富油RAP熱再生瀝青混合料路用性能研究

張晉媛

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030000)

張晉媛.富油RAP熱再生瀝青混合料路用性能研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2022,35(1):120-126.

0 引言

近年來，我國交通運(yùn)輸事業(yè)取得了高速發(fā)展，已建成四通八達(dá)的公路網(wǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，公路密度達(dá)0.52 km/km2，公路行業(yè)也由最初的建設(shè)期逐漸轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)管理期，2020年底公路養(yǎng)護(hù)里程占公路總里程的99%。我國每年路面翻修重建所產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料(recycled asphalt pavement，RAP)近1.6 億t[1-2]，若不對其進(jìn)行處理，會造成嚴(yán)重環(huán)境污染和資源消耗。瀝青路面再生技術(shù)是指將收集的RAP經(jīng)一定工藝處理后循環(huán)利用，既可節(jié)約資源，又實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)，符合綠色交通發(fā)展理念，是我國乃至世界公路養(yǎng)護(hù)發(fā)展的熱點(diǎn)[3-5]。在瀝青路面銑刨、回收RAP時，部分集料在荷載擠壓、機(jī)械沖擊等作用下必然會發(fā)生破碎，集料比表面積增大。文獻(xiàn)[6]指出，將RAP分檔后再進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，可以降低集料粒徑差異帶來的影響，且分檔越多，變異性越小，并將RAP分為粒徑小于5 mm和大于5 mm 2檔或0～5 mm、5～10 mm和大于10 mm 3檔。0～5 mm檔集料由于比表面積較大，表面裹覆更多瀝青，也被稱作富油RAP。文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]研究了50%RAP摻量的AC-20混合料，但富油RAP僅占10%左右。而在實(shí)際工程中，富油RAP使用量也很少，甚至直接廢棄。富油RAP瀝青含量高，若能將其再生提高其利用率，既能節(jié)約資源，也能保護(hù)環(huán)境。

以AC-20瀝青混合料為研究對象，分析了不同RAP摻量和富油RAP摻量的熱再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)和路用性能，以期為今后RAP瀝青混合料的研究和應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 RAP混合料

研究采用某高速公路銑刨回收的RAP混合料，將RAP預(yù)處理后篩分為0～5 mm(富油RAP)、5～10 mm、10～20 mm 3擋，篩分結(jié)果如表1所示。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定的離心抽提法抽提回收舊瀝青，并測試其基本性能，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。RAP料中舊集料技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表1 RAP料篩分結(jié)果 %

表2 RAP中舊瀝青基本性能

表3 舊集料主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 新集料

研究所用的新集料和礦粉均為石灰?guī)r，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)規(guī)定。

表4 集料及礦粉的技術(shù)指標(biāo)

1.3 新瀝青與再生劑

以70#基質(zhì)瀝青作為新的瀝青膠結(jié)料，其基本性能如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果均滿足JTG F40—2004規(guī)范的要求。再生劑選用陜西某公司產(chǎn)再生劑，其技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

表5 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表6 再生劑的主要技術(shù)指標(biāo)

2 熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 熱再生瀝青混合料級配

在RAP熱再生瀝青混合料設(shè)計(jì)和施工過程中，級配組成是瀝青混合料再生技術(shù)的關(guān)鍵[9]，應(yīng)嚴(yán)格控制新舊瀝青和再生劑的摻量，同時應(yīng)控制好舊集料和新集料的比例。根據(jù)舊集料級配組成及現(xiàn)有研究經(jīng)驗(yàn)，考慮RAP摻量分別為0%(占混合料總質(zhì)量比，下同)、30%、40%和50%，同時在每一種RAP摻量下考慮不同富油RAP摻量帶來的影響，富油RAP摻量分別為10%、15%和20%，再生劑摻量為舊瀝青質(zhì)量的10%，簡記為RAP-m(n)(m為RAP摻量百分比，n為RAP中富油RAP含量百分比)，如RAP-30(10)表示RAP摻量為30%(富油RAP占10%)的熱再生瀝青混合料。為降低級配產(chǎn)生的影響，取JTGF 40—2004規(guī)范規(guī)定的AC-20級配中值作為目標(biāo)級配，級配設(shè)計(jì)過程中應(yīng)使混合料級配盡可能貼近目標(biāo)級配。各瀝青混合料級配組成如表7所示。

表7 再生瀝青混合料級配組成 %

2.2 最佳油石比變化規(guī)律

不同RAP摻量下熱再生瀝青混合料最佳油石比(OAC)和新添加油石比(OACb)如圖1所示。由圖1可知，RAP-30%瀝青混合料的OAC值小于RAP-0瀝青混合料，這是由于老化瀝青中摻入再生劑后，使瀝青質(zhì)含量降低，輕組分溶解能力增強(qiáng)，從而有效改善了瀝青相溶性，因此該摻量下最佳瀝青用量降低。但隨著RAP含量的增加，RAP舊料越多，有效瀝青(具有黏結(jié)能力的瀝青)占比越少，瀝青混合料黏結(jié)強(qiáng)度衰減較快，而且當(dāng)再生劑摻加量為5%時，瀝青性能可以恢復(fù)至原標(biāo)號[10]，本研究中再生劑摻量10%，對RAP料中老化瀝青的再生能力較強(qiáng)，因此OAC增大。此外，由于RAP熱再生瀝青混合料的最佳油石比由新瀝青和再生瀝青2部分組成，但再生劑對舊瀝青的再生效果與混合料類型、舊集料表明瀝青裹附量等有關(guān)，故最佳油石比與富油RAP摻量無顯著變化規(guī)律。對于新瀝青摻量，摻入RAP料后，RAP中舊瀝青替代部分新瀝青作為黏結(jié)材料，從而使新瀝青用量減少，即OACb隨著RAP摻量的增加而減少。由于富油RAP中集料粒徑小，比表面積較大，表面裹覆舊瀝青含量多，因此相同RAP摻量下，OACb隨著富油RAP摻量的增加而降低。

圖1 熱再生瀝青混合料最佳瀝青用量變化規(guī)律

2.3 體積參數(shù)變化規(guī)律

在瀝青最佳油石比摻量下，再生瀝青混合料毛體積密度(γf)、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)和瀝青飽和度(VFA)變化如表8所示。

表8 熱再生瀝青混合料體積參數(shù)

由表8可知，隨著RAP摻量增加，OACb逐漸變少，拌和時瀝青流變特性變差，不能均勻地填充粗集料間的空隙。因此，熱再生瀝青混合料的毛體積密度逐漸降低，空隙率、礦料間隙率逐漸增大，而瀝青飽和度并無明顯變化。

2.4 力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律

馬歇爾試驗(yàn)是瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和路面施工質(zhì)量控制過程中常用的質(zhì)量控制方法，熱再生瀝青混合料在最佳油石比下的穩(wěn)定度(MS)和流值(FL)變化如圖2所示。

圖2 熱再生瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定度表征混合料試件在加載受壓過程中能承受的最大承載能力(破壞荷載)，流值表征試件在最大荷載作用下產(chǎn)生的垂直變形量。由圖2可見，熱再生瀝青混合料的MS值均大于新拌瀝青混合料，說明熱再生瀝青混合料具有較好的承載能力，且RAP含量越高，MS值越大。此外，在相同的RAP摻量下，隨著富油RAP摻量增加，混合料密實(shí)度增加，集料間的嵌擠力增強(qiáng)，混合料剛度增大，承載能力提高。對于流值，隨著RAP摻量增加，F(xiàn)L值無顯著變化規(guī)律，基本與普通瀝青混合料相當(dāng)，說明雖然RAP熱再生瀝青混合料的承載能力有所提高,但在破壞荷載下產(chǎn)生的豎向變形并無顯著規(guī)律。這是由于瀝青混合料是由集料-瀝青和空隙組成的三相材料，其變形除了與荷載有關(guān)外，還與自身結(jié)構(gòu)組成有關(guān)。

3 熱再生瀝青混合料路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

圖3 車轍試驗(yàn)結(jié)果

車轍試驗(yàn)用于評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，車轍板尺寸為30 cm×30 cm×5 cm(長×寬×高)，按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，為了便于對比分析熱再生瀝青混合料與新拌瀝青混合料高溫抗車轍能力的區(qū)別，計(jì)算熱再生瀝青混合料與新拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度(DS)增長率，用RDS表示，即RDS=(DSRAP-DS新)/DS新，其中，DSRAP、DS新分別為RAP熱再生瀝青混合料和新拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度)，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，與新拌混合料相比，RAP瀝青混合料的DS值較新拌混合料提高了17%～60%，且隨著RAP摻量的增加，DS值增大。當(dāng)RAP摻量為40%和50%時，熱再生瀝青混合料DS值相差不大，但大于RAP摻量為30%的熱再生瀝青混合料。RAP摻量為30%、40%、50%所對應(yīng)DS平均值分別為3 049次/mm、3 731次/mm、3 938次/mm，說明熱再生瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，這是由于RAP中瀝青老化嚴(yán)重，瀝青組分中瀝青質(zhì)含量高，輕組分少，瀝青硬度大，新舊瀝青混溶后黏度增大，從而使再生瀝青混合料具有較好的高溫抗車轍能力。此外，當(dāng)RAP總摻量相同時，隨著富油RAP用量的增加，舊瀝青含量增加，熱再生瀝青混合料的DS值呈增長趨勢。

圖4 低溫?cái)嗔言囼?yàn)結(jié)果

3.2 低溫抗裂性

采用低溫彎曲試驗(yàn)分析熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能，試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm(長×寬×高)的小梁試件，試驗(yàn)溫度-10 ℃，加載速率50 mm/min，試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20—2011相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，除了RAP-20(15)和RAP-50(20)熱拌瀝青混合料外，其余瀝青混合料應(yīng)變均滿足(JTG F40—2004)規(guī)定的冬溫區(qū)(溫度>-9.0 ℃)不小于2 000 με的要求。隨著RAP和富油RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料勁度模量逐漸增大，應(yīng)變逐漸下降，說明RAP熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能和抗變形能力降低。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是因?yàn)镽AP中的瀝青老化后塑性降低、脆性增加，瀝青混合料變硬，富油RAP用量或者RAP摻量越大，舊瀝青含量越多，瀝青黏度降低，從而導(dǎo)致瀝青混合料低溫抗變形能力降低。因此，建議RAP摻量不宜超過40%，其中富油RAP摻量不高于15%。

3.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)分析熱再生瀝青混合料的抗水損壞性能，試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20—2011相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。得到各瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)和殘留穩(wěn)定度(MS0)如圖5所示。

圖5 熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，TSR和MS0隨著RAP摻量的增加而呈先增加而后下降的趨勢，當(dāng)RAP摻量為40%時，TSR和MS0值均取得最大，而當(dāng)RAP摻量為50%(富油RAP摻量15%和20%)時，TSR和MS0值顯著降低，甚至無法滿足JTG F40—2004規(guī)范的要求，這一現(xiàn)象可能是由于瀝青混合料中新、舊瀝青融合差異帶來的影響，當(dāng)RAP摻量大于40%時，瀝青混合料空隙率增大，反而影響了熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性。此外，當(dāng)RAP摻量為30%時，TSR和MS0值均隨著富油RAP摻量的增加而增加，但當(dāng)RAP摻量為40%和50%時，TSR和MS0值隨著富油RAP摻量的增加而降低，說明由于大量的RAP導(dǎo)致熱再生瀝青混合料中集料分布不均勻，空隙率和礦料間歇率增大，使熱再生瀝青混合料抗水損壞能力降低。

3.4 抗疲勞性能

采用半圓彎曲試驗(yàn)(Semi-circular Bending Test，SCB)評價瀝青混合料疲勞性能，瀝青混合料空隙率為4±0.5%，半圓試件尺寸為150 mm×75 mm(直徑×高)，試件底部中心處有深度20 mm、寬度1 mm的切割縫。SCB疲勞試驗(yàn)參數(shù)支座間距120 mm，采用正弦波應(yīng)力加載模式;應(yīng)力比為0.2、0.3和0.4;加載頻率10 Hz;加載溫度20 ℃。各瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 瀝青混合料疲勞壽命(次)與擬合參數(shù)

由表9可知，隨著應(yīng)力比的增加，瀝青混合料疲勞壽命下降，當(dāng)應(yīng)力比相同時，隨著RAP摻量和富油RAP含量的增加，熱再生瀝青混合料疲勞壽命下降，這可能是由于舊瀝青含量的增加，新舊瀝青融合不充分，再生劑對舊瀝青的再生能力有限，裹附在集料表面的瀝青膠結(jié)料易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在重復(fù)荷載作用下，更容易產(chǎn)生疲勞破壞。研究表明[5],疲勞壽命對數(shù)值與應(yīng)力比具有較好的線性關(guān)系，即

lgNf=a+bS

(1)

式中，Nf為疲勞壽命;S為應(yīng)力比;a、b為擬合參數(shù)，a越大表示疲勞壽命越好，b為疲勞壽命對應(yīng)力的敏感程度，其值越大說明疲勞壽命對應(yīng)力變化越敏感。根據(jù)表9所示可知，疲勞方程具有較好的擬合效果，擬合優(yōu)度大于0.95；隨著RAP摻量的增加，b的絕對值逐漸降低，說明隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料對應(yīng)力的敏感程度逐漸降低。

4 結(jié)論與展望

研究了RAP摻量及富油RAP摻量對熱再生瀝青混合料路用性能的影響，主要研究結(jié)論如下：

(1)RAP回收混合料中的瀝青可以代替部分新瀝青，當(dāng)RAP摻量為50%(富油RAP含量20%)時，新瀝青油石比較新拌瀝青混合料油石比降低了64%。隨著RAP和富油RAP摻量的增加，瀝青混合料毛體積密度降低，馬歇爾穩(wěn)定度、空隙率和礦料間歇率增大，動穩(wěn)定度較新拌混合料提高了17%～60%；而低溫條件下應(yīng)變下降，尤其RAP-20(15)和RAP-50(20)熱再生瀝青混合料在-10 ℃的應(yīng)變小于2 000 με，表明RAP熱再生瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，但低溫抗裂性能較差。

(2)熱再生瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度隨著RAP摻量的增加呈先增加后下降的趨勢，當(dāng)RAP摻量為40%時，二者達(dá)到最大值，水穩(wěn)定性最好，而RAP-20(15)和RAP-50(20)熱拌瀝青混合料的TSR和MS0值已無法滿足規(guī)范要求。隨著RAP摻量和富油RAP含量的增加，熱再生瀝青混合料疲勞壽命下降。

(3)綜合考慮RAP熱再生瀝青混合料的路用性能，建議RAP摻量不宜超過40%，其中富油RAP摻量不宜超過15%。此外，本研究未對熱再生過程中舊瀝青的再生比例進(jìn)行探索，未來研究可從熱再生效率入手，這對提高瀝青材料及RAP利用率具有重要意義。