RAP摻量對(duì)微罩面再生瀝青混合料性能的影響研究

鄧 華，黃 峰

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

隨著養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展，薄層罩面技術(shù)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)實(shí)體工程中應(yīng)用，并獲得良好效果。為了減少季節(jié)對(duì)薄層罩面施工的影響，推進(jìn)施工速度，引入厚度為0.7 cm～1.5 cm的微罩面混合料，達(dá)到減緩路面破壞速率、恢復(fù)路面使用性能、延長(zhǎng)路面使用壽命的目的[1]。微罩面技術(shù)需采用天然優(yōu)質(zhì)礦質(zhì)集料及性能良好的瀝青膠結(jié)料，而我國(guó)每年新產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料達(dá)到上億t，且多數(shù)通過(guò)廠拌熱再生用在路面的上、中、下面層，部分通過(guò)冷再生技術(shù)用于基層，也有瀝青路面采取就地?zé)嵩偕屠湓偕M(jìn)行處治，但總體利用率低于40%，不及發(fā)達(dá)國(guó)家的平均利用率[2-3]。若將廢棄的瀝青混合料用于預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)中的薄層微罩面中，不僅有助于廢舊資源再利用，還對(duì)薄層養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料的研究提供了思路[4-5]。為此，本文將某工程銑刨的廢舊瀝青混合料RAP處理后引入微罩面SMA-5混合料的應(yīng)用中，并當(dāng)RAP摻量為30%、50%、70%時(shí)，研究其對(duì)微罩面混合料路用性能的影響。

1 材料

1.1 瀝青膠結(jié)料

微罩面再生瀝青混合料選用SBS改性瀝青作為新瀝青，其技術(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 RAP料及新集料

試驗(yàn)采用的RAP材料來(lái)源于浙江某高速公路大修現(xiàn)場(chǎng)，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[6]中T0726方法對(duì)老化瀝青進(jìn)行取樣，并測(cè)試其性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

為保證微罩面再生混合料的級(jí)配變異性小，利用再生工廠設(shè)備對(duì)RAP料進(jìn)行破碎預(yù)處理[7]，分為0～3 mm、3 mm～5 mm兩種規(guī)格，篩分結(jié)果見(jiàn)表3，新集料選用0～3 mm的石灰?guī)r及3 mm～5 mm的玄武巖，其指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。由表3可知，0～3 mm規(guī)格的舊料整體偏細(xì)，0.075 mm的通過(guò)率過(guò)大，不宜作為回收料添加于SMA-5中，在后續(xù)試驗(yàn)采用規(guī)格為3 mm～5 mm的RAP料。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 老化瀝青技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 RAP集料篩分結(jié)果

1.3 聚酯纖維

選用聚酯纖維改善混合料的力學(xué)性能，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

1.4 微罩面再生混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG 5142—2019《瀝青公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[8]中對(duì)SMA-5作為功能罩面的級(jí)配范圍的規(guī)定，本文對(duì)微罩面再生混合料SMA-5進(jìn)行礦質(zhì)級(jí)配設(shè)計(jì)。盡管文獻(xiàn)[9-10]對(duì)SMA-5級(jí)配的研究表明，將1.18 mm作為關(guān)鍵篩孔控制其通過(guò)率較為合理，但考慮規(guī)格0～3 mm的RAP料過(guò)細(xì)，會(huì)對(duì)微罩面再生瀝青混合料的級(jí)配產(chǎn)生影響，因此采用規(guī)格為3 mm～5 mm的RAP料作為添加料，不同RAP摻量的再生混合料級(jí)配見(jiàn)表5。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)估油石比為7.2%，并按照J(rèn)TG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》[11]計(jì)算新添加瀝青含量，公式如下：

(1)

式中：Pnb為再生瀝青混合料的新瀝青用量，%；Pb為熱再生瀝青混合料的總瀝青用量，%；Pob為RAP中瀝青含量，%；R為RAP摻配比例，%。

表4 聚酯纖維技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果

表5 微罩面再生混合料SMA-5合成級(jí)配

2 試驗(yàn)與分析

2.1 RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料體積結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

采用馬歇爾試驗(yàn)測(cè)試不同RAP摻量混合料的穩(wěn)定度、流值及體積參數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，隨著RAP摻量的增加，新添加瀝青用量減小，毛體積相對(duì)密度減小，空隙率和穩(wěn)定度增大[12]。舊料在使用和銑刨過(guò)程中有一定量的磨耗，使得舊料的棱角性降低，集料逐漸圓潤(rùn)，在結(jié)構(gòu)中未能形成密實(shí)骨架，同時(shí)因計(jì)算法確定的油石比存在誤差，即計(jì)算法把舊料中的瀝青認(rèn)為是100%利用，但實(shí)際情況可能存在一部分老化瀝青未能與新料充分交融，造成瀝青空隙率逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致新舊料中的瀝青膜厚度不均勻。另外，由于RAP料中的老化瀝青為混合料的強(qiáng)度提供了支撐，摻量越大，穩(wěn)定度越大。

表6 不同RAP摻量瀝青混合料體積結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 RAP摻量對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響

按照J(rèn)TG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》[11]對(duì)熱再生混合料施工的要求，在175 ℃下分別成型不同RAP摻量的4組車(chē)轍板試件，在60 ℃條件下進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，測(cè)試各RAP摻量下微罩面再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，30%、50%、70%摻量下的動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于不摻RAP料分別提高了13.7%、45.5%、103.0%，說(shuō)明微罩面的動(dòng)穩(wěn)定度隨RAP摻量的增加而增大，其高溫性能得到改善的主因是新、舊瀝青的交融使得老化瀝青粘度得到改善，形成較大的內(nèi)聚力，同時(shí)瀝青老化提高了舊料軟化點(diǎn)，使得在溫度和荷載的外界作用下不易產(chǎn)生較大的變形，且老化瀝青含量越多，抵抗高溫變形的能力越強(qiáng)[13]。

圖1 不同RAP摻量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 RAP摻量對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響

瀝青混合料的低溫性能主要指在低溫下混合料抵抗溫度收縮應(yīng)力的能力，可采用瀝青混合料彎曲蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)。按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[6]中輪碾法成型并切割成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的不同摻量RAP的試件，通過(guò)測(cè)試試件破壞時(shí)的撓度及荷載，計(jì)算低溫應(yīng)變，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同RAP摻量瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變結(jié)果

由圖2可知，隨著RAP料的摻量增大，微罩面混合料的破壞應(yīng)變逐漸減小。而當(dāng)RAP摻量為70%時(shí)，在冬溫區(qū)的瀝青混合料已不滿(mǎn)足規(guī)范的低溫性能要求。主要原因在于高摻量RAP料中的老化瀝青含量較多，出現(xiàn)脆性幾率偏高，同時(shí)在老化過(guò)程中保持瀝青塑性的輕質(zhì)組分散失，導(dǎo)致整體模量變大，因而降低了混合料的低溫性能[14]。

2.4 RAP摻量對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響

瀝青混合料水穩(wěn)定性不足，易在動(dòng)水壓力作用下誘發(fā)路面早期病害。目前主要采用凍融循環(huán)和力-水循環(huán)的方式模擬水對(duì)瀝青混合料的作用[15]。本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同RAP料摻量微罩面瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[6]分別成型RAP料摻量為0%、30%、50%、70%的馬歇爾試件，每組試件雙面擊實(shí)50次，放置24 h脫模，測(cè)試48 h浸水殘留穩(wěn)定比、凍融殘留強(qiáng)度比及飛散損失值，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3、圖4可知，微罩面再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比隨RAP料摻量的增大而減小。摻量越大，變化越明顯。其原因在于老化瀝青的模量增大，新、舊料之間的界面存在過(guò)渡區(qū)導(dǎo)致了薄弱面的產(chǎn)生，水穿過(guò)毛細(xì)孔進(jìn)入內(nèi)部在外力作用下使得試件加速破壞[16]。

圖3 不同RAP摻量瀝青混合料殘留穩(wěn)定度比結(jié)果

圖4 不同RAP摻量瀝青混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度度比結(jié)果

圖5 不同RAP摻量瀝青混合料飛散損失結(jié)果

由圖5可知，隨著RAP料摻量的增加，飛散損失逐漸增大，說(shuō)明老化的舊料越多，更易增加混合料內(nèi)部的薄弱面，而部分舊料中不可避免有泥粉的混合，從而影響瀝青與集料的粘附性，在水-力的共同作用下，使得瀝青從集料上剝落，造成水穩(wěn)定性不良。

2.5 RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料疲勞性能的影響

瀝青混合料在每次荷載作用下都會(huì)產(chǎn)生微小損壞，當(dāng)累積到一定程度就將產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞，認(rèn)為此時(shí)達(dá)到了混合料的疲勞壽命。本文采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的疲勞壽命，正弦波，微應(yīng)變水平600 με，加載頻率10 Hz，試驗(yàn)溫度15 ℃，在應(yīng)力比為0.4、0.5、0.6的條件下對(duì)不同RAP摻量的試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同RAP瀝青摻量混合料疲勞壽命結(jié)果

圖7 不同RAP摻量的摻量混合料疲勞壽命與應(yīng)力比的關(guān)系

由圖6可知，微罩面再生瀝青混合料的疲勞壽命隨RAP摻量的增加而降低，尤其在RAP摻量、應(yīng)力水平都較大時(shí)，疲勞壽命相對(duì)較小，說(shuō)明RAP摻量越多，對(duì)重載交通的承受能力越弱[17]。對(duì)數(shù)疲勞壽命回歸應(yīng)力比的關(guān)系見(jiàn)下式：

0%：lgNf=7.08-4.54xR2=0.972 23

30%： lgNf=7.70-4.55xR2=0.967 77

50%： lgNf=7.74-4.56xR2=0.969 01

70%： lgNf=7.72-4.78xR2=0.962 07

由上述回歸關(guān)系式和圖7可知，不同RAP摻量下瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)力比的相關(guān)性較好，通過(guò)該關(guān)系式可預(yù)估微罩面再生瀝青混合料的疲勞壽命。

3 結(jié)論

1) 隨著RAP料摻量的增加，微罩面再生瀝青混合料的空隙率增大，穩(wěn)定度增大。

2) RAP料摻量為70%，微罩面再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性最大；隨著RAP料的增加，微罩面再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變減小，使得低溫性能降低，RAP摻量為70%時(shí)，已不滿(mǎn)足規(guī)范要求；隨著RAP摻量的增加，浸水殘留穩(wěn)定度比、凍融劈裂強(qiáng)度比降低，飛散損失增大，說(shuō)明水穩(wěn)定性逐漸隨RAP摻量的增加而降低；應(yīng)力比和RAP摻量越大，再生瀝青混合料疲勞壽命越小。

3) 綜合路用性能試驗(yàn)結(jié)果表明，RAP舊料在微罩面再生瀝青混合料SMA-5應(yīng)用具有可行性，但推薦摻量還需進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。