質(zhì)瀝青

用于模擬老化的原樣瀝青以及舊料再生時(shí)加入的新瀝青均采用中海70#基質(zhì)瀝青，其瀝青性能指標(biāo)見表5.

表5 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

3.3 其他材料

粗細(xì)集料均采用石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r磨成的石粉，再生劑為自制再生劑.

4 瀝青老化模擬及再生劑含量確定

4.1 瀝青老化模擬

采用薄膜烘箱加熱試驗(yàn)對(duì)70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行老化模擬，稱取50 g瀝青放入不銹鋼盛樣皿中，在193 ℃的溫度下，以5.5 r/min的速率旋轉(zhuǎn)加熱.加熱時(shí)間分別選擇6，8，10，12 h，對(duì)老化后的瀝青試樣進(jìn)行三大指標(biāo)測(cè)定，分別與舊料瀝青三大指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，確定最終老化時(shí)間，結(jié)果見表6.

由表6可知，老化12 h后瀝青三大指標(biāo)與舊料瀝青指標(biāo)較為接近，且根據(jù)趨勢(shì)可以看出，老化10 h之后瀝青性能指標(biāo)變化幅度較小，再增加老化時(shí)間對(duì)瀝青性能指標(biāo)影響不大，故確定模擬老化瀝青的實(shí)驗(yàn)室制備條件為薄膜烘箱193 ℃，老化時(shí)間為12 h.

表6 不同老化時(shí)間下瀝青性能指標(biāo)

4.2 再生劑含量確定

為確定廢舊瀝青混合料所需摻加的再生劑比例，本節(jié)用上節(jié)制備的模擬老化瀝青分別摻加6%，8%，12%，14%的再生劑，充分?jǐn)嚢桁o置1 h后，進(jìn)行再生瀝青的三大指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表7 摻加不同含量再生劑的再生瀝青三大指標(biāo)

由表7可知，隨著再生劑含量的提高，針入度、延度逐步增大，軟化點(diǎn)逐步減小.綜合三大指標(biāo)變化情況，確定再生劑含量為14%.

5 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

5.1 拌和工藝

廢舊瀝青混合料再生過程的理想狀態(tài)是，舊料上的瀝青可以向新料上轉(zhuǎn)移，同時(shí)和再生劑、新瀝青得到良好的融合以形成新的瀝青混合料.但是舊料上的瀝青已經(jīng)老化，變硬變黏，流動(dòng)性變差，如果按照普通拌和過程進(jìn)行拌和，舊瀝青往往難以向新料上轉(zhuǎn)移，以致再生瀝青混合料中新舊瀝青分布不均，路用性能變差.因此普通再生料采用以下拌和工藝進(jìn)行混合料的拌和：①將材料和拌鍋分別加熱到目標(biāo)溫度；②加入舊料和再生劑，拌和15 s；③加入新料，拌和15 s；④加入新瀝青，拌和60 s；⑤加入礦粉，拌和90 s；⑥出料成型.

模擬再生料拌和工藝與上述工藝略有不同，具體工藝如下：①將材料和拌鍋分別加熱到目標(biāo)溫度；②加入模擬舊料和模擬瀝青，拌和30 s；③加入再生劑，拌和15 s；④加入新料，拌和15 s；⑤加入新瀝青，拌和60 s；⑥加入礦粉，拌和90 s；⑦出料成型.

5.2 設(shè)計(jì)級(jí)配

普通再生料和模擬再生料的設(shè)計(jì)級(jí)配一致，均為AC-20的級(jí)配中值，見表8.舊料摻配比例為舊料1(10～26 mm)10%和舊料2(0～10 mm)25%，區(qū)別在于摻加的舊料一個(gè)是已有舊料，另一個(gè)是模擬舊料.

表8 AC-20目標(biāo)級(jí)配

根據(jù)兩檔舊料摻配比例、抽提后的篩分結(jié)果以及舊料中瀝青的含量，確定模擬再生料中模擬舊料的摻配比例，見表9.模擬老化瀝青摻配比例為1.14%.

表9 模擬舊料摻配比例

根據(jù)目標(biāo)級(jí)配、兩檔舊料抽提后的篩分結(jié)果、摻配比例，兩種再生料中新集料摻配比例見表10.

表10 兩種再生瀝青混合料中新集料摻配比例

6 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)對(duì)體積參數(shù)和路用性能的影響

6.1 評(píng)價(jià)方法

對(duì)兩種再生料的體積參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)對(duì)兩種再生料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、疲勞性能進(jìn)行測(cè)定.其中高溫性能、低溫性能分別采用文獻(xiàn)[2]中瀝青混合料車轍試驗(yàn)(T0719—2011)、瀝青混合料彎曲試驗(yàn)(T0715—2011)進(jìn)行評(píng)價(jià)，水穩(wěn)定性則采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)(T0709—2011)和凍融劈裂試驗(yàn)(T0729—2011)兩種方法進(jìn)行評(píng)價(jià).

疲勞性能試驗(yàn)采用中間加載彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià).試驗(yàn)方案如下：①試件成型 采用輪碾成型車轍板，切割成小梁；②試件尺寸 250 mm×35 mm×30 mm，跨徑為200 mm；③試驗(yàn)荷載 應(yīng)力控制模式，荷載水平采用0.3，0.4，0.5三個(gè)應(yīng)力比；④加載頻率 10 Hz連續(xù)式正弦波形；⑤試驗(yàn)溫度 15 ℃；⑥試驗(yàn)設(shè)備 MTS810材料試驗(yàn)系統(tǒng).

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

6.2.1體積參數(shù)

表11為再生料體積參數(shù).由表11可知，普通再生料相比模擬再生料來說，空隙率及礦料間隙率較大，瀝青飽和度較小，這是因?yàn)閷?duì)于普通再生料來說，舊料中的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)未完全散開，相比模擬再生料來說，其粗集料偏多，細(xì)集料偏少，從而造成上述結(jié)果.

表11 再生料體積參數(shù)

6.2.2高溫性能

表12為車轍試驗(yàn)結(jié)果.由表12可知，普通再生料車轍深度小于模擬再生料，動(dòng)穩(wěn)定度則較大，說明普通再生料高溫性能優(yōu)于模擬再生料.團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在可以改善再生料的高溫性能.

表12 車轍試驗(yàn)結(jié)果

瀝青混合料的高溫性能的主要影響因素為集料(特別是粗集料)之間的嵌擠力和瀝青的黏結(jié)力[3].對(duì)于普通舊料來說，由于存在團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，粗集料偏多，集料之間嵌擠作用更大，從而抵抗高溫變形的能力更強(qiáng).同時(shí)，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)由于未完全分散開，其中的舊瀝青并未得到再生，因此，這部分瀝青高溫性能較好，也在一定程度上改善了瀝青混合料的高溫性能.

6.2.3低溫性能

模擬再生料的最大彎拉應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度均比普通再生料大，彎曲勁度模量則低于比普通再生料.說明模擬再生料的低溫性能優(yōu)于普通再生料，即團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在會(huì)損害再生料的低溫性能.表13為低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果.

表13 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在，普通再生料中部分老化瀝青未能得到良好的再生，導(dǎo)致這部分瀝青的低溫性能較差，在低溫狀態(tài)下更容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象.此外，研究表明，隨著空隙率的增大，瀝青混合料低溫性能變差[4].普通再生料相比模擬再生料來說空隙率更大，因此也會(huì)對(duì)其低溫性能造成損害.

6.2.4水穩(wěn)定性

普通再生料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比均小于模擬再生料，兩種瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法均表明，普通再生料水穩(wěn)定性是弱于模擬再生料，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在會(huì)損害再生料的水穩(wěn)定性，見表14～15.

表14 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表15 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響因素有瀝青和集料的黏附性、瀝青混合料空隙率等[5].對(duì)于普通再生料來說，其空隙率高于模擬再生料，水分更容易進(jìn)入混合料內(nèi)部，從而更易發(fā)生水損害.同時(shí)，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中的舊瀝青由于未能得到有效再生，其粘附性較差，在水分作用性也更易脫離集料.

6.2.5疲勞性能

表16為不同應(yīng)力比條件下疲勞壽命.由表16可知，隨著應(yīng)力比的增加，兩種再生料疲勞壽命均降低；在相同應(yīng)力比條件下，模擬再生料的疲勞壽命始終高于普通再生料，說明團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在會(huì)降低再生瀝青混合料的疲勞壽命.

表16 不同應(yīng)力比條件下疲勞壽命

瀝青混合料疲勞破壞發(fā)展過程通常是在外界荷載作用下，先在混合料內(nèi)部產(chǎn)生微小裂縫，在荷載反復(fù)作用下，微小裂縫逐漸發(fā)展，從而會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞的發(fā)生.影響疲勞破壞的因素多且復(fù)雜，一般主要取決于瀝青混合料的勁度模量、組成材料的性質(zhì)、材料的均勻性,以及瀝青膜厚度等[6].

普通再生料空隙率比模擬再生料大，研究表明，隨著空隙率的增大，瀝青混合料破壞勁度模量會(huì)降低，這會(huì)使混合料在工作中更易發(fā)生破壞而產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致疲勞壽命變小[7-8].

團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致普通再生料制備過程中舊瀝青不能完全散開，使得舊瀝青無法得到有效再生，這部分瀝青性能較差，在荷載作用下，相應(yīng)位置處更易產(chǎn)生微裂縫，從而降低再生料的疲勞性能[9-10].另一方面，因舊集料集聚在團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中，普通再生料其他位置的瀝青膜厚度是薄于模擬再生料的，而瀝青混合料疲勞性能隨瀝青膜厚度的減小而變差，因此，這也是普通再生料疲勞性能較差的一個(gè)原因.

7 結(jié) 論

1) 粒徑較粗的舊料結(jié)團(tuán)程度高于粒徑較細(xì)的舊料.

2) 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致再生瀝青混合料空隙率及礦料間隙率增大，瀝青飽和度減小.

3) 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在可以改善再生瀝青混合料的高溫性能.

4) 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的存在會(huì)對(duì)再生瀝青混合料的低溫性能、水穩(wěn)定性以及疲勞性能產(chǎn)生不利影響.