道路改擴(kuò)建工程瀝青混合料熱再生技術(shù)性能研究

韓曉宇

(山西交通養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

近年來，隨著交通量的日益飽和，我國前期建設(shè)的高速公路已無法滿足高速通行的要求，因此對諸多高速公路都進(jìn)行了改擴(kuò)建[1～3]。而高速公路改擴(kuò)建工程中較多的老路路面已出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞，需將其銑刨進(jìn)行重鋪，如此一來勢必產(chǎn)生較多的廢棄瀝青混合料[4，5]，廢棄瀝青混合料如果得不到合適的利用，就會對資源產(chǎn)生較大的浪費(fèi)，且會造成一定的環(huán)境污染[6，7]。瀝青路面熱再生技術(shù)是將廢棄瀝青混合料加工后，以一定比例摻入新瀝青混合料中重新鋪筑，通過這一技術(shù)為我國工程建設(shè)平均每年節(jié)省材料投入近百億元[8，9]，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。然而RAP中的集料和瀝青經(jīng)過多年的使用，其性能出現(xiàn)了較大幅度的弱化，將其摻入到新瀝青混合料中勢必會影響瀝青路面的路用性能。因此如何在保證新建路面性能和RAP最大規(guī)模應(yīng)用之間的平衡，找到能同時(shí)兼顧最大經(jīng)濟(jì)效益和瀝青路面性能的RAP摻量，是一項(xiàng)重要的課題[10，11]。以山西晉陽高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目為例，對舊路面銑刨混合料進(jìn)行熱再生處理，研究不同RAP摻量時(shí)，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和疲勞性能的變化，以此提出合適的RAP摻量。項(xiàng)目原路面結(jié)構(gòu)為：4 cm AC-13+5 cm AC-16+6 cm AC-20+20 cm水泥穩(wěn)定碎石+20 cm級配碎石，本文對AC-20下面層瀝青混合料進(jìn)行熱再生研究。

1 原材料

對瀝青路面材料(RAP)進(jìn)行機(jī)械破碎處理，利用標(biāo)準(zhǔn)篩分試驗(yàn)測定每檔礦料含量，并以相同比例進(jìn)行混合后得到RAP礦料合成級配，級配見表1。利用離心抽提儀對RAP中瀝青含量進(jìn)行測定，顯示舊瀝青含量為4.5%。新瀝青混合料礦料級配選用AC-20，其級配組成如表2所示，新瀝青采用AS70#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。將RAP和新瀝青混合料按不同比例混合后，添加5%的再生劑，并由馬歇爾試驗(yàn)確定最佳用量。

表1 RAP集料合成級配

表2 新集料合成級配

表3 新瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面車轍是在高溫和荷載的雙重作用下，瀝青混合料抗剪切能力不足出現(xiàn)側(cè)向流動(dòng)變形而引發(fā)的。而RAP的加入改變了瀝青混合料的級配組成，因而會對高溫穩(wěn)定性造成一定影響，基于此，利用60 ℃車轍試驗(yàn)，測定瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨RAP摻量的變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度隨RAP摻量的變化曲線

從圖1可以看出，當(dāng)RAP摻量小于10%時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨RAP摻量的增多緩慢增長，而當(dāng)RAP摻量在20%～30%之間時(shí)，增大RAP摻量會使動(dòng)穩(wěn)定度急劇增大，而當(dāng)RAP摻量大于30%時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度趨于穩(wěn)定，再增大RAP摻量對提高穩(wěn)定度效果很小。當(dāng)RAP摻量由0%增大至10%、30%和50%時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別為1 445、1 621、2 329和2 402次/mm，表明摻入10%、30%和50%RAP時(shí)，高溫穩(wěn)定性分別提高了12.2%、61.2%和66.3%。說明在合理的范圍內(nèi)，RAP的摻入能極大地改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但當(dāng)RAP摻量超過30%時(shí)對高溫穩(wěn)定性的改善作用有限，當(dāng)在其他性能能滿足要求的前提下可以繼續(xù)增大RAP摻量以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)廢棄料的利用。解釋其原因主要為，瀝青中含有大量的飽和芬和芳香芬等輕質(zhì)組分，輕質(zhì)組分的存在雖然使瀝青有一定程度的變形能力，但是會降低瀝青抵抗變形的能力。在受熱、氧氣、陽光和水等環(huán)境因子的作用下，RAP中的舊瀝青會發(fā)生氧化、揮發(fā)和聚合等一系列化學(xué)變化，造成飽和芬和芳香芬等輕質(zhì)組分揮發(fā)，瀝青質(zhì)含量的上升，使瀝青內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。體現(xiàn)到性能上，會使瀝青的粘度和針入度提高，高溫下抗變形的能力增強(qiáng)，因此使瀝青路面抵抗高溫車轍的能力提高。

2.2 低溫抗裂性

作為一種典型的溫度敏感性材料，瀝青性能隨著溫度的變化會出現(xiàn)較大幅度的改變，低溫時(shí)瀝青材料變硬變脆，外力時(shí)發(fā)生的形變大幅降低，此時(shí)在荷載作用下極易出現(xiàn)低溫開裂。利用低溫(-10 ℃)小梁彎曲試驗(yàn)，測定熱再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量隨RAP摻量的變化曲線，研究RAP對熱再生瀝青混合料低溫抗裂性的影響，并確定合適的RAP摻量，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，RAP摻量對最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量的影響呈現(xiàn)相反的規(guī)律，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變隨RAP摻量的增多逐漸減小，彎曲勁度模量隨RAP摻量的增多，逐漸增大，且當(dāng)RAP摻量大于30%時(shí)，再增大RAP摻量會使最大彎拉應(yīng)變急劇減小，當(dāng)RAP摻量由0%增大至30%和50%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變分別由3 387 με減小至2 834 με和2 402 με，分別降低了16.3%和29.1%，當(dāng)RAP摻量達(dá)到50%時(shí)瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變降低幅度較大，此時(shí)低溫抗裂性極差，因此從低溫抗裂性角度考慮RAP摻量不應(yīng)該大于30%。解釋其原因主要為，瀝青混合料的低溫抗裂性一方面取決于級配組成，另一方面主要與瀝青性質(zhì)密切相關(guān)，低溫時(shí)瀝青的變形能力越好，則瀝青混合料在低溫時(shí)更不容易斷裂，低溫抗裂性越好。在環(huán)境因素的作用下RAP中的舊瀝青逐漸發(fā)生老化，硬度和脆性慢慢增加，變形韌性逐漸降低，此時(shí)在荷載作用下更容易發(fā)生斷裂，因此使瀝青混合料的低溫抗裂性出現(xiàn)下降。

圖2 最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量隨RAP摻量的變化曲線

2.3 水穩(wěn)定性

路面水損害是指水浸入瀝青混合料中后，在荷載作用下水破壞了瀝青和集料之間的粘結(jié)界面，導(dǎo)致集料剝落進(jìn)而引發(fā)坑槽、剝落等損害。測定瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比隨RAP摻量的變化曲線，研究RAP摻量對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，同時(shí)確定合理的RAP摻量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比隨RAP摻量的變化曲線

從圖3可以看出，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比隨著RAP摻量的增多同時(shí)呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到最大值時(shí)對應(yīng)的RAP摻量分別為20%和30%，綜合這兩個(gè)指標(biāo)考慮，RAP摻量在20%～30%之間時(shí)，熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好。這是因?yàn)樗€(wěn)定性主要與瀝青和集料之間的粘附性密切相關(guān)，而RAP中舊瀝青的粘結(jié)性較差，當(dāng)RAP摻量超過30%時(shí)，新瀝青混合料中舊瀝青的比例增加，使瀝青與集料粘結(jié)界面處的孔洞和缺陷增多，因此造成了水穩(wěn)定性的下降；另一方面RAP中部分集料被壓碎或磨光，粉塵量較大，因此其摻量越多，代入混合料中的粉塵越多，使新瀝青與舊瀝青之間，瀝青與集料之間的粘結(jié)性變差，瀝青混合料的整體粘結(jié)強(qiáng)度降低，在水作用下更容易出現(xiàn)破壞。

2.4 疲勞性能

疲勞破壞是指瀝青混合料在荷載循環(huán)作用下，其內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，裂縫隨著荷載的作用逐漸擴(kuò)展，力學(xué)性能逐漸衰減，直至瀝青混合料發(fā)生疲勞斷裂。利用三分點(diǎn)加載試驗(yàn)測定瀝青混合料疲勞壽命隨RAP摻量的變化規(guī)律，研究熱再生瀝青混合料的疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 疲勞壽命隨RAP摻量的變化曲線

試驗(yàn)條件如下：試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載方式為應(yīng)力控制，應(yīng)力比為0.7，加載速率為10 Hz，試件尺寸為250 mm×40 mm×40 mm，試驗(yàn)時(shí)對試件進(jìn)行重復(fù)循環(huán)加載，直至試件發(fā)生斷裂，將試件斷裂時(shí)荷載的作用次數(shù)定義為疲勞壽命，

從圖4可以看出，瀝青混合料的疲勞壽命與RAP摻量之間存在良好的對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.987 3。RAP摻量越多，疲勞壽命越低，當(dāng)RAP摻量由0%增大至30%和50%時(shí)，疲勞壽命分別由7 114次降低為3 352次和2 679次，分別降低了52.9%和62.3%。瀝青混合料的疲勞壽命主要取決于材料組成，RAP的加入，一方面舊瀝青使得整個(gè)瀝青結(jié)合料的硬度增加，韌性降低，瀝青整體的變形性能不足，且舊瀝青與集料的粘結(jié)性能較差，在粘結(jié)界面處存在薄弱區(qū)，在荷載的反復(fù)作用下薄弱區(qū)優(yōu)先發(fā)生疲勞破壞，造成了瀝青混合料整體疲勞壽命的銳減；另一方面RAP中存在較多的粉塵和泥土等雜質(zhì)，雜質(zhì)的代入使混合料中易形成不均勻的缺陷，缺陷處在荷載作用下更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中使瀝青混合料內(nèi)部出現(xiàn)一定數(shù)量的微裂縫，在荷載作用下微裂縫不斷擴(kuò)展，直至裂縫連通后引發(fā)瀝青混合料的疲勞破壞，進(jìn)而降低了熱再生瀝青混合料的疲勞壽命。

3 結(jié) 論

(1)熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著RAP摻量的增多逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，當(dāng)RAP摻量超過30%時(shí)，再增大其摻量，動(dòng)穩(wěn)定度的增長幅度較小，高溫穩(wěn)定性的改善效果不明顯。

(2)熱再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變隨RAP摻量的增多逐漸減小，彎曲勁度模量隨RAP摻量的增多逐漸增大，低溫抗裂性逐漸變差，當(dāng)RAP摻量超過30%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變急劇減小，瀝青混合料的低溫抗裂性出現(xiàn)大幅度下降。

(3)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比都隨RAP摻量的增多呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，兩者達(dá)到最大值對應(yīng)的RAP摻量分別為20%和30%，從水穩(wěn)定性角度考慮，RAP摻量不易大于30%。

(4)瀝青混合料疲勞壽命隨RAP摻量的增多以對數(shù)規(guī)律遞減，相關(guān)系數(shù)為0.987 3，加入30%的RAP后，使疲勞壽命降低了52.9%。綜合瀝青混合料路用性能和經(jīng)濟(jì)效益，熱再生瀝青混合料中RAP摻量不易大于30%。