RAP特性對冷再生瀝青混合料性能影響研究*

張亙， 馮明林

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 河南 鄭州 450015；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450018)

瀝青路面再生技術(shù)分為熱再生和冷再生，熱再生技術(shù)在對廢舊材料加工拌和中不僅消耗大量能源，還會造成環(huán)境二次污染，而冷再生技術(shù)針對回收瀝青路面材料(RAP)，通過加入一定比例新材料后拌和重組，能耗低、效率高、施工工藝簡單。王瑛等針對廣東地區(qū)的地理氣候特征和路用材料特性，通過正交試驗研究PF摻量、TLZS-B2摻量、RAP摻量對再生瀝青混合料高溫性能、水穩(wěn)定性能、疲勞性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)PF摻量為0.25%、TLZS-B2摻量為6%、RAP摻量為50%時，熱再生瀝青混合料具有較優(yōu)的路用性能。程其瑜等基于馬歇爾試驗方法和美國瀝青協(xié)會維姆混合料設(shè)計方法，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，以穩(wěn)定度、空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度為主要控制指標(biāo)，分析了RAP摻量對廠拌熱再生瀝青混合料馬歇爾指標(biāo)的影響。郭娟等為研究熱再生瀝青混合料在不同溫度區(qū)間的動態(tài)流變性能，通過動態(tài)模量試驗，測定了不同溫度時動態(tài)模量、相位角、疲勞因子和車轍因子隨加載頻率和RAP摻量的變化，結(jié)果表明RAP摻量為50%時，熱再生瀝青混合料具有良好的高溫性能，同時能兼顧較好的中低溫性能。目前對RAP特性對再生混合料整體性能的影響研究較少。為此，該文以RAP使用年限、瀝青品種及結(jié)構(gòu)層位為切入點，研究RAP特性對冷再生混合料性能的影響，為再生混合料技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 配合比設(shè)計

以連續(xù)性級配AC-16C為研究基礎(chǔ)，混合料礦料全部采用RAP，對于銑刨的超粒徑RAP采用過篩處理，同時為提高混合料整體性能和結(jié)構(gòu)形態(tài)，添加3%的水泥。水泥的性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的性能指標(biāo)

在水摻量為2.5%的前提下，以間隔0.5%控制乳化瀝青用量變化范圍為3%～5%?；旌狭习韬屯瓿珊?，馬歇爾擊實75次成型標(biāo)準(zhǔn)試件，將試件在60 ℃環(huán)境下養(yǎng)生3 d脫模，測試其最大干密度和浸泡在60 ℃水中30 min后的馬歇爾穩(wěn)定度，以最大干密度和穩(wěn)定度對應(yīng)的乳化瀝青用量為最佳用量。乳化瀝青的性能指標(biāo)見表2。然后以最佳乳化瀝青用量，間隔0.5%控制外摻水變化范圍為1.5%～3.5%，試件成型方法與前述相同，在相對濕度90%環(huán)境下養(yǎng)生3 d脫模，以其最大干密度對應(yīng)的含水量為最佳摻水量。RAP級配見圖1。

表2 乳化瀝青的性能指標(biāo) %

圖1 RAP級配曲線

2 RAP使用年限對冷再生混合料性能影響

2.1 乳化瀝青用量及用水量

采用標(biāo)準(zhǔn)方法成型不同使用年限RAP冷再生混合料試件進行室內(nèi)試驗，測試乳化瀝青和水的摻量，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 RAP不同使用年限下乳化瀝青用量

圖3 RAP不同使用年限下用水量

從圖2、圖3可看出：隨著RAP使用年限的增加，混合料最佳乳化瀝青用量及用水量增加，年遞增量均為0.06%～0.08%。RAP在瀝青路面冷再生過程中相當(dāng)于“黑色集料”，在常溫施工條件下，RAP使用年限增加，表面瀝青老化越嚴(yán)重，表面裹覆瀝青量減少。同時RAP礦料在長時間交通荷載作用下，表面會產(chǎn)生一定裂痕。因此，在乳化瀝青破乳后，加大對瀝青的吸附和對水分的吸收方可達到冷再生混合料拌和均勻性。

2.2 穩(wěn)定性及強度

在炎熱的夏季，高溫車轍是瀝青路面的主要病害。冷再生技術(shù)采用原路面的RAP，高溫穩(wěn)定性研究必不可少。在最佳乳化瀝青用量和最佳用水量的前提下，成型不同使用年限RAP冷再生混合料標(biāo)準(zhǔn)車轍試件進行穩(wěn)定度試驗，結(jié)果見圖4。從圖4可看出：RAP使用年限增加，冷再生混合料的動穩(wěn)定度呈遞減趨勢，平均遞減幅度為40～80次/mm。這是由于隨著RAP使用年限的增加，瀝青老化程度加強，混合料礦料顆粒流動變形減小，冷再生混合料抵抗高溫行車荷載的能力降低，動穩(wěn)定度減小。

圖4 RAP不同使用年限下冷再生混合料的動穩(wěn)定度

為進一步探究混合料強度機理，室內(nèi)成型不同使用年限RAP冷再生混合料馬歇爾試件，在15 ℃環(huán)境下進行劈裂強度檢測，結(jié)果見圖5。從圖5可看出：隨著RAP使用年限的增加，冷再生混合料的劈裂強度整體變化不大。由于是常溫施工，雖然RAP不同使用年限下乳化瀝青用量有所變化，但在短時間內(nèi)乳化瀝青破乳滲透較難，混合料強度還是借助RAP礦料的鑲嵌作用。

圖5 RAP不同使用年限下冷再生混合料的劈裂強度

2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾和凍融劈裂強度比對不同使用年限RAP冷再生混合料水穩(wěn)定性進行評價，試驗結(jié)果見表3。

表3 RAP不同使用年限下冷再生混合料的水穩(wěn)定性

從表3可看出：隨著RAP使用年限的增加，冷再生混合料的水穩(wěn)定性減小。在成型馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件時，由于RAP表面瀝青老化，瀝青質(zhì)增加，RAP表面帶有更多正電荷，受同種電荷相排斥的影響，作為陽離子的乳化瀝青，親水基帶正電荷的陽離子乳化劑不易在RAP表面吸附，一定程度上影響了乳化瀝青冷再生混合料的強度。隨著RAP使用年限的增加，表面老化不斷增強，瀝青質(zhì)增加，致使這一現(xiàn)象更明顯，水穩(wěn)定性有所降低。

3 RAP瀝青品種對冷再生混合料性能影響

不同路段即使使用年限相同，原路面瀝青品種也會有所不同。選取使用2年的不同瀝青品種RAP，通過試驗分析其對冷再生混合料性能的影響，結(jié)果見圖6～9。試件成型方法與上述相同。

從圖6～9可看出：同種瀝青標(biāo)號下的RAP，不同廠家生產(chǎn)的瀝青在瀝青路面冷再生過程中，最佳乳化瀝青用量和最佳用水量相差不大；相同標(biāo)號70#瀝青的動穩(wěn)定度為1 780～1 790次/mm，相差較??；殘留強度比和殘留穩(wěn)定度比差別不大，整體在80%以上。說明雖然路面在使用過程中不同廠家生產(chǎn)的瀝青材料都會老化，但同種標(biāo)號瀝青的變化趨勢相同。從強度角度考慮，冷再生混合料在養(yǎng)護成型后，強度還是靠礦料間的鑲嵌形成的內(nèi)摩阻力及黏結(jié)材料形成的內(nèi)聚力。因此，在RAP使用選擇中，只要使用年限和瀝青標(biāo)號相同，不同RAP可根據(jù)工程實際需要交叉使用。

圖6 不同瀝青品種下乳化瀝青用量及用水量

圖7 不同瀝青品種下冷再生混合料的動穩(wěn)定度

圖8 不同瀝青品種下冷再生混合料的劈裂強度

圖9 不同瀝青品種下冷再生混合料的水穩(wěn)定性

4 RAP路面層位對冷再生混合料性能影響

4.1 乳化瀝青用量及用水量

瀝青路面在使用過程中，不同路面層位瀝青老化程度不同。另外，受交通荷載的作用，礦料也會產(chǎn)生變化。為此，對RAP路面層位對冷再生混合料性能的影響展開研究。將使用2年的不同層位RAP料，剔除超粒徑后成型試件(試件成型方法與上述相同)進行試驗，結(jié)果見圖10。

圖10 RAP不同結(jié)構(gòu)層位下乳化瀝青用量及用水量

從圖10可看出：RAP層位越深，乳化瀝青和水的摻量愈小，上、下面層乳化瀝青用量和用水量相差0.1%～0.3%。上面層RAP老化嚴(yán)重，瀝青剝離量較多，表面瀝青含量較少，另外在交通荷載作用下，原集料會受到不同程度的開裂或細(xì)化，冷再生過程中會大大增加對乳化瀝青的吸附。同時，在混合料拌和過程中，要滿足拌和均勻性，會促進水分的吸收。而下面層受到上、中面層的間接保護，RAP表層瀝青老化和破損較小，對乳化瀝青和水的需求量減少。

4.2 穩(wěn)定性及強度

RAP不同結(jié)構(gòu)層位下冷再生混合料的穩(wěn)定性見圖11。從圖11可看出：隨著RAP路面層位的加深，乳化瀝青冷再生混合料的高溫抗車轍性能逐漸增強，在相同試驗條件下，上、下面層的動穩(wěn)定度相差200～300 次/mm。因為上面層RAP受到更多外界的影響，老化程度高，瀝青與集料間的黏附性降低幅度較大，在高溫及外界車輛荷載作用下，集料顆粒會發(fā)生移位變形，動穩(wěn)定度較小。

圖11 RAP不同結(jié)構(gòu)層位下冷再生混合料的動穩(wěn)定度

將不同結(jié)構(gòu)層位RAP成型芯樣進行劈裂強度試驗，結(jié)果見圖12。從圖12可看出：15 ℃劈裂強度與高溫抗車轍性能的變化趨勢相同。老化較嚴(yán)重的上面層，集料表面的老化瀝青與乳化瀝青相互滲透和交織困難，膠黏作用小，成型后的路面在環(huán)境影響下更易發(fā)生開裂。

圖12 RAP不同結(jié)構(gòu)層位下冷再生混合料的劈裂強度

4.3 水穩(wěn)定性

在最佳乳化瀝青用量和最佳用水量的前提下，采用與上述相同的方法成型試件進行水穩(wěn)定性試驗，結(jié)果見圖13、圖14。

從圖13、圖14可以看出：中、下面層的殘留穩(wěn)定度和殘留強度比上面層高4%～5%。上面層的水穩(wěn)定性雖然滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求，但相對于中、下面層略低。受上面層的間接保護，中、下面層的老化程度相對較低，相同使用年限的RAP，在冷再生過程中，即使有水泥添加劑水化產(chǎn)物的“橋梁”作用，還是應(yīng)盡量選取中、下面層RAP。

圖13 RAP不同結(jié)構(gòu)層位下冷再生混合料的殘留穩(wěn)定度比

圖14 RAP不同結(jié)構(gòu)層位下冷再生混合料的殘留強度比

5 結(jié)論

(1) 隨著RAP使用年限的增加，冷再生混合料最佳乳化瀝青用量及用水量年遞增幅度為0.06%～0.08%，動穩(wěn)定度年遞減幅度為40～80 次/mm，而15 ℃劈裂強度變化不大，水穩(wěn)定性有所下降。

(2) 不同廠家生產(chǎn)的同種瀝青標(biāo)號RAP對冷再生混合料最佳乳化瀝青用量和用水量、動穩(wěn)定度、劈裂強度、水穩(wěn)定性的影響不大，即只要使用年限和瀝青標(biāo)號相同，同種層位的不同RAP可根據(jù)工程實際需要交叉使用。

(3) RAP選取層位越深，乳化瀝青和水的摻量愈小，摻量相差0.1%～0.3%；15 ℃劈裂強度與高溫抗車轍性能有所增強，其中上、下面層動穩(wěn)定度相差200～300 次/mm；中、下面層殘留穩(wěn)定度和殘留強度比上面層高4%～5%。