鹽凍融循環(huán)對熱再生瀝青混合料低溫性能的影響

張 智

（宜春交通投資集團有限公司，江西 宜春 336099）

0 引言

修建瀝青路面時需要消耗大量的瀝青和集料等不可再生資源，然而在瀝青路面維修與養(yǎng)護過程中會產(chǎn)生大量的瀝青路面舊料。據(jù)報道，我國每年約產(chǎn)生3億噸舊料[1]，如果將這些舊料進行回收并再次用于鋪筑瀝青路面，可極大地減少不可再生資源的開發(fā)，達到節(jié)約、節(jié)能和環(huán)保的目的。因此，瀝青路面舊料再生技術(shù)越來越受到人們的重視，而熱再生技術(shù)生產(chǎn)的再生瀝青混合料品質(zhì)最好，是使用最為廣泛的再生技術(shù)之一。然而，當(dāng)熱再生瀝青混合料用于季節(jié)性冰凍地區(qū)時，由于季凍區(qū)冬季時間漫長，道路積雪和結(jié)冰嚴重，經(jīng)常需要噴灑融雪鹽除冰雪，保障道路的安全和暢通，而融化的冰雪在晚上等低溫時段又重新凍結(jié)。因此瀝青路面不僅承受長時間的低溫環(huán)境，而且需要承受鹽凍融循環(huán)破壞，因此，有必要研究鹽凍融循環(huán)對熱再生瀝青混合料的低溫耐久性的影響。

Ma等[2]研究了凍融循環(huán)對再生瀝青混合料劈裂強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著舊料摻量提高，再生瀝青混合料的劈裂強度先增大后減小。許西淼等[3]的研究表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生瀝青混合料的彎拉應(yīng)變逐漸減小。姜嚴旭等[4]研究了凍融循環(huán)對再生瀝青混合料水穩(wěn)定性和疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，劈裂強度和疲勞壽命均逐漸降低。胡艷麗[5]采用劈裂試驗研究了凍融循環(huán)對再生瀝青混合料的影響，發(fā)現(xiàn)凍融之后再生瀝青混合料的劈裂強度降低、破壞應(yīng)變增大。

吳金榮等[6]研究了鹽凍融循環(huán)下瀝青混合料的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)鹽分能夠加劇瀝青混合料的疲勞破壞。常睿等[7]研究了鹽凍融循環(huán)對瀝青混合料低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)鹽凍融循環(huán)之后，瀝青混合料的應(yīng)變能密度顯著減小，且鹽溶液濃度越高，對低溫性能影響越大。崔亞楠和王嵐等[8-9]的研究表明鹽凍條件下瀝青混合料的低溫蠕變性能下降。黃新顏等[10]發(fā)現(xiàn)鹽分會降低瀝青與集料面強度，從而降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)外的研究主要集中于凍融循環(huán)對再生瀝青混合料影響的研究以及鹽凍融循環(huán)對普通瀝青混合料影響的研究，而研究鹽凍融循環(huán)對再生瀝青混合料低溫性能的影響還鮮有報道。鑒于此，本文對鹽凍融循環(huán)對再生瀝青混合料低溫性能的影響進行研究。首先設(shè)計七種再生瀝青混合料，然后進行劈裂試驗、低溫彎曲試驗和疲勞試驗，對比分析不同舊料摻量、油石比、再生劑種類的再生瀝青混合料經(jīng)受鹽凍融循環(huán)后的性能變化規(guī)律，為季凍區(qū)熱再生瀝青混合料的設(shè)計提供參考。

1 試驗原材料和方法

1.1 試驗原材料

（1）集料

試驗中所用集料為石灰?guī)r。由于試驗所用混合料級配為AC-20，使用四種粒徑范圍的集料，按粒徑大小分為0～3 mm、3～5 mm、5～15 mm和15～25 mm。經(jīng)檢驗，集料的物理力學(xué)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（2）舊料

為減小再生混合料級配的變異性，舊料分為粗細兩檔。經(jīng)抽提試驗后，檢測得兩檔舊料的油石比如表1所示，舊料中集料的物理力學(xué)指標(biāo)也符合規(guī)范要求。

表1 舊料殘余油石比Tab.1 Binder-stone ratio of RAP

（3）瀝青

所使用新瀝青為70#基質(zhì)瀝青。新瀝青與舊料中回收瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Properties of asphalt binder

（4）再生劑與鹽

所用再生劑為市面上常見的兩種再生劑，再生劑一常溫下為黑色固體，加熱后為液體；再生劑二常溫下為褐色液體，兩種再生劑的推薦摻量均為舊瀝青質(zhì)量分數(shù)的8%。所使用的鹽為國藥集團生產(chǎn)的分析純氯化鈉。

1.2 試驗方案和方法

共設(shè)計七種瀝青混合料，其中包括六種再生瀝青混合料和一種對照混合料，然后設(shè)計劈裂試驗、彎曲試驗和疲勞試驗，研究其未經(jīng)凍融、經(jīng)受清水凍融循環(huán)與經(jīng)受鹽水凍融之后的低溫抗水損害性能、低溫抗裂性能和疲勞性能的變化規(guī)律。

1.2.1 瀝青混合料組成

七種瀝青混合料以規(guī)范中AC-20級配中值為目標(biāo)級配，九種瀝青混合料的組成如表3所示，其最佳油石比通過馬歇爾法確定。編號中的數(shù)字表示舊料的摻量，R40RA1#和R40RA2#分別表示添加再生劑一和再生劑二的再生瀝青混合料，其最佳油石比采用R40的最佳油石比，再生劑摻量為舊料中舊瀝青的質(zhì)量比；R40B0.3和R40B0.6分別表示在R40的最佳油石比基礎(chǔ)上增加0.3%和0.6%的油石比。

表3 瀝青混合料組成Tab.3 Composition of asphalt mixture

1.2.2 試驗方法

（1）低溫凍融劈裂試驗

首先根據(jù)混合料的配合比成型馬歇爾試件，隨機選取三個標(biāo)準的試件在清水或10%氯化鈉鹽溶液（質(zhì)量比）中抽真空15 min，然后恢復(fù)常壓浸泡30 min，取出試件放入注有10 mL清水或10%氯化鈉鹽水的塑料袋中，接著放入-18±2 ℃的冷箱中冷凍16 h，再放在60 ℃的恒溫水浴環(huán)境中融化24 h，以此作為一個凍融循環(huán)，如此進行三次循環(huán)。最后，放入-10 ℃的冰箱中保溫4 h，以1 mm/min的加載速率進行劈裂試驗，以劈裂強度和凍融劈裂強度比作為再生瀝青混合料低溫抗水損害的評價指標(biāo)。

（2）低溫彎曲試驗

首先根據(jù)輪碾法成型瀝青混合料車轍板，然后切割成30 mm×35 mm×200 mm的小梁。隨機選取三根小梁試件放入室溫水槽中2 h作飽水處理，接著放入注有清水或10%氯化鈉鹽水的塑料袋中，再放入-18±2 ℃的冷箱中冷凍12 h，之后放入室溫水槽中融化12 h，以此作為一個凍融循環(huán)，如此進行三次循環(huán)，最后在-10 ℃下進行彎曲試驗，試驗方法參照規(guī)范JTG E20—2011，以破壞應(yīng)變比作為再生瀝青混合料低溫性能的評價指標(biāo)。

（3）疲勞試驗

采用三點彎曲疲勞試驗評價鹽凍融循環(huán)對瀝青混合料的疲勞性能的影響。疲勞試驗前先對試件進行三次清水或10%氯化鈉鹽溶液的凍融循環(huán)，凍融循環(huán)條件與彎曲試驗相同。疲勞試驗時采用應(yīng)力控制模式，應(yīng)力比為0.2、0.3和0.4，試驗溫度為15℃，加載頻率為10 Hz，荷載形式為半正弦波形，不設(shè)置間歇時間，以試件斷裂作為疲勞破壞標(biāo)準，以疲勞壽命作為評價指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫抗水損害性能

2.1.1 不同舊料摻量對低溫抗水損害性能的影響

不同舊料摻量再生瀝青混合料的劈裂強度如圖1所示。從圖1可以看出，隨著舊料摻量的提高，再生瀝青混合料的劈裂強度逐漸提高，添加40%舊料之后，劈裂強度提高了20.7%，這是因為舊料中含有內(nèi)聚力更強的老化瀝青，致使舊料摻量高的再生瀝青混合料劈裂強度更高；再生瀝青混合料的凍融劈裂強度則隨舊料摻量先增大后減小，說明舊料摻量存在一最佳用量，低于該摻量時添加舊料有利于提高其凍融劈裂強度，高于此摻量時則凍融劈裂強度會衰減；對比未凍融與經(jīng)受凍融的劈裂強度可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過清水和鹽溶液凍融循環(huán)后，再生瀝青混合料的劈裂強度均下降，且經(jīng)過鹽凍融循環(huán)的強度下降幅度更大，這是因為混合料空隙中的水分和浸入到瀝青-集料界面的水分在低溫下結(jié)冰，在混合料內(nèi)部產(chǎn)生凍脹應(yīng)力并產(chǎn)生損傷，致使劈裂強度降低，而經(jīng)受鹽凍融循環(huán)的試件不僅會產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，還會產(chǎn)生鹽結(jié)晶的膨脹應(yīng)力，因此劈裂強度下降的幅度更多。

圖1 不同舊料摻量再生瀝青混合料的劈裂強度Fig.1 Splitting strength of recycled asphalt mixture with different RAP contents

以凍融劈裂強度比（TSR）評價再生瀝青混合料的抗水損害性能，如圖2所示。從圖2可知，添加20%舊料之后，其抗水損害能力提高了4.1%，而添加40%舊料之后，其抗水損害能力降低了3.7%，說明舊料的最佳摻量在20%左右。當(dāng)舊料摻量低于20%時，有利于瀝青混合料的抗水損害能力，而當(dāng)舊料摻量高于20%時，不利于瀝青混合料的抗水損害能力。經(jīng)受鹽凍融后，TSR進一步降低，相比于清水凍融，R0、R20和R40的TSR分別降低了13.4%、15.7%和16.3%，說明添加舊料之后會損害瀝青混合料的抗鹽凍融損害能力，原因可能是添加舊料之后再生瀝青混合料中的薄弱界面更多，在鹽凍融循環(huán)下更容易損傷。由此也說明季凍區(qū)鹽凍融循環(huán)對瀝青混合料抗水損害的影響不可忽視。

圖2 不同舊料摻量再生瀝青混合料的劈裂強度比Fig.2 TSR of recycled asphalt mixture with different RAP contents

2.1.2 不同再生劑種類對低溫抗水損害性能的影響

不同再生劑種類再生瀝青混合料的劈裂強度如圖3所示，添加再生劑后，再生瀝青混合料的未凍融劈裂強度變化很小，但是經(jīng)受凍融之后，其劈裂強度比未添加再生劑高，清水凍融時R40RA1#和R40RA2#比R40的劈裂強度分別提高了8.4%和7.0%，鹽凍融時R40RA1#和R40RA2#比R40的劈裂強度均提高了約16%，其原因可能是再生劑促進了舊瀝青與新瀝青的融合，降低了再生瀝青混合料的薄弱界面，因而劈裂強度提高。

圖3 不同再生劑種類再生混合料的劈裂強度Fig.3 Splitting strength of recycled asphalt mixture with different rejuvenating agent

不同再生劑種類再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比（TSR）如圖4所示，添加再生劑后，清水凍融時R40RA1#和R40RA2#比R40的TSR分別提高了3.8%和7.2%，鹽凍融時R40RA1#和R40RA2#比R40的劈裂強度分別提高了10.5%和14.4%，說明添加再生劑不僅可以提高再生瀝青混合料的抗水損害能力，還可以提高其抗鹽凍融損害能力。

圖4 不同再生劑種類再生混合料的劈裂強度比Fig.4 TSR of recycled asphalt mixture with different rejuvenating agent

2.1.3 不同油石比對低溫抗水損害性能的影響

不同油石比的再生瀝青混合料的劈裂強度如圖5所示，增加油石比后，再生瀝青混合料的劈裂強度提高，但進一步增加時其強度提高并不明顯，原因可能是：當(dāng)增加較小的油石比時，集料顆粒之間的潤滑能力提高，成型時更密實，因而強度更大，當(dāng)進一步增加油石比時，瀝青主要填充于混合料內(nèi)部空隙中，因而強度提高不明顯；經(jīng)過凍融之后，再生瀝青混合料的強度也得到了提高，清水凍融時R40B0.3#和R40B0.6比R40的劈裂強度分別提高了7%和8%，鹽凍融時R40B0.3#和R40B0.6比R40的劈裂強度分別提高了約10%和12%，這是因為增加油石比后有更多的瀝青會在集料表面形成更厚的瀝青膜，因而水分更不易浸入瀝青與集料之間的界面，所以其凍融劈裂強度提高。

圖5 不同油石比再生混合料的劈裂強度Fig.5 Splitting strength of recycled asphalt mixture with different binder-stone ratio

不同油石比的再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比（TSR）如圖6所示，增加油石比之后，清水凍融時R40B0.3#和R40B0.6比R40的TSR分別提高了1%和2%，鹽凍融時R40B0.3#和R40B0.6比R40的劈裂強度分別提高了5%和7%，說明增加油石比同樣可以提高再生瀝青混合料的抗水損害能力和抗鹽凍融損害能力。

圖6 不同油石比再生混合料的劈裂強度比Fig.6 TSR of recycled asphalt mixture with different binderstone ratio

2.2 低溫抗裂性能

2.2.1 不同舊料摻量對低溫抗裂性能的影響

以破壞應(yīng)變評價再生瀝青混合料的低溫抗裂性能，如圖7所示，隨著舊料摻量的提高，再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變逐漸降低，添加40%舊料之后，劈裂強度提高了36%，已不滿足規(guī)范中不低于2 000 με的要求，這是因為舊料中的老化瀝青模量變大、變形能力降低，致使再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變減小；經(jīng)受清水凍融循環(huán)后，再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變均減小，R0、R20和R40的破壞應(yīng)變相比于未凍融循環(huán)分別減小了12.4%、12.6%和25.1%，這是因為混合料空隙中的水分和浸入到瀝青-集料界面、新瀝青-舊瀝青界面的水分在低溫下結(jié)冰，在混合料內(nèi)部產(chǎn)生凍脹應(yīng)力并生產(chǎn)損傷，致使破壞應(yīng)變減小，并且舊料摻量越多，新瀝青-舊瀝青的界面越多，破壞應(yīng)變降低的幅度也越大；經(jīng)受鹽凍融循環(huán)后，再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變會進一步減小，R0、R20和R40的破壞應(yīng)變相比于未凍融循環(huán)分別減小了15.7%、22.2%和39.2%，這是因為在低溫下混合料空隙、瀝青-集料界面、新瀝青-舊瀝青界面不僅有冰的凍脹應(yīng)力，而且有鹽結(jié)晶的體積膨脹應(yīng)力，并且舊料摻量越多，新瀝青-舊瀝青界面越多，產(chǎn)生的損傷也就越大，因而破壞應(yīng)變下降幅度越大。因此，在季凍區(qū)設(shè)計混合料時，凍融循環(huán)和鹽凍融循環(huán)對混合料低溫抗裂性能的劣化也是需要慎重考慮的因素。

圖7 不同舊料摻量再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變Fig.7 Fracture strain of recycled asphalt mixture with different RAP contents

2.2.2 不同再生劑種類對低溫抗裂性能的影響

不同再生劑種類再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變?nèi)鐖D8所示，添加再生劑后，再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變增加，R40RA1#和R40RA2#比R40的破壞應(yīng)變分別提高了10.6%和28.4%；經(jīng)受清水凍融之后，R40RA1#和R40RA2#其破壞應(yīng)變雖然有所減小，但是其相比于未添加再生劑的混合料R40分別提高了34.8%和53.2%；而經(jīng)受鹽凍融之后，R40RA1#和R40RA2#比R40的破壞應(yīng)變分別提高了46.4%和60.1%，這是因為再生劑中的芳香分和膠質(zhì)可軟化老化瀝青、提高老化瀝青的變形能力，同時也可以促進舊瀝青與新瀝青的相容性，減小混合料內(nèi)部的缺陷，進而減小應(yīng)力集中，因此提高了再生瀝青混合料凍融和鹽凍融循環(huán)之后的破壞應(yīng)變。由此也說明添加再生劑可以提高季凍區(qū)再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

圖8 不同再生劑種類再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變Fig.8 Fracture strain of recycled asphalt mixture with different rejuvenating agent

2.2.3 不同油石比對低溫抗裂性能的影響

不同油石比再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變?nèi)鐖D9所示，增加油石比后，再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變增加，R40B0.3#和R40B0.6比R40的破壞應(yīng)變分別提高了3.2%和21.4%；經(jīng)受清水凍融之后，R40B0.3#和R40B0.6的破壞應(yīng)變雖然減小，但是其相比于R40分別提高了18.9%和39.7%；而經(jīng)受鹽凍融之后，R40B0.3#和R40B0.6比R40的破壞應(yīng)變分別提高了25.2%和50.2%，這是因為增加油石比之后增加了集料的瀝青膜厚度，有更多的瀝青參與變形，因而提高了再生瀝青混合料凍融和鹽凍融循環(huán)之后的破壞應(yīng)變。由此也說明可通過適當(dāng)增加油石比提高季凍區(qū)再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

圖9 不同油石比再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變Fig.9 Fracture strain of recycled asphalt mixture with different binder-stone ratio

2.3 疲勞性能

由于疲勞試驗時間較長，只選取了R0、R40、R40RA2#和R40B0.3#進行疲勞試驗，結(jié)果如圖10所示。對比四種混合料疲勞壽命可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過清水凍融和鹽凍融后，混合料的疲勞壽命均下降，且鹽凍融的疲勞壽命下降幅度更大，比如混合料R0，在0.2、0.3和0.4的應(yīng)力比下，清水凍融后疲勞壽命分別降低了36.5%、31.2和13.8%，鹽凍融后疲勞壽命分別降低了46.8%、37.9和23.0%，這是因為冰的凍脹和鹽的結(jié)晶會對瀝青混合料產(chǎn)生損傷。由此也說明季凍區(qū)瀝青路面的鹽凍融循環(huán)會降低瀝青路面的抗疲勞能力。

圖10 瀝青混合料的疲勞壽命Fig.10 Fatigue life of asphalt mixture

對比圖10（a）和圖10（b）可知，添加40%的舊料后，在0.2、0.3和0.4的應(yīng)力比下，疲勞壽命分別降低了48.0%、39.2%和23.9%；經(jīng)過清水凍融以后，疲勞壽命分別降低了52.5%、54.4%和57.3%，經(jīng)過鹽凍融以后，疲勞壽命分別降低了61.9%、70.8%和64.1%，比R0的下降幅度更大，也就是說添加舊料之后，再生瀝青混合料不僅疲勞壽命降低，經(jīng)受凍融循環(huán)和鹽凍融循環(huán)的壽命下降的幅度也更大。

對比圖10（b）和圖10（c）可知，添加再生劑后，再生瀝青混合料的疲勞壽命增大，在0.2、0.3和0.4的應(yīng)力比下，疲勞壽命分別提高了17.9%、26.7%和19.1%，經(jīng)過清水凍融以后，疲勞壽命分別提高了30.7%、28.9%和54.7%，經(jīng)過鹽凍融以后，疲勞壽命分別提高了57.8%、27.4%和20.4%，也就是說添加再生劑之后，再生瀝青混合料不僅疲勞壽命提高，其經(jīng)受凍融循環(huán)和鹽凍融循環(huán)的壽命也提高。

對比圖10（b）和圖10（d）可知，增加油石比后，再生瀝青混合料的疲勞壽命增大，在0.2、0.3和0.4的應(yīng)力比下，疲勞壽命分別提高了31.3%、25.9%和23.6%，經(jīng)過清水凍融以后，疲勞壽命分別提高了45.9%、57.1%和53.8%，經(jīng)過鹽凍融以后，疲勞壽命分別提高了61.3%、84.0%和44.1%，也就是說增加油石比之后，再生瀝青混合料的凍融循環(huán)和鹽凍融循環(huán)的疲勞壽命也得到提高。

3 結(jié)語

（1）凍融循環(huán)和鹽凍融循環(huán)會降低再生瀝青混合料的劈裂強度、劈裂強度比、低溫破壞應(yīng)變和疲勞壽命，損害再生瀝青混合料在季凍區(qū)的抗水損害能力、低溫抗裂性能和疲勞性能，并且在鹽凍融循環(huán)條件下再生瀝青混合料的抗水損害能力、低溫抗裂性能和疲勞性能下降幅度更大。

（2）凍融循環(huán)和鹽凍融循環(huán)條件下，隨著舊料摻量的增加，劈裂強度比先增大后減小，破壞應(yīng)變和疲勞壽命逐漸降低；在再生瀝青混合料中添加再生劑或增加油石比可提高再生瀝青混合料的抗水損害能力、低溫抗裂性能和疲勞性能。

（3）凍融循環(huán)以及鹽凍融循環(huán)對季凍區(qū)瀝青路面低溫性能的劣化不可忽視，在瀝青混合料設(shè)計時，需要對季凍區(qū)瀝青路面的抗鹽凍融破壞能力做加強設(shè)計。