RAP摻量對(duì)半柔性路面路用性能的影響

包惠明， 葉騰飛， 遲恩濤， 湯銘鋒， 盧孫泉

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

截止2018年末,我國(guó)公路總里程已達(dá)到484.65萬km，公路養(yǎng)護(hù)總里程占公路總里程98.2%[1]，在環(huán)境因素和交通荷載的綜合作用下，瀝青路面在使用一定年限后，容易出現(xiàn)車轍、坑洞、松散等病害.在維修、加固、改、擴(kuò)建道路過程中，路面的銑刨料每年的產(chǎn)出量已經(jīng)達(dá)到1.6 億t[2].充分利用這些再生資源既能避免再生瀝青混合料(RAP)堆放對(duì)環(huán)境的破壞，也能降低工程的造價(jià).為充分利用RAP，我國(guó)開展了再生料再利用研究工作， 現(xiàn)行規(guī)范中推薦摻配比例一般為15%～30%， 而實(shí)際工程應(yīng)用中僅為20%左右[3].過高的摻量使路面在使用初期就產(chǎn)生了較多的病害，使得“變廢為寶”適得其反.廠拌熱再生瀝青路面實(shí)驗(yàn)研究表明[4-5]，RAP摻量與再生瀝青路面高溫穩(wěn)定性成正相關(guān),與低溫抗裂性成負(fù)相關(guān)，且摻加RAP使得再生瀝青路面長(zhǎng)期抗水毀能力下降，當(dāng)RAP摻量達(dá)到30%時(shí)，相關(guān)性能要求仍符合規(guī)范要求.

半柔性路面是一種雙骨架結(jié)構(gòu)(開級(jí)配瀝青骨架和水泥骨架),在大空隙母體瀝青混合料中灌注水泥砂漿，最終硬化形成的高性能路面[6-7].半柔性路面兼具混凝土路面和瀝青路面的雙重優(yōu)勢(shì)，混凝土路面的高溫性能和水穩(wěn)性能優(yōu)于瀝青路面，當(dāng)在瀝青路面中灌注水泥砂漿制備半柔性路面，砂漿的摻入可以提高半柔性路面路面的抗?jié)B性、高溫性.本文以體積法設(shè)計(jì)基體瀝青混合料級(jí)配，灌注砂漿后養(yǎng)護(hù)7 d，進(jìn)行不同RAP摻量的路用性能試驗(yàn)，確定不同RAP摻量對(duì)路用性能的影響.

1 原材料

1.1 瀝青

實(shí)驗(yàn)瀝青為中國(guó)石化茂名分公司生產(chǎn)的70號(hào)道路石油瀝青，瀝青主要檢測(cè)指標(biāo)，如表1所示.表1中：P為針入度(25 ℃，100 g，5 s)；θ1為環(huán)球法軟化點(diǎn)；l為15 ℃的延度；w為蒸餾法的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；θ2為開口閃點(diǎn)；S為溶解度；ρ為15 ℃時(shí)的密度.

表1 瀝青主要檢測(cè)指標(biāo)Tab.1 Main detection indexes of asphalt

1.2 RAP

摻加的再生瀝青混合料來源于安徽省高速改造工程路面銑刨料，選用10～17 mm單一大粒徑RAP,經(jīng)離心抽提：RAP油石比為2.74%；25 ℃的針入度為3.26 mm;環(huán)球法軟化點(diǎn)為65.7 ℃.

1.3 砂漿

砂漿的性能較大程度決定了路面的性能[8-9]，國(guó)外的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：半柔性路面灌漿料有足夠的流動(dòng)度，從而保證基體瀝青混合料有較高的灌注率;灌漿材料有較高的強(qiáng)度，從而提高半柔性路面的承載能力[10].我國(guó)的交通運(yùn)輸部發(fā)布JT/T 1238-2019《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》[11]，對(duì)水泥基灌漿料的技術(shù)要求如下：初始流動(dòng)度為10～14 s;抗折強(qiáng)度≥2.0 MPa,7 d養(yǎng)生;抗壓強(qiáng)度為15.0～30.0 MPa，7 d養(yǎng)生；凝結(jié)時(shí)間≥120 min.

灌漿料實(shí)驗(yàn)參照T/CECS G: D51-01-2019《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》，材料簡(jiǎn)單環(huán)保：水泥為PC 42.5型復(fù)合硅酸鹽水泥(廣西桂林海螺水泥有限公司)；標(biāo)準(zhǔn)砂為中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂(福建省廈門市艾斯歐公司)，粒徑范圍為0.08～2.00 mm；粉煤灰、礦粉(河南省鞏義市某凈水材料公司).具體配合比如下：水膠比為0.5；礦粉摻量為10%；粉煤灰摻量為25%；砂摻量為26.7%.該配合比測(cè)試結(jié)果如下：流動(dòng)度為11.5 s；抗壓強(qiáng)度為18.6 MPa；抗折強(qiáng)度為3.7 MPa；凝結(jié)時(shí)間為176 min.半柔性灌漿料配合比參數(shù)設(shè)計(jì)測(cè)定結(jié)果符合JT/T 1238-2019《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》的技術(shù)要求，且抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過技術(shù)的要求(2.0 MPa)，表明此配合比砂漿性能優(yōu)良.

2 再生半柔性路面級(jí)配設(shè)計(jì)及路用性能

2.1 基體瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

灌注式半柔性路面基體瀝青混合料為大空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料，設(shè)計(jì)空隙率為20%～30%，運(yùn)用體積法對(duì)半柔性路面基體瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)[12-13].在進(jìn)行再生半柔性路面級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，為形成大空隙骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu),貼近工程實(shí)際應(yīng)用，并減小細(xì)集料中大量老化瀝青對(duì)基體瀝青混合料的影響，僅摻加9.5～13.2 mm的單一粒徑粗集料，空隙率設(shè)計(jì)為21%.半柔性路面基體瀝青混合料級(jí)配，如表2所示.表2中：d為篩孔的邊長(zhǎng).

表2 半柔性路面基體瀝青混合料級(jí)配Tab.2 Gradation of semi-flexible pavement matrix asphalt mixture

半柔性路面基體瀝青混合料屬于骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，與普通瀝青混合料的級(jí)配有較大的差異，若仍然采用傳統(tǒng)的馬歇爾試驗(yàn)法,所確定的最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)(瀝青用量)將超過裹附集料所需的瀝青用量[14].因此，采用謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)及肯塔堡飛散試驗(yàn)進(jìn)行初步確定，最后，通過馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證及調(diào)整.以RAP摻量為30%時(shí)為例，設(shè)置5個(gè)梯度瀝青用量，測(cè)定的肯塔堡飛散損失及謝倫保析漏損失，如圖1所示.圖1中：η1為飛散損失；η2為析漏損失；w(瀝青)為瀝青用量.

(a) 肯塔堡飛散損失 (b) 謝倫保析漏損失圖1 最佳瀝青用量實(shí)驗(yàn)Fig.1 Experiment on optimum amount of asphalt

從圖1可知：曲線拐點(diǎn)處橫坐標(biāo)即為最大瀝青用量或最小瀝青用量，取其平均值，測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度，并驗(yàn)證穩(wěn)定度指標(biāo)是否符合要求.不同RAP摻量的最佳瀝青用量,如表3所示.表3中：w(RAP)為RAP摻量；MS為穩(wěn)定度；wb(瀝青)為瀝青的最佳用量.

表3 不同RAP摻量的最佳瀝青用量Tab.3 Optimal amount of asphalt for different RAP dosage

由表3可知：再生料摻入能夠降低基體瀝青混合料的瀝青用量，每摻加15%再生料約可減少基體瀝青混合料0.9%瀝青用量；再生料的摻入能夠增大基體馬歇爾穩(wěn)定度，每摻加15%再生料可增大約13%的基體馬歇爾穩(wěn)定度.

2.2 再生半柔性路面路用性能

半柔性路面以基體瀝青混合料為主體，灌漿養(yǎng)護(hù)后路面剛度稍大于普通瀝青路面,遠(yuǎn)小于混凝土路面，偏柔性[15]，因此，采用瀝青路面試驗(yàn)評(píng)價(jià)半柔性路面的相關(guān)路用性能.砂漿在常規(guī)條件下養(yǎng)護(hù)7 d,強(qiáng)度可達(dá)28 d的80%左右.

2.2.1 水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià) 由于半柔性路面中存在砂漿，使得其與普通瀝青水穩(wěn)定性能有較大的差異，當(dāng)半柔性路面砂漿灌注率達(dá)到85%以上時(shí)，路面的滲水系數(shù)幾乎為0.因此，半柔性路面的水穩(wěn)定性能優(yōu)于普通瀝青路面.由于再生半柔性路面材料為三相非均質(zhì)材料，通過對(duì)比浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法確定最優(yōu)評(píng)價(jià)方法.不同RAP摻量的再生半柔性路面水穩(wěn)性能指標(biāo)的影響，如圖2所示.圖2中：δ為凍融劈裂實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度比；MS0為砂漿殘留穩(wěn)定度

(a) 凍融劈裂強(qiáng)度比 (b) 殘留穩(wěn)定度圖2 不同RAP摻量對(duì)再生半柔性路面水穩(wěn)性能指標(biāo)的影響Fig.2 Influence of different RAP dosages on water stability performance index of recycled semi-flexible pavement

由圖2可知：浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂實(shí)驗(yàn)的水穩(wěn)性能有較大的差異，從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律看，砂漿殘留穩(wěn)定度隨著RAP摻量增大而增大，這是由于砂漿在60 ℃恒溫水浴箱中養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度增長(zhǎng)大于砂漿在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)；低RAP摻量中半柔性路面凍融劈裂強(qiáng)度比隨著RAP摻量增大而提高，當(dāng)RAP摻量超過15%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸下降，當(dāng)摻量較高(超過30%)時(shí)，其凍融劈裂實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度比不滿足現(xiàn)行規(guī)范中指標(biāo)規(guī)定(不低于80%).較低RAP摻量下，老舊瀝青與集料結(jié)合得更緊密，增強(qiáng)了水穩(wěn)定性能，隨著RAP摻量的增加，RAP的材料變異特性使得再生半柔性路面中新老瀝青融合程度下降，水穩(wěn)性能也隨之下降，綜上，建議選用凍融劈裂實(shí)驗(yàn)測(cè)定半柔性材料的水穩(wěn)定性能.

2.2.2 低溫抗裂性能評(píng)價(jià) 我國(guó)大部分地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，平均溫度較低，低溫開裂是瀝青路面主要病害之一，在半柔性路面中，集料、瀝青及砂漿溫縮系數(shù)不同.瀝青和砂漿溫縮系數(shù)對(duì)整體低溫性能影響程度較大，未有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法.低溫彎曲實(shí)驗(yàn)、低溫蠕變實(shí)驗(yàn)需切割車轍試件，由于灌漿及材料分布差異，半柔性路面小梁試件個(gè)體差異化較大，因此，對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響. 采用易于控制灌漿量和均勻性的低溫劈裂實(shí)驗(yàn)測(cè)定低溫性能.按規(guī)范成型的馬歇爾試件灌漿養(yǎng)生7 d，實(shí)驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為 50 mm·min-1.不同RAP摻量低溫劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4所示.表4中：F為劈裂值；εT為破壞拉伸應(yīng)變；p1為劈裂抗拉強(qiáng)度；p2為彎曲勁度模量.

表4 不同RAP摻量低溫劈裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Low-temperature splitting experiment results of different RAP dosages

由表4可知：RAP摻量對(duì)抗彎拉強(qiáng)度與破壞拉伸應(yīng)變影響表現(xiàn)出一致性，在低摻量時(shí)，RAP能夠增強(qiáng)破壞拉伸應(yīng)變，從而增強(qiáng)再生半柔性路面材料的低溫抗裂性能；當(dāng)摻量較高(超過30%)時(shí)，低溫抗裂性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì).RAP材料能夠在低摻量條件下增強(qiáng)混合料的粘結(jié)性性能，提高低溫抗裂性能，隨著RAP摻量的增加，新舊瀝青混合均勻性變差，融合緊密程度也隨之下降，導(dǎo)致再生半柔性路面的低溫抗裂性能隨RAP摻量的增大而下降.

2.2.3 高溫穩(wěn)定性能評(píng)價(jià) 普通瀝青路面的高溫穩(wěn)定性一般較差，高溫時(shí)，路面經(jīng)常出現(xiàn)車轍印跡，而良好的抗車轍性能是半柔性路面主要優(yōu)點(diǎn)之一.以動(dòng)穩(wěn)定度(DS)和車轍位移(s)表征高溫穩(wěn)定性性能的優(yōu)劣，標(biāo)準(zhǔn)車轍實(shí)驗(yàn)的車轍尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，進(jìn)行3次平行試驗(yàn).不同RAP摻量對(duì)再生半柔性路面高溫穩(wěn)定性能指標(biāo)的影響，如圖3所示.

(a) 動(dòng)穩(wěn)定度 (b) 車轍位移圖3 不同RAP摻量對(duì)再生半柔性路面高溫穩(wěn)定性能指標(biāo)的影響Fig.3 Influence of different RAP dosages on high-temperature stability performance index of recycled semi-flexible pavement

摻加RAP的試件細(xì)集料比例增大，細(xì)集料堵住了部分母體空隙，造成密閉孔隙的增大.由圖3可知:車轍位移隨摻量增大而增大，但總體位移較小且各RAP摻量的動(dòng)穩(wěn)定度均大于10 000次·mm-1，顯著大于普通瀝青路面的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，具有優(yōu)良的抗車轍性能；動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這是由于空隙的減小導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度的下降，當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)最小值，后期空隙率降低放緩，動(dòng)穩(wěn)定度提升，老化瀝青中重質(zhì)成分的增加提升抗變形能力，導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度的增大.

綜合車轍位移及動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度可近似認(rèn)為高溫性能隨RAP摻量增大呈線性降低.這與普通瀝青混合料隨著RAP摻量增加性能增強(qiáng)的結(jié)論相反，這是由于三相非均質(zhì)性(材料性質(zhì)在空間上的變化)的材料特性和聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致，在進(jìn)行再生半柔性路面最佳RAP摻量設(shè)定時(shí)，高溫性能可作為次要考慮因素，優(yōu)良的高溫抗車轍性能是半柔性路面最突出的特點(diǎn).

3 RAP摻量與路用性能灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析理論

1982年，鄧聚龍?zhí)岢雒枋鲆蛩亻g關(guān)系強(qiáng)弱的灰色關(guān)聯(lián)分析法，有如下4個(gè)求解步驟.

步驟1確定參考序列和比較序列.灰色關(guān)聯(lián)分析以RAP的摻量為參考序列，以劈裂抗拉強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度、車轍深度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比等路用性能指標(biāo)為比較序列.

參考序列為X0={X0(1),X0(2),X0(3),…,X0(m)}.

比較序列為X1,X2,X3,X4,…,Xi;Xi={Xi(1),Xi(2),Xi(3),…,Xi(m)}，i=1,2,3,…,m.

步驟2數(shù)據(jù)無量綱處理.使用均值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，即

(1)

(2)

步驟3參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(3)

式(3)中：k=1,2,3，…，m；ρ1為分辨系數(shù)，取值范圍為(0,1)，通常取0.5.

步驟4關(guān)聯(lián)度的求解.關(guān)聯(lián)度γi為

(4)

式(4)中：γi表示xi與x0的關(guān)聯(lián)程度，數(shù)值越大，趨勢(shì)越接近.

3.2 RAP摻量與路用性能灰色關(guān)聯(lián)度分析

不同RAP摻量的半柔性路面路用性能指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度，如表5所示.表5中：h為車轍深度.

表5 不同RAP摻量的半柔性路面路用性能指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度Tab.5 Gray correlation degree of semi-flexible pavement performance indicators with different RAP dosages

由表5可知：灰色關(guān)聯(lián)度值越大，RAP對(duì)路用性能影響越大；當(dāng)0.600<γi≤1.000時(shí),關(guān)聯(lián)度為強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，當(dāng)0.300<γi≤0.600時(shí)，關(guān)聯(lián)度為中度關(guān)聯(lián).參數(shù)關(guān)聯(lián)度由強(qiáng)到弱排序?yàn)閔>p1>MS0>δ>DS，其中,h,p1，MS0為強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，δ,DS為中度關(guān)聯(lián).瀝青路面在不同深度及不同部位回收的RAP材料存在較大的性能差異，因此，RAP材料存在較大的變異系數(shù)，使得RAP摻量與車轍深度的關(guān)聯(lián)度強(qiáng).老化瀝青與新瀝青的低溫抗裂性能有較大差異，RAP摻量影響新舊瀝青及集料的融合程度，進(jìn)而影響瀝青路面水穩(wěn)性能.綜合灰色關(guān)聯(lián)度分析，RAP摻量對(duì)再生半柔性路面的基本路用性能影響較大.

4 結(jié)論

以體積法設(shè)計(jì)再生半柔性路面級(jí)配，在此基礎(chǔ)上，探究不同RAP摻量的再生半柔性路面路用性能，并通過灰色關(guān)聯(lián)分析，得出如下3個(gè)結(jié)論.

1) 摻加RAP能降低基體瀝青混合料的瀝青用量，每摻加15%再生料，約可減少基體瀝青混合料0.9%的瀝青用量；摻加RAP能夠增大基體馬歇爾穩(wěn)定度，每摻加15%再生料，約可增大基體馬歇爾穩(wěn)定度約13%.

2) 低摻量下，隨著RAP摻量的增加，水穩(wěn)定性能及低溫抗裂性能也得到顯著提升；隨著摻量的進(jìn)一步增加，水穩(wěn)定性能及低溫抗裂性能則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；RAP通過本身變異特性影響空隙變化及瀝青重質(zhì)變化，使得動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)先降低后增加.綜合車轍位移及動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度，可近似認(rèn)為高溫性能隨著RAP摻量增大呈線性降低.綜合分析不同RAP摻量的路用性能，建議最佳RAP摻量為30%.

3) RAP摻量與路用性能灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明：RAP摻量對(duì)車轍深度、劈裂抗拉強(qiáng)度和殘留穩(wěn)定度影響較大.