基于RAP料級(jí)配變異性的再生瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

錢 鈞，孫 浩，張國春，王 晨

(1.無錫市市政設(shè)施建設(shè)工程有限公司，無錫 214000；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189)

從2021年開始我國每年大約有12%的瀝青路面需要翻修，翻修的主要方式主要是通過銑刨重鋪的方式完成的，會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料。據(jù)測(cè)算，我國僅干線公路大中修工程，每年產(chǎn)生的瀝青路面舊料已達(dá)1.6億t[1]。如此豐富的廢舊瀝青混合料，如若不循環(huán)、再生利用，不僅造成能源和資源的極大浪費(fèi)、消耗，還需要占用寶貴的國土資源放置，甚至?xí)甬?dāng)?shù)丨h(huán)境污染。

由于RAP料級(jí)配的變異性、舊瀝青的性能變異性和其他廠拌熱再生設(shè)備及生產(chǎn)工藝等原因，目前國內(nèi)外廠拌熱再生瀝青混合料RAP的摻配比例多數(shù)為25%以下。

以AC-13C型再生瀝青混合料為研究對(duì)象，以細(xì)度模數(shù)的變化為評(píng)價(jià)RAP料級(jí)配變異性的指標(biāo)，介紹了不同細(xì)度模數(shù)再生瀝青混合料的制備方法，介紹了以車轍試驗(yàn)、IDT間接拉伸疲勞試驗(yàn)、低溫SCB斷裂試驗(yàn)為評(píng)價(jià)再生瀝青混合料多種性能的試驗(yàn)方法。針對(duì)多種路用性能試驗(yàn)所得指標(biāo)進(jìn)行分析，評(píng)估多來源RAP料級(jí)配變異性對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用中降低多來源RAP料變異性、進(jìn)一步優(yōu)化高RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料材料設(shè)計(jì)有著重要意義。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 瀝青材料選擇

考慮到江蘇等長(zhǎng)江流域地區(qū)的市政公路較常使用70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，為保證瀝青砂漿路用性能盡量貼近長(zhǎng)江流域市政公路實(shí)際情況，該文使用70#基質(zhì)瀝青作為原材料進(jìn)行再生瀝青砂漿材料制備[2]。

1.1.2 礦料的選擇

該文在制備瀝青混合料時(shí)選用玄武巖細(xì)集料和粒徑小于0.075 mm的石灰?guī)r顆粒礦粉作為填料，選用玄武巖作為粗集料。

1.1.3 舊料的選擇

該文所用回收舊料取自無錫市城市道橋科技有限公司拌合樓存儲(chǔ)的舊料，命名為RAP-1，其具體性質(zhì)及變異系數(shù)如表1所示。

表1 RAP-1舊瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及變異系數(shù)

如果使用不經(jīng)過處理的RAP-1制備再生瀝青混合料可能會(huì)造成再生瀝青混合料級(jí)配波動(dòng)較大，最終導(dǎo)致路用性能試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)。為了防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，采用對(duì)RAP-1進(jìn)行分檔的工藝手段，在關(guān)鍵篩孔4.75 mm處進(jìn)行RAP-1分檔以減小變異性。

1.1.4 再生瀝青混合料級(jí)配確定

考慮到該文主要針對(duì)AC-13型熱再生瀝青混合料，對(duì)于舊料而言，該公式中缺少的0.075 mm及0.075 mm以下集料篩余是關(guān)注重點(diǎn)，所以需要對(duì)ASTMC136中的細(xì)度模數(shù)予以修正，修正公式如式(1)所示[3]。

(1)

經(jīng)過篩分的RAP-1的級(jí)配變異性、舊瀝青含量變異性、舊瀝青性值變異性均處于較低水平。為體現(xiàn)級(jí)配波動(dòng)，該文通過控制各檔位新集料的量，將之與RAP料充分拌和，最終得到細(xì)度模數(shù)明確、可控的RAP料。

新瀝青添加量與RAP-1的油石比相同，所以最終再生瀝青混合料的油石比也為5.57%。結(jié)合我國高速、市政道路路面上面層常用瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方案與高RAP摻量的定義，因此文中選擇公稱最大粒徑為13.2 mm、RAP摻量為50%的AC-13型廠拌熱再生瀝青混合料作為研究對(duì)象。根據(jù)《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和《高性能瀝青路面(Superpave)基礎(chǔ)參考手冊(cè)》的要求，結(jié)合RAP料變異性的研究結(jié)果，根據(jù)集料及RAP料的顆粒篩分結(jié)果，最終確定了3條AC-13C型再生瀝青混合料目標(biāo)級(jí)配曲線，依次命名為AC-13a、AC-13b、AC-13c型，其級(jí)配曲線設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

1.1.5 再生瀝青混合料制備

采用70#基質(zhì)瀝青調(diào)和再生并成型制備試驗(yàn)所需廠拌熱再生瀝青混合料，所有瀝青混合料試件均采用室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的方式進(jìn)行成型，不同級(jí)配的再生瀝青混合料對(duì)應(yīng)的具體體積參數(shù)平均值如表2所示。

表2 不同級(jí)配熱再生瀝青混合料體積參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)

1.2.1 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍能力的較簡(jiǎn)單和有效的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求，將瀝青混合料成型為300 mm×300 mm×50 mm的板式試件，在同一軌道上60 ℃溫度下，以輪壓為0.7 MPa的實(shí)心橡膠輪作一定時(shí)間的反復(fù)碾壓，形成轍槽。 最后以轍槽深度(總變形量)RD和動(dòng)穩(wěn)定度DS(每產(chǎn)生1 mm轍槽所需的碾壓次數(shù))作為瀝青混合料的抗車轍能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。

瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度按式(2)計(jì)算

(2)

式中,DS為瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，次/mm；d1為對(duì)應(yīng)時(shí)間t1的變形量，mm；d2為對(duì)應(yīng)時(shí)間t2的變形量，mm；C1為試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)；C2為試件系數(shù)；N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度，通常為42次/min。

1.2.2 低溫SCB試驗(yàn)

半圓彎曲試驗(yàn)(Semi-Circular Bending Test，簡(jiǎn)稱SCB)原常用于巖石力學(xué)性能研究，現(xiàn)被引入道路工程的瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)之中[5]。SCB試驗(yàn)試件通常為直徑100 mm、高度為30～60 mm的半圓形試件，該試驗(yàn)通過圓棒對(duì)試件頂部施加荷載的方式來進(jìn)行。

參照AASHTO TP105規(guī)程進(jìn)行低溫SCB試驗(yàn)。為研究級(jí)配變異性對(duì)于再生瀝青混合料低溫性能的影響，采用低溫下的單次加載SCB試驗(yàn)。該次試驗(yàn)采用前文所提尺寸與級(jí)配的半圓試件進(jìn)行-12 ℃的單次加載SCB試驗(yàn)，采用控制位移加載的方式，加載速率為50 mm/min，評(píng)價(jià)指標(biāo)為SCB試驗(yàn)得到的豎向荷載-位移曲線計(jì)算得到的斷裂能，計(jì)算公式如式(3)所示

(3)

式中，Gf為試件斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J，及SCB試驗(yàn)中豎向荷載-位移曲線下方的面積；Alig為SCB斷裂面的面積，mm2，Alig=b×(d-ND)，b為試件厚度，mm；d為SCB試件半徑，mm；ND為切縫長(zhǎng)度，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 車轍試驗(yàn)結(jié)果及分析

將AC-13a、AC-13b、AC-13c三種車轍板放置在同一軌道60 ℃下，以輪壓為0.7 MPa的實(shí)心橡膠輪做1 h的反復(fù)碾壓，形成轍槽。最后測(cè)量得到車轍板的動(dòng)穩(wěn)定度和總變形量如表3所示。

表3 熱再生瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表3中不難得出，隨著熱再生瀝青混合料的細(xì)度模數(shù)減小，整體級(jí)配變細(xì)，其動(dòng)穩(wěn)定度開始下降，而變形量逐步上升。這是因?yàn)殡S著細(xì)集料的含量增大，混合料內(nèi)部粗集料含量減少，盡管變得密實(shí)，但是由粗集料構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)縮減，承載強(qiáng)度降低，所以在高溫情況下動(dòng)穩(wěn)定度下降，變形量增加。需要注意的是，細(xì)度模數(shù)在減小到一定程度的時(shí)候，動(dòng)穩(wěn)定度的下降幅度和變形量的增長(zhǎng)幅度增大，這是因?yàn)榧?xì)集料的含量過高，在相同壓實(shí)次數(shù)的情況下壓實(shí)程度不足，這也導(dǎo)致在接受車轍試驗(yàn)時(shí)受到壓實(shí)程度不足與骨架結(jié)構(gòu)縮減的雙重作用，以動(dòng)穩(wěn)定度和變形量為指標(biāo)的高溫穩(wěn)定性能出現(xiàn)進(jìn)一步下降。

2.2 低溫SCB試驗(yàn)結(jié)果分析

表4為3種熱再生瀝青混合料的-12 ℃單次荷載加載SCB試驗(yàn)的峰值力荷載、破壞位移及斷裂能指標(biāo)結(jié)果。

表4 熱再生瀝青混合料-12 ℃單次荷載加載SCB試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

為了更好研究級(jí)配對(duì)于低溫性能的影響，額外增添了兩種不同類型的混合料：一種是以規(guī)范中明確規(guī)定的AC-13C型瀝青混合料中值級(jí)配為級(jí)配，以最佳油石比5.0投入新瀝青進(jìn)行拌和所得的AC-13C型瀝青混合料(為方便表述成為全新料)，另一種則是投入50%摻量的RAP料、按照最佳油石比5.0投入高膠瀝青進(jìn)行調(diào)和再生、級(jí)配選用AC-13中值級(jí)配為級(jí)配的AC-13C型熱再生瀝青混合料(后續(xù)為方便表述稱為高膠再生料)，其對(duì)應(yīng)指標(biāo)如表4所示。

從表4可以看出：以全新料的結(jié)果為界，可以將幾種熱再生瀝青混合料分為兩組：① 細(xì)度模數(shù)較小的、混合料整體級(jí)配偏細(xì)的熱再生瀝青混合料低溫抗裂性較差；② 細(xì)度模數(shù)較大、使用高性能瀝青進(jìn)行調(diào)和再生的熱再生瀝青混合料低溫抗裂性較強(qiáng)。

通過AC-13a、AC-13b、AC-13c三種熱再生瀝青混合料與全新料相比，發(fā)現(xiàn)再生料相較于全新料的破壞位移出現(xiàn)明顯降低，峰值力荷載也出現(xiàn)了小幅地降低，這也說明RAP料的加入使得再生混合料在低溫下脆性破壞更快，且低溫抗裂性更差；斷裂能則出現(xiàn)了一些變化，細(xì)度模數(shù)較小的AC-13a、AC-13b檔再生料斷裂能較全新料顯著降低，而隨著細(xì)度模數(shù)的增大，其斷裂能也在增長(zhǎng)甚至?xí)^全新料?？梢酝茰y(cè)隨著集料變粗，骨架強(qiáng)度提升，抵抗SCB單次荷載的粘結(jié)力與石料承載力均得到了增強(qiáng)，再生混合料的斷裂能增加。當(dāng)然考慮到AC-13a、AC-13b、AC-13c三擋油石比均大于全新料油石比，也可以認(rèn)為斷裂性能是高瀝青含量和粗集料的共同結(jié)果。但在級(jí)配較細(xì)時(shí)，僅憑借高油石比依舊無法取得較好的抵抗低溫開裂的效果。上述的試驗(yàn)現(xiàn)象也說明在低溫下SCB試驗(yàn)對(duì)于新瀝青的用量較為敏感，且在再生混合料中添加相較于最佳瀝青用量更多的新瀝青也有利于提升再生混合料低溫抗裂性能。

通過高膠再生料與其他四種再生料相比，發(fā)現(xiàn)添加相較于基質(zhì)瀝青品質(zhì)更高的高膠瀝青對(duì)于其峰值力荷載、斷裂位移、斷裂能三個(gè)指標(biāo)都有著較大幅度的提升，根據(jù)上述現(xiàn)象可以得出：對(duì)于高RAP摻量(≥50%)而言，在選擇較為合理的級(jí)配情況下，高膠瀝青能夠大幅提升熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

通過觀察表4的混合料抗裂指標(biāo)變異性結(jié)果，考慮到混合料斷裂能是由兩者共同作用的結(jié)果，兩者之間任何一個(gè)出現(xiàn)較大擾動(dòng)都會(huì)對(duì)斷裂能的變異性產(chǎn)生較大影響。在脆性破壞模式下峰值力荷載的變異性在5%～15%之間，而脆性破壞位移值在5%～10%之間，這也說明混合料斷裂能的變異性是由峰值力荷載起主導(dǎo)作用。

3 級(jí)配變異性對(duì)再生瀝青混合料的路用性能的影響

采用斷裂能作為評(píng)價(jià)再生瀝青混合料低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。以變異系數(shù)為評(píng)價(jià)RAP料變異性的指標(biāo)，計(jì)算級(jí)配擾動(dòng)引起的再生瀝青混合料路用性能變異結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出，隨著RAP料的級(jí)配出現(xiàn)波動(dòng)，路用性能也隨之波動(dòng)。其中評(píng)價(jià)再生瀝青混合料高溫性能的動(dòng)穩(wěn)定度隨著細(xì)度模數(shù)波動(dòng)其變異系數(shù)達(dá)到了22.49%，變異性最大。SCB斷裂能變異系數(shù)達(dá)到了20%左右。這說明級(jí)配的變化對(duì)再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、疲勞性能和低溫抗裂性能都有著較大影響。

表5 細(xì)度模數(shù)與再生瀝青混合料路用性能變異系數(shù)表

4 結(jié) 論

針對(duì)RAP料中集料級(jí)配的變異性對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響進(jìn)行研究。以AC-13C型高摻量熱再生瀝青混合料為研究對(duì)象，首先提出用細(xì)度模數(shù)作為衡量RAP料細(xì)化程度指標(biāo)；其次，以車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度、低溫SCB斷裂試驗(yàn)斷裂能作為衡量再生瀝青混合料高溫性能、低溫抗裂性能的指標(biāo)；最后，以變異系數(shù)為指標(biāo)，得出級(jí)配變異性對(duì)再生瀝青砂漿路用性能的進(jìn)行評(píng)價(jià)。

a.以車轍試驗(yàn)獲得的動(dòng)穩(wěn)定度為衡量再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著舊料的細(xì)度模數(shù)減小，再生瀝青混合料骨架強(qiáng)度變?nèi)?，?dòng)穩(wěn)定度變小，車轍變形增大，高溫抗變形能力降低。

b.在-12 ℃的低溫條件下，隨著RAP料細(xì)度模數(shù)增大，對(duì)應(yīng)的再生瀝青混合料斷裂能也增大，但相較于高品質(zhì)瀝青調(diào)和再生瀝青混合料及AC-13新瀝青混合料，其斷裂位移較短，整體呈現(xiàn)更脆的狀態(tài)。在細(xì)度模數(shù)較大的情況下，高油石比的再生瀝青混合料斷裂能甚至高于新料，這也證明瀝青對(duì)于低溫抗溫縮開裂性能的影響要大于級(jí)配對(duì)低溫抗溫縮開裂性能的影響。