泡沫溫拌再生瀝青混合料力學(xué)性能研究

余暉，鄭炳鋒，黃毅，朱富萬

(1.江蘇省揚州市公路管理處，江蘇 揚州 225000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司)

1 引言

20世紀(jì)末建成通車的公路，已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入改擴(kuò)建及大中修階段，大量的廢舊瀝青混合料RAP(Reclaimed Asphalt Mixture)因此產(chǎn)生。為了實現(xiàn)綠色公路的建設(shè)，高效地利用RAP已成為大勢所趨。當(dāng)采用熱再生技術(shù)對RAP進(jìn)行利用時，需要對RAP料進(jìn)行二次加熱，然而由于加熱溫度過高可能導(dǎo)致瀝青老化程度加劇，并排放大量廢氣。相比于傳統(tǒng)的熱再生方式，采用溫拌技術(shù)再生利用RAP具有一定的優(yōu)勢。在溫拌再生混合料攪拌過程中，拌和溫度低于傳統(tǒng)的熱拌再生混合料，使得瀝青在攪拌過程中受到老化的程度更低，有利于彌補(bǔ)加熱RAP帶來的瀝青過度老化的問題。泡沫溫拌技術(shù)通過在高溫瀝青中注入1%～4%的水，使得瀝青體積快速膨脹，降低膠結(jié)料的黏度，改善混合料的和易性，從而實現(xiàn)拌和以及壓實溫度的降低。目前，關(guān)于泡沫溫拌再生瀝青混合料的研究主要集中在RAP摻量對路用性能的影響方面，而有關(guān)RAP摻量對泡沫溫拌再生瀝青混合料力學(xué)性能影響的研究相對較少。

根據(jù)美國力學(xué)-經(jīng)驗路面設(shè)計指南MEPDG(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide)，動態(tài)模量E*是經(jīng)驗-力學(xué)設(shè)計方法中最基本且重要的參數(shù)之一。動態(tài)模量不僅可以反映瀝青路面在行駛荷載作用下的力學(xué)特性，還可以用于瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以及瀝青路面黏彈性分析。

該文在泡沫溫拌SBS改性瀝青混合料SUP-20中分別摻入0%、20%和30%的RAP，對不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行動態(tài)模量試驗，并根據(jù)時間-溫度置換原理，利用非線性最小二乘法擬合得到動態(tài)模量的主曲線，分析RAP摻量對混合料力學(xué)性能的影響。

2 試驗材料及試驗方法

不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料SUP-20經(jīng)過室內(nèi)試驗確定的設(shè)計級配如表1所示，其中20%RAP中包含13.1%的粗銑刨料和6.9%的細(xì)銑刨料，30%RAP中包含19.5%的粗銑刨料和10.5%的細(xì)銑刨料。通過膨脹率和半衰期測試確定SBS改性瀝青的最佳發(fā)泡條件為：瀝青加熱溫度175 ℃，用水量2.5%。

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中“瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量試驗”(T0738)所述的試驗方法，對不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行測試。由于瀝青混合料是一種黏彈性材料，混合料的性質(zhì)在很大程度上受到試驗溫度和加載頻率的影響。因此，該文中動態(tài)模量試驗采用的試驗溫度為5、20、35、50 ℃，加載頻率為0.1、0.5、1、5、10、25 Hz。在試驗過程中，試件的應(yīng)變控制為85～115 με。動態(tài)模量試驗是無損測試，因此，采用同一個試件在所有的溫度和頻率條件下進(jìn)行測試，每組4個平行試件。由于瀝青混合料的空隙率對動態(tài)模量的試驗結(jié)果有明顯的影響，對于不同RAP摻量混合料的空隙率控制為4.0%±0.5%。

表1 不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料級配

瀝青混合料試件在受到正弦分布的荷載作用下，會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，如圖1所示。試件受到的應(yīng)力峰值和產(chǎn)生的應(yīng)變峰值的比值就是動態(tài)模量E*，見式(1)：

圖1 動態(tài)模量加載示意圖

(1)

式中：σ0為應(yīng)力振幅(MPa)；ε0為應(yīng)變振幅(mm/mm)。

試驗中，因為環(huán)境箱控溫范圍的限制，無法進(jìn)行5～50 ℃測試溫度以外的溫度控制。為了能夠比較瀝青混合料在高、低溫區(qū)的動態(tài)模量，通過建立主曲線的方法得以實現(xiàn)。主曲線的構(gòu)建是利用時間-溫度置換原理對瀝青混合料在不同溫度和加載頻率下得到的動態(tài)模量進(jìn)行平移，得到一條平滑的曲線。擬合動態(tài)模量的主曲線見式(2)：

(2)

式中：E*為動態(tài)模量(MPa)；δ、α、β和γ均為回歸系數(shù)，其中δ為log(E*)的最小值；δ+α為log(E*)的最大值；β和γ為S曲線的圖形參數(shù)；fr為參考溫度下的縮減頻率(Hz)。

不同溫度和加載頻率可以通過轉(zhuǎn)化因子a(T)進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

(3)

式中:a(T)為給定溫度下的轉(zhuǎn)化因子；fr為參考溫度下的縮減頻率(Hz)；f為給定溫度下的頻率(Hz)。

對式(3)兩邊取對數(shù)，得到：

log[a(T)]=logfr-logf

(4)

可以利用二次多項式形式的溫度函數(shù)表示轉(zhuǎn)化因子a(T)，見式(5)：

log[a(T)]=aT2+bT+c

(5)

當(dāng)給定溫度T和選取的參考溫度Tr相等，此時，ɑ(Tr)=1，log[a(Tr)]=0。代入式(5)中，可以得到：

(6)

3 試驗結(jié)果與分析

將RAP摻量分別為0%、20%、30%的泡沫溫拌再生瀝青混合料的動態(tài)模量結(jié)果的平均值列于圖2中。

由圖2可以看出：在同一頻率下，隨著測試溫度的升高，混合料的動態(tài)模量不斷減小。這是由于瀝青膠結(jié)料是一種黏彈性材料，隨著溫度升高，瀝青逐漸軟化，混合料的彈性特征減小，在荷載作用下應(yīng)變逐漸增大，導(dǎo)致動態(tài)模量逐漸降低。在同一溫度下，隨著測試頻率的增加，混合料的動態(tài)模量不斷增加。根據(jù)時間-溫度置換原理，高頻荷載對應(yīng)的是低溫作用，低頻荷載對應(yīng)的是高溫作用。因此，隨著荷載頻率的增加，可以理解為在相同的測試頻率下，試驗溫度升高，因此，混合料的動態(tài)模量隨之減小。

圖2 不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量

將摻有20%RAP和0%RAP的動態(tài)模量比值繪于圖3(a)中，將摻有30%RAP和0%RAP的動態(tài)模量比值繪于圖3(b)中。摻有20%RAP的動態(tài)模量和0%RAP的動態(tài)模量的比值在0.88～1.20之間變動，平均增加了7.2%。摻有30%RAP的動態(tài)模量和0%RAP的動態(tài)模量的比值在1.06～1.61內(nèi)變動，平均增加了25.3%。

由圖3可以看出：加入不同摻量RAP后，動態(tài)模量均有所增長。這是由于RAP中集料表面裹覆的老化瀝青具有更大的勁度。在銑刨料、新集料和新瀝青攪拌以及拌和后對松鋪混合料進(jìn)行短期老化的過程中，舊瀝青混合料表面裹覆的老化瀝青和新瀝青相互移轉(zhuǎn)，使得成型后混合料的動態(tài)模量增加。

圖3 不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量比值

該文選取參考溫度Tr=20 ℃，利用非線性最小二乘法，根據(jù)式(2)、(4)、(5)對不同溫度、頻率下的動態(tài)模量進(jìn)行主曲線擬合，得到主曲線的回歸系數(shù)δ、α、β、γ，以及轉(zhuǎn)化因子a(T)中的二次多項式的系數(shù)a、b，利用式(6)計算得到系數(shù)c，將擬合出的回歸系數(shù)列于表3、4中。動態(tài)模量主曲線繪于圖4中。圖4中：建立動態(tài)模量主曲線，選取參考溫度20 ℃，利用時間-溫度置換原理對瀝青混合料在不同溫度(5、35、50 ℃)和加載頻率下得到的動態(tài)模量進(jìn)行平移，得到一條平滑的曲線。圖4中的黑色實心的4類圖例(菱形、正方形、三角形、圓形)分別代表5、20(保持不動)、35、50 ℃條件下的動態(tài)模量平移后的數(shù)值；黑色空心的4類圖例(菱形、正方形、三角形、圓形)分別代表5、20、35、50 ℃條件下的平移之前的動態(tài)模量。

分別采用相關(guān)系數(shù)R2和預(yù)測值與實測值標(biāo)準(zhǔn)偏差的比值Se/Sy來表征Sigmoid函數(shù)對主曲線的擬合程度。R2越接近1且Se/Sy越接近0表明擬合越好。由表3可以看出：不同RAP摻量混合料擬合出的動態(tài)模量主曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.995，且Se/Sy均小于0.06。表明利用Sigmoid函數(shù)對不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量主曲線的擬合是適用的，且精確度很高。

構(gòu)建主曲線的目的就是利用主曲線函數(shù)對混合料在低溫區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)的動態(tài)模量的大小進(jìn)行比較，進(jìn)而對混合料的高、低溫性能進(jìn)行預(yù)估。A.S.M.A.Rahman等選取參考溫度Tr=70 °F(即21.1 ℃)構(gòu)建主曲線，并通過動態(tài)模量主曲線的縮減頻率fr來劃分瀝青混合料的服役溫度。但由于不同混合料的動態(tài)模量試驗結(jié)果不同，擬合出來的主曲線和轉(zhuǎn)化因子不同，進(jìn)而根據(jù)混合料的服役溫度所轉(zhuǎn)化得到的縮減頻率就不同。該文選取5 ℃以下為混合料低溫區(qū)，5～50 ℃為混合料的中溫區(qū)，50 ℃以上為混合料的高溫區(qū)。此外，選取指定頻率f=10 Hz來表征高速行駛的車輛荷載對混合料的作用頻率。利用擬合得到的參考溫度Tr=20 ℃下的主曲線和轉(zhuǎn)化因子a(T)，將混合料的服役溫度用縮減頻率fr來表示，將計算結(jié)果列于表5。

圖4 泡沫溫拌再生瀝青混合料主曲線構(gòu)建

表3 動態(tài)模量主曲線回歸系數(shù)及相關(guān)系數(shù)

表4 轉(zhuǎn)化因子a(T)二次多項式回歸系數(shù)

表5 不同RAP摻量的混合料服役溫度對應(yīng)的縮減頻率(指定頻率f=10 Hz)

由表5可知：當(dāng)混合料的服役溫度為-5～5 ℃時，主曲線上的縮減頻率fr為1×103～1×104Hz。當(dāng)混合料的服役溫度為50～70 ℃的高溫范圍內(nèi)，所對應(yīng)的主曲線上的縮減頻率為1×10-3～1×10-2Hz。因此，在圖5中繪出不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料主曲線，并根據(jù)縮減頻率fr將主曲線劃分為低頻高溫區(qū)、中頻中溫區(qū)以及高頻低溫區(qū)。

圖5 不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料服役溫度區(qū)間

由圖5可以看出：在高頻低溫區(qū)域內(nèi)，RAP摻量為0%、20%和30%主曲線相差不大。隨著縮減頻率fr的逐漸減少，即隨著溫度不斷的增加，30%RAP摻量的動態(tài)模量明顯高于20%RAP和0%RAP。在低頻高溫區(qū)，這一現(xiàn)象尤其明顯。由此可見：提高RAP摻量能夠有效提高泡沫溫拌再生瀝青混合料在低頻高溫區(qū)的動態(tài)模量，這有助于混合料在高溫荷載作用下提高混合料抵抗車轍變形的能力。

為了進(jìn)一步量化分析不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料在高溫區(qū)的動態(tài)模量，分別計算指定溫度T(55～70 ℃)下對應(yīng)的縮減頻率fr和動態(tài)模量，將計算結(jié)果列于表6中。

表6 基于主曲線方程的混合料在指定溫度T(55～70 ℃)和指定頻率f=10 Hz下的動態(tài)模量

當(dāng)T=55 ℃時，30%RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測值為797 MPa，比0%RAP和20%RAP分別提高了27.7%和25.9%。當(dāng)T=70 ℃時，摻30%RAP的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量為561 MPa，比0%RAP和20%RAP分別提高了63.6%和52.3%。因此，在高溫范圍內(nèi)，當(dāng)混合料受到的溫度越高，摻加RAP對提高混合料模量越有利。

4 結(jié)論

對不同摻量RAP的泡沫溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行動態(tài)模量試驗，通過Sigmoid函數(shù)對混合料的主曲線進(jìn)行擬合，得到以下結(jié)論：

(1)隨著溫度升高，混合料的動態(tài)模量不斷減小，隨著測試頻率的增加，混合料的動態(tài)模量不斷增加，這與RAP摻量無關(guān)。在不同溫度、不同頻率下，20%RAP和30%RAP的動態(tài)模量平均值分別比0%RAP增長了7.2%和25.3%。

(2)采用Sigmoid函數(shù)能夠精確擬合不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料的主曲線，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.995，且Se/Sy均小于0.06。

(3)基于縮減頻率fr對瀝青混合料的服役溫度進(jìn)行劃分，當(dāng)選定參考溫度Tr=20 ℃，加載頻率f=10 Hz時，混合料低溫區(qū)(-5～5 ℃)對應(yīng)的縮減頻率fr為1×103～1×104Hz，在此區(qū)域內(nèi)，不同RAP摻量的混合料在低溫區(qū)的動態(tài)模量相差不大。高溫區(qū)(50～70 ℃)對應(yīng)的縮減頻率fr為1×10-3～1×10-2Hz，30%RAP摻量能夠顯著提高泡沫溫拌再生瀝青混合料在低頻高溫區(qū)的動態(tài)模量。

(4)通過主曲線預(yù)測不同RAP摻量混合料在高溫區(qū)的動態(tài)模量，結(jié)果表明：當(dāng)T=70 ℃時，摻入30%RAP的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量比0%RAP和20%RAP分別提高了63.6%和52.3%。當(dāng)混合料受到的溫度越高，摻加RAP對提高混合料模量越有利。