凍融循環(huán)條件對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律研究

摘要：為探究再生瀝青混合料在凍融作用下的性能變化規(guī)律，文章以凍融循環(huán)次數(shù)、冷凍溫度、凍融環(huán)境鹽濃度作為自變量，研究其對(duì)RAP混合料高溫動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲破壞應(yīng)變以及浸水殘留強(qiáng)度比的影響。結(jié)果表明：隨著冷凍溫度降低，RAP混合料路用性能均降低；在短期循環(huán)凍融環(huán)境中的鹽對(duì)RAP混合料具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，但在長(zhǎng)期循環(huán)過程中鹽對(duì)瀝青的腐蝕作用逐步加深，并超過補(bǔ)強(qiáng)作用；RAP混合料路用性能普遍在第3次循環(huán)后快速下降，并在7次循環(huán)后逐步穩(wěn)定；對(duì)RAP混合料路用性能影響最顯著的因素是凍融循環(huán)次數(shù)，其次是冷凍溫度與環(huán)境鹽度。相關(guān)結(jié)論可為再生路面建設(shè)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：道路工程；再生瀝青混合料；凍融循環(huán)；路用性能

中圖分類號(hào)：U416.03 A 04 010 3

0 引言

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2021年末，我國(guó)公路總里程達(dá)到528.07萬(wàn)km，我國(guó)公路建設(shè)戰(zhàn)略已經(jīng)由“重建輕養(yǎng)”逐步向“建養(yǎng)并重”過渡。在改建與養(yǎng)護(hù)階段產(chǎn)生了大量舊瀝青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），通過回收這部分舊骨料，并重新應(yīng)用在新路建設(shè)之中，能有效降低道路造價(jià)，同時(shí)減少舊料處理所帶來(lái)的環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問題。

由于RAP在使用過程中性質(zhì)發(fā)生了變化，其必然導(dǎo)致新RAP混合料部分路用性能的降低。因此需探究RAP瀝青混合料性能影響因素與規(guī)律，進(jìn)一步在施工過程中對(duì)其進(jìn)行控制，從而綜合提升道路價(jià)值。針對(duì)凍融循環(huán)作用下RAP混合料的路用性能，已有大量道路工作者進(jìn)行了研究。陶莉萍［1］主要研究了RAP摻量與凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)混合料擁有最佳的水穩(wěn)定性能，此外RAP摻量越高則再生瀝青混合料的快速損傷期出現(xiàn)越早，容易發(fā)生早期水損壞。陳龍等［2］通過低溫彎曲試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高RAP摻量同樣對(duì)混合料長(zhǎng)期水穩(wěn)定性與低溫性能產(chǎn)生較大負(fù)面影響。崔亞楠等［3］的研究證實(shí)了高濃度鹽凍融循環(huán)過程會(huì)對(duì)瀝青產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，從而降低瀝青低溫開裂性能，但同時(shí)一定濃度的鹽環(huán)境會(huì)對(duì)SBS瀝青低溫性能產(chǎn)生補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。王嵐等［4］通過斷裂力學(xué)試驗(yàn)研究表明，各因素對(duì)瀝青混合料抗裂性能的影響力大小依次為瀝青種類＞凍融循環(huán)次數(shù)＞除冰鹽濃度。

本文在上述研究基礎(chǔ)上綜合考慮多種凍融循環(huán)條件對(duì)RAP瀝青混合料高溫、低溫與水穩(wěn)定性能的影響，探究不同氣候分區(qū)內(nèi)RAP混合料性能的適應(yīng)性，為道路建設(shè)者提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本研究中再生瀝青混合料來(lái)源于廣西某二級(jí)公路上面層銑刨舊料，瀝青再生劑選用市售HRA2型再生劑。新瀝青采用AH-90瀝青，新瀝青與再生瀝青以1∶2質(zhì)量比混合后的混合瀝青性質(zhì)介于新舊瀝青之間，經(jīng)檢測(cè)其品質(zhì)達(dá)到70#基質(zhì)瀝青的規(guī)定，如表1所示。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25033-2010與JTG F40-2004的規(guī)定，再生瀝青混凝土粗集料應(yīng)滿足表2中的相關(guān)規(guī)定。新瀝青混凝土粗細(xì)集料與礦粉均為石灰?guī)r，技術(shù)性能滿足規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

1.2.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

本研究采用AC-13骨料級(jí)配，級(jí)配曲線如圖1所示。先將新舊集料分別進(jìn)行篩分，之后將每檔集料按一定比例混合，從而確保各檔集料中新舊集料的占比一致。根據(jù)馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法，確定最佳瀝青用量為5.3%。

1.2.2 凍融循環(huán)條件控制方法

試驗(yàn)設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)、冷凍溫度、凍融環(huán)境鹽度三組變量，對(duì)混合料的路用性能進(jìn)行研究。其中凍融循環(huán)次數(shù)用以模擬在不同使用年限下因凍融循環(huán)導(dǎo)致的道路性能變化；冷凍溫度通過調(diào)節(jié)所使用冰箱溫度進(jìn)行控制，用以模擬不同地區(qū)溫度差異導(dǎo)致的道路性能變化；凍融環(huán)境鹽度通過配制不同氯鹽濃度的凍融液體環(huán)境進(jìn)行控制，用以模擬凍融過程中鹽性道路除冰劑對(duì)道路性能的影響。

試驗(yàn)過程分兩個(gè)階段，第一階段進(jìn)行凍融循環(huán)：將混合料試件在常溫下飽水 2 h，放入恒溫冰箱靜置冷凍 16 h，取出后放入 60 ℃恒溫水浴箱保溫融化 24 h，最后將試件取出置于常溫條件 2 h，即完成一個(gè)凍融循環(huán)。之后可開始第二階段試驗(yàn)：使用第一階段凍融過后的試件進(jìn)行路用性能試驗(yàn)。當(dāng)冷凍溫度不作為變量時(shí)設(shè)置為 -18 ℃，當(dāng)環(huán)境鹽濃度不作為變量時(shí)設(shè)置為0。

1.2.3 路用性能室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

采用T 0719方法進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)混合料高溫穩(wěn)定性能；采用T 0715方法進(jìn)行混合料低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為 -10 ℃，用以評(píng)價(jià)混合料低溫性能；采用T 0709方法進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性能。需說(shuō)明的是，其中非浸水與非凍融的穩(wěn)定度與劈裂試件無(wú)須進(jìn)行凍融循環(huán)，以作為對(duì)照。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 凍融循環(huán)條件對(duì)再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響

圖2展示了在 -18 ℃、 -10 ℃、 -2 ℃三種不同冷凍溫度下，RAP混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)。由圖2可知，冷凍溫度越低則混合料動(dòng)穩(wěn)定度越低，但其差距較小。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)＜6次時(shí)，三種冷凍溫度下混合料動(dòng)穩(wěn)定度均滿足夏炎熱區(qū)動(dòng)穩(wěn)定度 1 000次/mm的要求。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到7次后混合料動(dòng)穩(wěn)定度趨于穩(wěn)定。

圖3則展示出了在清水中以及在2%、4%、6%氯鹽溶液中凍融循環(huán)的RAP混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化情況。鹽的加入對(duì)瀝青與瀝青混合料產(chǎn)生了腐蝕作用，導(dǎo)致混合料高溫性能降低，但是在前三次凍融循環(huán)中，2%與4%鹽濃度凍融后RAP混合料的動(dòng)穩(wěn)定度卻高于清水對(duì)照組，其原因可能是鹽在冷凍過程中發(fā)生結(jié)晶，填補(bǔ)混合料內(nèi)部孔隙并提供了一定強(qiáng)度。而當(dāng)鹽濃度達(dá)到6%時(shí)，鹽的腐蝕作用對(duì)混合料強(qiáng)度的影響顯著高于結(jié)晶鹽脹作用，因此6%鹽濃度下混合料動(dòng)穩(wěn)定度均低于其他三組。

2.2 凍融循環(huán)條件對(duì)再生瀝青混合料低溫性能的影響

由圖4可知，當(dāng)凍融循環(huán)中冷凍過程溫度 ＞-10 ℃時(shí)小梁試件的彎曲破壞應(yīng)變變化并不顯著。但當(dāng)冷凍溫度達(dá)到 -18 ℃時(shí)，凍融循環(huán)后RAP混合料低溫抗彎曲性能明顯下降，且當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次時(shí)混合料破壞應(yīng)變降低速率加快，此后已不滿足冬嚴(yán)寒區(qū)破壞應(yīng)變 2 600 με的要求。而 -10 ℃與 -2 ℃冷凍的小梁在經(jīng)過11次凍融循環(huán)后才會(huì)低于這一界限。其原因是在較高的冷凍溫度下，在 16 h的冷凍時(shí)間內(nèi)，試件完全凍結(jié)所需時(shí)間較長(zhǎng)，試件大部分時(shí)間處于冰水混合的環(huán)境之中，受到冰凍效果的影響較小。反之當(dāng)冷凍溫度較低，則瀝青易變脆，瀝青內(nèi)部分子間作用力降低，不足以抵抗外部彎拉荷載而易發(fā)生脆性斷裂。

由圖5可看出，鹽凍融環(huán)境對(duì)RAP混合料抗彎性能影響顯著。鹽濃度＞4%時(shí)，經(jīng)過一次凍融循環(huán)的試件破壞應(yīng)變已經(jīng)低于冬嚴(yán)寒區(qū)標(biāo)準(zhǔn) 2 600 με，經(jīng)過7次凍融循環(huán)后已基本低于冬冷區(qū)與冬溫區(qū)最低破壞應(yīng)變要求 2 000 με。

2.3 凍融循環(huán)條件對(duì)再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響

由圖6可知，不同冷凍溫度下RAP混合料殘留穩(wěn)定度變異性較大，但整體趨勢(shì)一致。在第3～7次凍融循環(huán)過程中， -18 ℃冷凍混合料水穩(wěn)定性下降速率陡增；對(duì)于 -10 ℃與 -2 ℃冷凍的試件，在第5～7次凍融循環(huán)過程中水穩(wěn)定性極速下降；超過7次循環(huán)后混合料水穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定，且不滿足半干區(qū)與干旱區(qū)殘留穩(wěn)定度75%的要求。冷凍溫度越低、凍-融過程中的溫度差越大，則分子間的相對(duì)熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，RAP集料與瀝青的粘附性劣于新集料，因此瀝青易從RAP集料表面脫落，最終導(dǎo)致水分容易侵入瀝青-RAP集料界面，同時(shí)加劇瀝青混合料內(nèi)部強(qiáng)度的不均勻性，使得強(qiáng)度與水穩(wěn)定性同步降低。

后頁(yè)圖7凍融環(huán)境鹽濃度對(duì)RAP混合料殘留穩(wěn)定度的影響曲線顯示，氯鹽濃度越高，在凍融過程中對(duì)瀝青的腐蝕性越大，特別是會(huì)腐蝕結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，使得集料暴露并與水接觸，降低水穩(wěn)定性。但是在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，凍融液含鹽量越高，則混合料殘留穩(wěn)定度越高于清水凍融對(duì)照組，2%與4%鹽凍融試件殘留穩(wěn)定度甚至＞100%。這種現(xiàn)象說(shuō)明鹽的浸入可能通過結(jié)晶與鹽脹作用為混合料抵抗水損害提供了一定強(qiáng)度，這與前文所述鹽濃度對(duì)RAP混合料高溫性能的影響是一致的。但隨著凍融次數(shù)的增加，鹽腐蝕所產(chǎn)生的危害逐步累積，并超過鹽結(jié)晶與鹽脹帶來(lái)的補(bǔ)強(qiáng)作用。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次后，全部混合料試件均不滿足所有氣候分區(qū)下混合料殘留穩(wěn)定度要求。凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到7次后，RAP混合料的水穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著凍融循環(huán)時(shí)冷凍溫度降低，RAP混合料高、低溫性能與水穩(wěn)定性能均降低。冷凍溫度過低則混合料在融化階段瀝青容易從粘附性差的RAP集料上脫落，導(dǎo)致整體力學(xué)性能不良。

（2）鹽性凍融環(huán)境對(duì)RAP混合料存在結(jié)晶鹽脹補(bǔ)強(qiáng)作用與腐蝕作用。隨著使用年限的增加，負(fù)面的腐蝕作用逐漸積累，并成為混合料質(zhì)量的主要控制因素。因此在冬季應(yīng)盡量避免在RAP路面上使用氯鹽除冰劑，或者控制除冰劑濃度，以延長(zhǎng)道路使用壽命。

（3）在經(jīng)過3～7次凍融循環(huán)后，RAP混合料的路用性能顯著下降，并在第7次循環(huán)之后其高低溫性能與水穩(wěn)定性能趨于穩(wěn)定。

（4）凍融循環(huán)條件中，對(duì)RAP混合料路用性能影響的顯著性順序?yàn)椋簝鋈谘h(huán)次數(shù)gt;冷凍溫度gt;凍融環(huán)境鹽濃度。

參考文獻(xiàn)

［1］陶莉萍.凍融循環(huán)對(duì)熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性影響研究［J］.交通節(jié)能與環(huán)保，2022，18（3）：87-91.

［2］陳 龍，朱建勇，何兆益，等.廠拌熱再生瀝青混合料低溫抗裂與水穩(wěn)定性研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（4）：39-45.

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收稿日期：2022-10-26