基于界面再生融合度的熱再生混合料路用性能研究

張文武 胡茂密 劉 凱 余 樂 何兆益

(山東高速集團有限公司1) 濟南 250098) (重慶交通大學土木工程學院2) 重慶 400074) (浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司3) 溫州 325000)

0 引 言

廠拌熱再生技術(shù)具有質(zhì)量可控、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，在國內(nèi)道路工程領(lǐng)域得到廣泛應用[1].但仍然存在兩大亟待解決的問題：①熱再生瀝青混合料內(nèi)部新舊瀝青界面融合程度的定量化評價指標很少；②新舊瀝青界面再生融合度(DOB)對熱再生瀝青混合料各項路用性能的影響規(guī)律并不清晰.

關(guān)于界面融合及拌和參數(shù)，趙占立[2]采用示蹤法以直接觀測的方式從微觀尺度研究新舊瀝青的混合狀態(tài).研究表明：對平均混合程度的影響顯著性從高到低依次是：拌和溫度、拌和時間、RAP摻量.陳龍等[3]分別采用熒光顯微鏡(FM)和動態(tài)剪切流變儀(DSR)，基于細微觀試驗實測手段，對多因素組合條件下高摻 RAP 瀝青界面再生融合行為特征進行量化表征研究.張曉強[4]研究發(fā)現(xiàn)隨著新集料加熱溫度和拌和溫度的增加，舊瀝青再生程度都先提高后下降；適當?shù)卦黾痈砂钑r間能提高舊瀝青再生程度.

通過設(shè)計三因素兩水平試驗方案，提出了表征界面再生融合度的數(shù)學計算方法，并對不同RAP預熱溫度、RAP摻量、新集料加熱溫度及拌和時間條件下的界面再生融合度進行計算，分析了各因素對界面再生融合度的影響規(guī)律，并采用灰關(guān)聯(lián)分析方法確定了RAP預熱溫度、新集料加熱溫度及拌和時間三種拌和參數(shù)對界面再生融合度的影響程度.利用車轍試驗、小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價了不同界面再生融合度下再生瀝青混合料的高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性.

1 試 驗

1.1 試驗材料及質(zhì)量檢測

新瀝青采用中石化東海牌SBS改性瀝青，牌號為I-D；新集料全部為山東省菏澤市某中心拌和站提供的石灰?guī)r集料.RAP為山東省菏澤市國道G1511日蘭高速菏關(guān)段AC-20中面層SBS改性瀝青回收混合料.所選熱拌再生劑是由課題組研發(fā)的基于減四線抽出油的ZZ再生劑，再生劑摻量為8%.主要試驗儀器為TA DHR-2動態(tài)剪切流變儀.新舊瀝青的常規(guī)指標見表1；新舊集料的常規(guī)技術(shù)指標見表2；再生劑的相關(guān)技術(shù)指標見表3.

表1 新舊瀝青常規(guī)指標檢測結(jié)果

表2 新舊集料常規(guī)技術(shù)指標

表3 再生劑常規(guī)指標檢測結(jié)果

1.2 新舊瀝青界面再生融合度評價方法

RAP舊料經(jīng)由大型維特根銑刨機銑刨后，運至特定的料倉貯存，進而由破碎篩分一體機破碎篩分為0～10 mm檔和10～20 mm檔，為滿足后續(xù)試驗的需要，將0～10 mm檔RAP舊料用振動篩再次篩分為0～5 mm和5～10 mm兩檔.

為避免RAP細料的殘余黏聚力過大形成假性大粒徑粒團從而無法有效分離RAP細料與新集料的不利情況，經(jīng)多次試驗后決定選用4.75 mm作為細集料與粗集料的分界篩孔，并將0～5 mmRAP舊料再次過篩，舊集料只選取4.75 mm以下粒徑的RAP細料，新集料只選用9.5 mm以上粒徑的新粗集料.具體試驗方案見圖1.

圖1 新舊瀝青界面再生融合度試驗方案示意圖

關(guān)于新舊瀝青界面融合效應方面的研究，從最早期的RAP“黑石效應”理論[5]，逐步發(fā)展到“完全融合”理論[6-8]，最終過渡到目前比較貼合工程實際的“部分融合”理論，見圖2.

圖2 RAP礦料表面舊瀝青存在狀態(tài)示意圖[9]

因此，基于“部分融合”理論，考慮新舊瀝青融合前后的復數(shù)剪切模量變化，提出了反映新舊瀝青界面再生融合情況的量化指標——新舊瀝青界面再生融合度(DOB)，具體計算為

式中：G·coarse為拌和過程結(jié)束后，分界篩孔孔徑上方集料表面裹附的調(diào)和再生瀝青的復數(shù)剪切模量；G·fine為拌和過程結(jié)束后，分界篩孔孔徑下方集料表面裹附的調(diào)和再生瀝青的復數(shù)剪切模量；G·design為當RAP完全符合“黑石效應”理論，新集料表面裹附的一定數(shù)量的新瀝青和一定數(shù)量的再生劑(根據(jù)比表面積法計算得到的比例關(guān)系)經(jīng)人工復配制備的調(diào)和再生瀝青的復數(shù)剪切模量.

2 試驗設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 拌和工藝參數(shù)對融合度的影響

2.1.1試驗組設(shè)計

本文設(shè)計三因素兩水平的試驗方案，以研究拌和工藝參數(shù)對新舊瀝青界面再生融合度的影響.將RAP摻量設(shè)定為50%，選取RAP預熱溫度(100～140 ℃)、新集料加熱溫度(170～200 ℃)，以及拌和時間(60～120 s)，各試驗組見表4.

表4 8個試驗組劃分

2.1.2試驗結(jié)果及分析

為準確分析拌和工藝參數(shù)對新舊瀝青界面再生融合度的影響程度，本文基于灰色關(guān)聯(lián)分析法對三因素兩水平條件下得到的試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，試驗結(jié)果及灰關(guān)聯(lián)分析過程見表5～9.

表5 新舊瀝青界面再生融合度試驗結(jié)果

表6 原始數(shù)據(jù)無量綱化處理

表7 影響因素差序列

表8 影響因素灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表9 影響因素灰色關(guān)聯(lián)度及排序

分析可知：①根據(jù)表9知灰色關(guān)聯(lián)度排列順序依次為：RAP預熱溫度、新集料加熱溫度、拌和時間.可以看出RAP預熱溫度對新舊瀝青界面再生融合度的影響程度最大，是主導新舊瀝青產(chǎn)生有效融合的最關(guān)鍵因素，其次是新集料加熱溫度，最后是拌和時間.②為有效提升新舊瀝青界面再生融合度，首先應適當提高RAP預熱溫度、其次合理升高新集料加熱溫度，最后適當增加再生混合料拌和時間.③過高的RAP預熱溫度和過長的拌和時間會加劇舊瀝青的二次老化，也會導致再生劑受熱揮發(fā)損失，過高的新集料加熱溫度也可能會劣化新集料本身的力學性能.因此，建議將RAP預熱溫度設(shè)定在110～140 ℃，新集料加熱溫度設(shè)定在160～180 ℃，拌和時間控制在90～110 s.

2.2 RAP摻量對融合度的影響

2.2.1試驗組設(shè)計

根據(jù)前文的研究可知，RAP預熱溫度對新舊瀝青界面再生融合度的影響程度最為顯著，故本節(jié)試驗僅調(diào)整RAP預熱溫度(100、120、140 ℃)，其他拌和關(guān)鍵工藝工序保持完全相同的方式，具體情況見表10.RAP摻量選用30%、40%、50%，通過理論分析可知，此時的新舊瀝青界面均呈現(xiàn)部分融合的情況.

表10 三種不同的拌和方式

按照8 μm的瀝青膜厚度和美國瀝青協(xié)會(AI)提出的礦料表面積系數(shù)，分別計算得到不同RAP摻量條件下的總瀝青用量和新添瀝青用量.

不同RAP摻量條件下的再生混合料礦料級配見表11，不同RAP摻量條件下的再生混合料各類瀝青及再生劑用量見表12.

表11 不同RAP摻量再生混合料礦料級配

表12 不同RAP摻量再生混合料各類瀝青及再生劑用量 單位：%

2.2.2試驗結(jié)果及分析

融合度隨RAP摻量的變化規(guī)律見圖3.

圖3 融合度隨RAP摻量的演變和變化規(guī)律

由圖3可知：

1) 在相同的RAP預熱溫度條件下，新舊瀝青界面再生融合度隨RAP摻量的升高呈現(xiàn)先慢后快的下降態(tài)勢，當RAP摻量提高至40%,再生融合度出現(xiàn)突變.分析原因是隨著再生混合料中RAP摻量的提高，RAP舊礦料表面裹附的舊瀝青脫離原有舊礦料殘余黏聚力的束縛所需要吸收的能量也越多，而相同拌和工藝參數(shù)使再生混合料能夠吸收到的能量是相等的，故高摻量再生混合料的融合度比低摻量再生混合料低.

2) 當RAP摻量為大比例舊料摻量的下限值(30%)時，RAP預熱溫度升高至現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的最高值140 ℃時，再生混合料的界面再生融合度為91.6%，未達到再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的新舊瀝青產(chǎn)生100%融合效應的基本假定.因此，基于該假定進行的再生混合料配合比設(shè)計不是十分合理，導致再生瀝青路面各項路用性能無法達到預期效果.

3) 將三種RAP摻量對應的三種部分融合情形進行對比發(fā)現(xiàn)，RAP預熱溫度提高時，尤其是越接近規(guī)范規(guī)定的上限溫度值140 ℃時，三種部分融合情形下的界面再生融合度差異顯著縮??；若在140 ℃的基礎(chǔ)上進一步提高RAP預熱溫度，三者界面再生融合度很可能會更加趨近.但考慮過高的RAP預熱溫度會加劇舊瀝青的二次老化，因此不能為了提高融合度而過分地提高RAP預熱溫度.

2.3 融合度對再生混合料路用性能的影響

2.3.1試驗組設(shè)計

本試驗所選的再生混合料的RAP摻量分別為30%、40%、50%；采用完全相同的礦料級配，即將AC-20型瀝青混凝土的礦料級配中值作為試驗測試的目標級配；選擇常規(guī)的馬歇爾配合比設(shè)計方法確定出 30%、40%及 50%RAP 摻配比重下的再生混合料最佳瀝青用量分別為4.5%、4.5%、4.4%(瀝青用量為新瀝青、舊瀝青、再生劑三者的總和).

在三種部分融合的試驗組的基礎(chǔ)上增加了一種完全融合的試驗組：先將RAP中的舊瀝青抽提出來，再與新瀝青、再生劑充分攪拌均勻形成完全融合的再生復合瀝青，再與RAP舊礦料、新集料拌和形成再生混合料.完全融合試驗組的RAP 舊礦料預熱溫度設(shè)為 120 ℃，其余拌和參數(shù)與三種部分融合試驗組相同.

2.3.2試驗結(jié)果及分析

2.3.2.1 高溫性能

利用全自動車轍試驗機展開高溫抗車轍性能試驗，不同 RAP摻量下的再生混合料動穩(wěn)定度隨界面再生融合度變化的演變規(guī)律見圖4、不同拌和工藝參數(shù)條件下的再生混合料動穩(wěn)定度隨 RAP 摻量的演變規(guī)律見圖5.

圖4 不同RAP摻量下動穩(wěn)定度隨融合度的變化圖

圖5 不同拌和工藝參數(shù)下動穩(wěn)定度隨RAP摻量的變化圖

由圖4～5可知：

1) 隨著界面再生融合度的增加，再生混合料的動穩(wěn)定度不斷降低，RAP摻量越大下降趨勢越顯著，高溫性能劣化越明顯，但動穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求.分析原因是界面再生融合度越高，RAP舊礦料表面裹附的舊瀝青脫離舊礦料轉(zhuǎn)化成活性瀝青的比例更大，而活性瀝青含量提高導致再生混合料內(nèi)部礦料顆粒之間潤滑效應進一步強化，從而使動穩(wěn)定度降低.

2) 當未達到完全融合時，再生混合料的動穩(wěn)定度隨RAP摻量的增加而呈先慢后快的遞增趨勢.分析原因是RAP摻量增加使/再生混合料中老化瀝青的含量增加而新添瀝青含量減少，與新添瀝青相比，老化瀝青的勁度模量和黏度特性更高，因此再生混合料的動穩(wěn)定度越大.

3) 當達到完全融合時，隨著RAP摻量的增加，再生混合料的動穩(wěn)定度卻變化不大.分析原因是完全融合時，RAP舊礦料表面裹附的舊瀝青全部轉(zhuǎn)化為活性瀝青，而不同RAP摻量下集料級配不變，因此其動穩(wěn)定度變化不大.

2.3.2.1 低溫性能

利用萬能試驗機進行小梁彎曲試驗，不同RAP摻配比例下再生混合料最大彎拉應變及彎拉強度隨界面再生融合度變化的演變規(guī)律見圖6.

圖6 不同RAP摻量下最大彎拉應變和彎拉強度隨融合度的變化圖

由圖6可知：

1) 再生混合料的最大彎拉應變隨界面再生融合度的提高而增大，且RAP摻量越大增大趨勢越明顯；而彎拉強度隨界面再生融合度的提高而降低，且RAP摻量越大降低趨勢越明顯.分析原因是界面再生融合度越大，RAP舊礦料表面的舊瀝青轉(zhuǎn)化為活性瀝青的比例就越大，再生混合料中的瀝青越接近于新瀝青，所以其韌性越大而強度越低.

2) 當RAP摻量提高至50%時，三種部分融合的再生混合料的最大彎拉應變均小于現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范對冬冷區(qū)規(guī)定的最大彎拉應變下限值.因此，對于RAP摻量高于40%的再生混合料，通過優(yōu)化拌和工藝參數(shù)等方法提高融合度來提高其低溫性能是有效的.

3) 觀察曲線末端可以發(fā)現(xiàn)，當界面再生融合程度達到完全融合時，不同 RAP 摻量下的再生混合料的最大彎拉應變和彎拉強度基本趨于一致.

2.3.2.1 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對再生混合料的水穩(wěn)定性進行評價，不同RAP摻量下再生混合料殘留穩(wěn)定度比與殘留強度比隨界面再生融合度變化的演變規(guī)律圖見圖7.

圖7 不同RAP摻量下殘留穩(wěn)定度比和強度比隨融合度的變化圖

由圖7可知：

1) 再生混合料的殘留穩(wěn)定度比和殘留強度比均隨界面再生融合度的提高而升高，且RAP摻量越大升高趨勢越明顯.分析原因是界面再生融合度的提高使再生混合料內(nèi)部活性瀝青比例增大，瀝青黏結(jié)強度提升，最終使殘留穩(wěn)定比和殘留強度比增加.

2) 當RAP摻量提高至50%時，三種部分融合的再生混合料殘留穩(wěn)定度比和殘留強度比均不滿足現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范對濕潤區(qū)規(guī)定的下限值.因此，對于RAP摻量高于40%的再生混合料，必須采取優(yōu)化拌和工藝參數(shù)等方法提高融合度以提高其水穩(wěn)定性.

3) 觀察曲線末端可以發(fā)現(xiàn)，當界面再生融合程度達到完全融合時，不同RAP摻量下的再生混合料的殘留穩(wěn)定度比和殘留強度比基本趨于一致.

3 結(jié) 論

1) RAP預熱溫度對新舊瀝青界面再生融合度的影響程度最大，其次是新集料加熱溫度，最后是拌和時間；為有效提升再生融合度，最佳處理方式是適當提高RAP預熱溫度.

2) 新舊瀝青界面再生融合度隨RAP摻量的升高呈現(xiàn)先慢后快的下降態(tài)勢，當RAP摻量提高至40%，再生融合度出現(xiàn)突變.當RAP摻量為大比例舊料摻量的下限值30%時，RAP預熱溫度升高至現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的最高值140℃，再生混合料的界面再生融合度為91.6%，未達到再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的新舊瀝青產(chǎn)生100%融合效應的基本假定.

3) 將三種RAP摻量對應的部分融合情形進行對比發(fā)現(xiàn)，RAP預熱溫度提高時，尤其是越接近規(guī)范規(guī)定的上限溫度值140 ℃時，三種部分融合情形下的界面再生融合度差異顯著縮小.

4) 隨著界面再生融合度的增加，再生瀝青混合料的高溫抗車轍性能不斷降低，低溫抗裂性和水穩(wěn)定性不斷提高，且RAP摻量越大變化趨勢越明顯.四種融合情況下各種RAP摻量的再生混合料的高溫性能均滿足規(guī)范要求；當RAP摻量為30%或40%時，四種融合情況下再生混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求.

5) 當RAP摻量為50%時，三種部分融合情況下的再生混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均不滿足規(guī)范要求，而完全融合情況則滿足規(guī)范要求.因此，對于RAP摻量高于40%的再生混合料，可以優(yōu)化拌和工藝參數(shù)等方法提高融合度，提升其低溫性能和水穩(wěn)定性.

6) 當界面再生融合程度達到完全融合時，隨著RAP摻量的增加，再生混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損壞性能變化不大.