含高摻量瀝青混合料回收料的高模量瀝青混合料性能研究

吳文信

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

近年來，瀝青混合料回收料（RAP）被廣泛用于瀝青路面再生，節(jié)約了大量的自然資源和施工成本。當(dāng)RAP 的摻量控制在30%以下時(shí)，再生瀝青混合料具有較好的性能［1］；但是，當(dāng)RAP 摻量高于30%時(shí)，就會(huì)對再生瀝青混合料的各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響［2］。隨著瀝青路面材料成本控制和環(huán)保意識(shí)的不斷提高，RAP 在瀝青路面施工中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。盡管RAP 料的使用能減少天然骨料的使用量，但RAP 的加入被認(rèn)為是導(dǎo)致瀝青路面熱裂、疲勞開裂和水損害的潛在影響因素［3］。以上問題的出現(xiàn)主要是由于瀝青結(jié)合料暴露在環(huán)境中，隨著輕質(zhì)組分的揮發(fā)和氧化，導(dǎo)致老化后瀝青結(jié)合料的流變性能下降［4］。為解決RAP 中的瀝青混合料老化問題，傳統(tǒng)的解決方案是使用再生劑或較高標(biāo)號(hào)的瀝青結(jié)合料摻入RAP中［5］。然而，再生劑和高標(biāo)號(hào)瀝青結(jié)合料的加入可能會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的抗車轍性能降低，并且使用再生劑或高標(biāo)號(hào)瀝青結(jié)合料對再生瀝青混合料的抗裂性和水分穩(wěn)定性的改善作用有限。因此，受當(dāng)前再生技術(shù)的限制，大摻量RAP 的應(yīng)用尚未實(shí)施?，F(xiàn)有的大摻量RAP 再生瀝青混合料的應(yīng)用多處于實(shí)驗(yàn)室階段，投入工程實(shí)踐的較少［6］。高模量瀝青混合料（HMAC）于20 世紀(jì)80 年代初起源于法國，最初是用于降低瀝青層的厚度。隨后，HMAC 被普遍用于重載交通、高溫地區(qū)、長大縱坡路段及機(jī)場道面，主要解決路面強(qiáng)度不足、瀝青混合料高溫性能不良造成的車轍等變形類病害。為獲得良好的抗車轍性能，通常使用高模量瀝青混合料（HAMB）生產(chǎn)HMAC。HAMB按照來源可分為以下3 類［7］：①采用低標(biāo)號(hào)青結(jié)合料（如30#瀝青）；②采用高模量添加劑或特殊改性瀝青；③天然瀝青，如巖瀝青或湖瀝青。盡管世界各地對HMAC 沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法或性能要求，但是目前普遍接受的HMAC 的重要特征如下：采用高模量瀝青混合料滿足混合料的高模量要求；HMAC 在15°C 和10 Hz 條件下，動(dòng)態(tài)模量應(yīng)大于14 000 MPa；HMAC 的配合比設(shè)計(jì)采用細(xì)級配、高瀝青含量（如集料重量的5.5%～6.5%）和低空隙率（3%左右）。由于RAP 中老化瀝青的高剛度類似于硬質(zhì)瀝青，因此結(jié)合HMAC 的設(shè)計(jì)理念，在高模量瀝青混合料中加入RAP，提高RAP 的摻量水平，從技術(shù)上可行。本文開展動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)，對不同RAP 含量的高模量瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行分析和評價(jià)，以期平衡高RAP 含量高模量瀝青混合料的各項(xiàng)性能和研究高含量RAP 在高模量瀝青混合料中的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的瀝青混合料回收料（RAP）來自四川某高速公路，該公路已經(jīng)使用10年，已出現(xiàn)車轍和裂縫等病害。通過抽提回收方法分離RAP 中的瀝青混合料和集料。RAP 的集料級配見表1，選用特立達(dá)湖瀝青作為高模量瀝青結(jié)合料，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 RAP的集料級配

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表2 可知，提取的RAP 老化瀝青的技術(shù)指標(biāo)與特立達(dá)湖瀝青的技術(shù)指標(biāo)差距不大，由此得出，瀝青混合料在長期老化后，隨著輕質(zhì)組分揮發(fā)和氧化程度增加而變得更硬。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

參考我國規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）對瀝青混合料AC-20 級配的要求，采用馬歇爾擊實(shí)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，對馬歇爾試件雙面擊實(shí)75 次。按照4%的設(shè)計(jì)空隙率確定不同RAP摻量瀝青混合料礦料級配（見表3）。

表3 不同RAP摻量瀝青混合料礦料級配

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)“1.2”章節(jié)確定的配合比設(shè)計(jì)，制備不同RAP 含量的高模量瀝青混合料用于實(shí)驗(yàn)性能評估。對高模量瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，確定RAP對高模量混合料力學(xué)性能的影響。通過車轍試驗(yàn)和低溫彎梁試驗(yàn)對高模量瀝青混合料的高溫和低溫性能進(jìn)行評價(jià)。采用馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對高模量瀝青混合料的水分穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。采用四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)對高模量瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行評價(jià)。試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的要求進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

2.1 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

用于測量不同應(yīng)力狀態(tài)下瀝青混合料在拉伸或壓縮下的動(dòng)態(tài)模量的方法較多，本研究使用單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測試。試驗(yàn)使用高度為150 mm、直徑為100 mm 的圓柱形試樣。在試樣上施加循環(huán)正弦載荷后，測量其軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變，進(jìn)而計(jì)算得出動(dòng)態(tài)模量，計(jì)算方法如下：

其中：|E*|為動(dòng)態(tài)模量，σ0為應(yīng)力，ε0為應(yīng)變。

在0.1～25 Hz 的不同加載頻率、15 ℃溫度條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可知，隨著RAP摻入量的增加，相比不摻入RAP的高模量瀝青混合料，摻入RAP 高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量逐漸降低，尤其是在RAP 的摻量為30%～50%時(shí)，對高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量有顯著的負(fù)面影響。當(dāng)RAP 摻入量為30%～50%時(shí)，高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量不斷下降，然而在15 ℃和10 Hz 條件下，摻入RAP 的高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量值仍高于14 000 MPa，滿足高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的要求。

圖1 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

2.2 車轍試驗(yàn)

在60 ℃溫度條件下對不同RAP 摻入量的高模量瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，評估其干燥條件下的抗車轍性能?；旌狭显嚰膶挾群烷L度均為300 mm，厚度為50 mm。通過接觸寬度為50 mm的橡膠輪對試件施加0.7 MPa 的恒定載荷。使用線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）測量試樣沿輪徑的垂直位移。試驗(yàn)期間，每20 s 記錄一次位移（車轍深度）；動(dòng)穩(wěn)定度（DS）計(jì)算方法如下：其中：DS為動(dòng)穩(wěn)定度（次/mm），N為每分鐘的車輪加載循環(huán)次數(shù)（在本研究中，N=42 次/min），d45和d60分別是在45 min和60 min時(shí)測得的車轍深度（mm）。

車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨著RAP 摻入量的增加而降低，這與上一章節(jié)的動(dòng)態(tài)模量測試結(jié)果一致。RAP 摻入量為30%～50%時(shí)，盡管高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度有所下降，但是仍在工程項(xiàng)目要求允許范圍內(nèi)，50%RAP 高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為3 407 次/mm，相比0RAP 高模量瀝青混合料，降低幅度更大。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）對改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度要求為不小于3 000 次/mm，因此本文所有含RAP 高模量瀝青混合料均滿足規(guī)范要求。

圖2 車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

在-10℃溫度條件下，采用萬能試驗(yàn)機(jī)對不同RAP摻入量的高模量瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)。在試驗(yàn)前準(zhǔn)備6個(gè)尺寸為250 mm×30 mm×35 mm（長×寬×高）的小梁試樣。以50 mm/min的位移速率在梁試樣的跨度中心施加載荷，直到梁斷裂為止。通過載荷傳感器和線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）記錄梁試樣跨度中心的施加載荷和相應(yīng)的垂直撓度。基于施加載荷-位移的測試曲線，可以根據(jù)公式（3）和公式（4）計(jì)算每個(gè)試樣的破壞應(yīng)變和應(yīng)變能。

其中：εb、d、E和εv分別為梁受彎時(shí)的彎曲-拉伸破壞應(yīng)變、垂直撓度、應(yīng)變能和垂直應(yīng)變，h和L分別為測試試樣的高度和長度。

低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可知，添加RAP 后，破壞應(yīng)變和應(yīng)變能呈現(xiàn)出緩慢的下降趨勢，高模量瀝青混合料的低溫性能隨著RAP 摻入量的增加而逐漸降低。盡管RAP 中的老化瀝青結(jié)合料比高模量瀝青混合料（特立達(dá)湖瀝青）更軟，但它可能更脆弱，導(dǎo)致結(jié)合料的低溫性能降低。

圖3 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，評估高模量瀝青混合料的水穩(wěn)定度。在浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)中均使用高度為150 mm、直徑為100 mm的圓柱形試樣。在浸水馬歇爾試驗(yàn)中，馬歇爾試驗(yàn)以50 mm/min 的恒定速率加載，直到試樣被破壞，并記錄其荷載大小。浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度（MSR）用于評估瀝青混合料的水穩(wěn)定性，即試樣在60 ℃的水中浸泡48 h后的強(qiáng)度與試樣在60 ℃水中浸泡30 min后的強(qiáng)度比；MSR的計(jì)算公式如下：

其中：MS0是6 個(gè)試樣在水中浸泡30 min 的平均馬歇爾強(qiáng)度，MS1是6 個(gè)試樣在水中浸泡48 h 的平均馬歇爾抗拉強(qiáng)度。

劈裂試驗(yàn)用于確定瀝青混合物在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度。在凍融劈裂試驗(yàn)中，采用凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）評價(jià)瀝青混合料的水分穩(wěn)定性。TSR被定義為樣品在凍融條件下和正常溫度下的劈裂強(qiáng)度比。在凍融條件下，將樣品在真空狀態(tài)下浸入水中15 min，然后在-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，最后在60 ℃的水中冷凍24 h。TSR計(jì)算公式如下：

其中：R2為6個(gè)凍融處理試樣的平均劈裂強(qiáng)度，R1為6個(gè)未凍融處理的試樣的平均劈裂強(qiáng)度。

水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度（MSR）和凍融劈裂強(qiáng)度比（ISR）的測試結(jié)果可以看出，摻入RAP 的高模量瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著RAP 摻入量的增加而降低，主要原因?yàn)殚L期的老化作用導(dǎo)致RAP 中老化瀝青混合料的黏附性變得比高模量瀝青混合料（特立達(dá)湖瀝青）弱，從而影響高模量瀝青混合料的水穩(wěn)定性。然而，從測試數(shù)據(jù)中也可以發(fā)現(xiàn)，不同摻量RAP 的高模量瀝青混合料的MSR和TSR隨著RAP 摻量增加，其值降低幅度不大?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）對改性瀝青混合料的水穩(wěn)定度要求為MSR和TSR均不小于80%，因此試驗(yàn)中所有摻入RAP 的高模量瀝青混合料均滿足規(guī)范要求。

圖4 水穩(wěn)性性能試驗(yàn)結(jié)果

2.5 疲勞性能試驗(yàn)

基于應(yīng)力控制試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，對高模量瀝青混合料開展四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。在15℃溫度條件下施加頻率為10 Hz 的循環(huán)正弦應(yīng)力。疲勞試驗(yàn)是使用恒定應(yīng)力或恒定應(yīng)變載荷進(jìn)行的，考慮到應(yīng)變控制模式所需的試驗(yàn)時(shí)間相對較長，選擇應(yīng)力控制模式。將梁斷裂時(shí)加載循環(huán)次數(shù)記錄為瀝青混合料的疲勞壽命?；诓煌膽?yīng)力比（0.2、0.3、0.4 和0.5），進(jìn)行6 次重復(fù)試驗(yàn)。疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可知，所有高模量瀝青混合料樣品的疲勞壽命和應(yīng)力比趨勢相似。在RAP 摻量為30%～50%時(shí)，RAP 的摻量越高，對高模量瀝青混合料疲勞壽命的負(fù)面影響越大，但相比未摻RAP 的高模量瀝青混合料，摻入RAP 的瀝青混合料的疲勞壽命降低幅度小，特別是在應(yīng)力比較高時(shí)。因此，RAP 對高模量瀝青混合料的疲勞壽命的影響是可接受的。

3 結(jié)語

本研究開展抗車轍性能、低溫開裂性能、水穩(wěn)定性能和疲勞性能等試驗(yàn)，評估摻入RAP 的高模量瀝青混合料的各項(xiàng)性能，根據(jù)測試結(jié)果得出以下結(jié)論：①RAP 的摻入不會(huì)對高模量瀝青混合料的力學(xué)行為產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。盡管高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量隨著RAP 摻入量的增加而降低，但RAP 摻入量為30%～50%的高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量仍能滿足規(guī)范要求。②摻入RAP 的高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性能和疲勞性能與RAP 的摻入量有關(guān)，RAP 摻入量越高，高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性能和疲勞壽命降低，但RAP 對高模量瀝青混合料的各項(xiàng)性能的負(fù)面影響都在項(xiàng)目要求范圍，如摻入RAP 的高模量瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和高溫性能在50%RAP 含量時(shí)仍然滿足規(guī)范要求?？紤]到含RAP 高模量瀝青混合料的各項(xiàng)性能滿足規(guī)范要求，可將其用于瀝青下面層和基層。然而，由于RAP 對高模量瀝青混合料的低溫性能的負(fù)面作用較大，因此不建議用于瀝青表面層。