凍融循環(huán)下再生瀝青混合料的低溫性能

周紋漢，劉忠根，許西淼，張 賀

（1：吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118，2：中國(guó)建筑第八工程局有限公司青島分公司，山東 青島 250000，3：中國(guó)建筑第八工程局有限公司華北分公司，天津 300000）

近年來，我國(guó)的道路建設(shè)發(fā)展迅速，道路網(wǎng)已經(jīng)逐漸完善。早期建設(shè)的瀝青路面在使用過程中由于車輛荷載和自然環(huán)境因素的作用，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍、松散、裂縫等病害。瀝青路面的翻修產(chǎn)生大量的瀝青路面舊料（RAP）。瀝青路面再生技術(shù)具有節(jié)約成本、有效利用資源、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在公路工程中得到了廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，因?yàn)樵偕鸀r青路面中RAP 材料使用量的增加，再生瀝青路面的長(zhǎng)期使用性能受到越來越多人的重視[1]。

再生瀝青混合料與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料相比，其模量更大，具備更好的高溫穩(wěn)定性。但是隨著RAP 摻量增加，再生瀝青混合料的疲勞性能和低溫抗裂性低于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料[2-9]，這是由于RAP材料中瀝青老化脆性降低，且施工溫度過高，在拌合運(yùn)輸過程中發(fā)生瀝青再次老化和RAP 材料的二次老化。周洲[10]通過半圓彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同RAP 摻量再生瀝青混合料的低溫性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：為保證再生瀝青路面的使用性能，RAP 摻量應(yīng)≤35%。張科等[11]通過四點(diǎn)彎曲和APA 疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同RAP 摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的耐久性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：RAP 的摻量控制在≤30%，能夠確保再生瀝青路面的使用性能。通過文獻(xiàn)[2]得出結(jié)論，室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的研究與路面實(shí)際使用過程存在較大差異，目前對(duì)再生瀝青混合料低溫性能的研究主要從靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行分析。本文通過凍融循環(huán)模擬冬季溫度變化對(duì)路面低溫性能的影響，進(jìn)行靜態(tài)的低溫劈裂試驗(yàn)及在低溫條件下進(jìn)行再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)間接拉伸試驗(yàn)。通過劈裂強(qiáng)度和間接拉伸回彈模量反映再生瀝青混合料低溫性能，以期為再生瀝青混合料低溫耐久性能的研究提供參考。

1 試驗(yàn)原料性能

1.1 瀝青性能指標(biāo)

本研究所使用的新瀝青為遼寧省盤錦市的90#基質(zhì)瀝青，RAP 材料為吉林省長(zhǎng)榆高速公路養(yǎng)護(hù)回收的上面層材料。參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 20—2011）中T 0604，T 0605，T 0606，T 0625 的試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)新瀝青的性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。對(duì)RAP 材料進(jìn)行抽提、蒸餾、篩分檢測(cè)瀝青含量和集料級(jí)配，回收瀝青性能指標(biāo)（145 ℃時(shí)黏度）是按照《公路瀝青路面施工設(shè)計(jì)規(guī)范》中壓實(shí)瀝青的黏度確定的，見表2。

表1 基質(zhì)瀝青指標(biāo)

表2 回收瀝青指標(biāo)

通過回收瀝青指標(biāo)可以看出，其針入度降低，延度變小，軟化點(diǎn)增大，黏度增大，瀝青總體變硬，整體塑性下降，延展性變差。這是因?yàn)榻?jīng)過長(zhǎng)期的使用，瀝青受到自然環(huán)境的影響，舊瀝青自身組分發(fā)生了分解、氧化等反應(yīng)導(dǎo)致瀝青逐漸失去粘彈性，使其本身變硬、變脆。回收瀝青針入度平均為3.9 mm，根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）附錄D 廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法，當(dāng)回收瀝青針入度（25 ℃）＞3.0 mm 時(shí)，RAP 摻量可以＞30%。根據(jù)新舊瀝青調(diào)和法則確定再生瀝青標(biāo)號(hào)。按照RAP 摻量30%的配合比率進(jìn)行新舊瀝青調(diào)和試驗(yàn)。得到再生瀝青針入度為6.94 mm，滿足再生瀝青針入度要求。

1.2 集料性能指標(biāo)

瀝青混合料所用的集料多數(shù)就近取材。主要由當(dāng)?shù)靥烊粠r石破碎形成，瀝青混合料集料包括花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r、安山巖等。本研究所用粗細(xì)集料均為玄武巖，玄武巖具有抗壓強(qiáng)度大、吸水率低、瀝青粘附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 42—2005）中粗細(xì)集料的試驗(yàn)檢測(cè)要求，需要對(duì)粗集料的壓碎值、吸水率和針片狀含量進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)細(xì)集料的含泥量、砂當(dāng)量和棱角性進(jìn)行試驗(yàn)，粗細(xì)集料的試驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)指標(biāo)見表3～表4。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)%

表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

1.3 配合比設(shè)計(jì)

通過對(duì)RAP 材料的集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)得出RAP 材料為AC-16 級(jí)配。本文選取AC-16 的中值作為目標(biāo)級(jí)配，采用傳統(tǒng)的馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，密級(jí)配瀝青混合料空隙率控制在4%左右，通過空隙率、穩(wěn)定度、流值確定再生瀝青混合料的最佳油石比指標(biāo)。通過馬歇爾設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果得出RAP 摻量為0%，10%，20%，30%摻量下的最佳瀝青用量，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同摻量的最佳瀝青用量

2 凍融循環(huán)下再生瀝青混合料的低溫性能

2.1 凍融循環(huán)方法

目前關(guān)于凍融循環(huán)的試驗(yàn)方法各有不同，侯曙光等[4]設(shè)計(jì)凍融循環(huán)為8 h，將試件放在真空為98.3 kPa 的環(huán)境中保持15 min，之后將試件放在常溫水槽中1 h，試件吸水飽和后，用保鮮膜包裹放入-18℃的低溫箱中4 h，拿出將試件放入常溫水槽中，融化不低于4 h。減少了凍融循環(huán)時(shí)間的同時(shí)增加了凍融循環(huán)次數(shù)（24 次）。

本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 20—2011）中“瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)”的凍融方法：按照T 0702 方法制備圓柱體試件。試件規(guī)格滿足直徑101.6 mm±0.25 mm，高63.5 mm±1.3 mm 的試驗(yàn)要求。將試件抽真空后，放入常溫水中吸水飽和，之后將試件放入盛有10 ml 水的塑料袋中，放入-18 ℃的低溫箱中冷卻16 h。取出試件后放入60 ℃的恒溫水槽中保溫24 h。以此為一個(gè)循環(huán)，之后進(jìn)行瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)。

2.2 低溫劈裂試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 20—2011）中T 0716—2011 瀝青混合料劈裂試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，低溫劈裂測(cè)定瀝青混合料處于彈性狀態(tài)時(shí)的低溫抗裂性能以及靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)。設(shè)定試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率設(shè)定1 mm/min。試件的劈裂強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式（1）～式（3）中：RT為劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；PT為荷載最大值，N；h 為試件高度，mm；εT為破壞拉伸應(yīng)變；μ 為泊松比，取0.25；XT為試件水平方向總變形，mm；YT為試件垂直方向總變形，mm。

2.3 間接拉伸試驗(yàn)

間接拉伸試驗(yàn)是美國(guó)AASTO 提出的試驗(yàn)方法，通過循環(huán)荷載，模擬實(shí)際路面的受力過程。通過對(duì)圓柱體試件軸向施加循環(huán)荷載，得出混合料的水平位移變形、垂直位移變形、泊松比。

式（4）～式（5）中：XT為試件水平變形，mm；μ 為泊松比，取0.25；YT為試件垂直變形，mm；E 為回彈模量，MPa；P 為施加荷載，N；t 為試件高度，mm。

通過式(4)～式（5）計(jì)算間接拉伸回彈模量。本文主要研究再生瀝青混合料在低溫條件下的間接拉伸回彈模量，設(shè)定試驗(yàn)溫度-10 ℃。試驗(yàn)采用多功能路面材料試驗(yàn)儀（DTS-30）。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，將試件放入-10 ℃的低溫箱中保存，溫度控制在-10 ℃±0.5 ℃。將試件用夾具固定，安裝傳感器位置，調(diào)節(jié)試驗(yàn)參數(shù)后開始試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同RAP 摻量劈裂破壞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

不同RAP 摻量劈裂破壞強(qiáng)度見表6，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0 時(shí)，劈裂強(qiáng)度隨著RAP 摻量逐漸減小。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為6，9，12 次時(shí)，再生瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度沒有表現(xiàn)出遞增或遞減的單一變化，這是因?yàn)樵偕鸀r青混合料經(jīng)過凍融循環(huán)之后瀝青變硬變脆的程度不一，導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度沒有呈現(xiàn)規(guī)律性變化。應(yīng)用低溫劈裂評(píng)價(jià)凍融循環(huán)后再生瀝青混合料的低溫性能存在問題。

表6 不同RAP 摻量劈裂破壞強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

3.2 不同RAP 摻量間接拉伸回彈模量

通過表7 可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)越大，再生瀝青混合料的間接拉伸回彈模量越大。經(jīng)過12 次凍融循環(huán)之后，不同RAP 摻量間接拉伸回彈模量增長(zhǎng)量分別為1 851 MPa，1 946.9 MPa，2 361.4 MPa，2 777.2 MPa，其間接拉伸回彈模量隨著凍融次數(shù)的增加而增加。RAP 摻量越高，間接拉伸回彈模量增長(zhǎng)量越大，這是由于經(jīng)過凍融循環(huán)后，RAP 摻量高的瀝青混合料中瀝青變硬變脆，瀝青混合料發(fā)生溫縮反應(yīng)，導(dǎo)致模量增長(zhǎng)變大。

表7 不同RAP 摻量間接拉伸回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果

相同凍融次數(shù)，不同RAP 摻量下的再生瀝青混合料的間接拉伸回彈模量也逐漸增大。以6 次凍融循環(huán)為例：不同摻量的下增長(zhǎng)量分別為450.6 MPa，741.2 MPa，1 012.2 MPa。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)條件下，隨著RAP 摻量的增加，老化瀝青增多，與新瀝青調(diào)和后的再生瀝青黏度降低，與集料的粘附性變差，再生瀝青混合低溫下更容易出現(xiàn)破壞，所以導(dǎo)致回彈模量增大。

4 結(jié)語(yǔ)

1）采用低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)凍融循環(huán)后再生瀝青混合料的低溫性能時(shí)，其低溫劈裂強(qiáng)度沒有呈現(xiàn)規(guī)律性變化，應(yīng)用低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)凍融循環(huán)后其低溫性能有待進(jìn)一步討論。

2）采用間接拉伸回彈模量試驗(yàn)測(cè)試方法，通過試驗(yàn)結(jié)果分析，舊料摻量越多，再生瀝青混合料的低溫回彈模量越大。低溫抗裂性能變差?；貜椖Ａ砍室?guī)律性變化，通過間接拉伸試驗(yàn)分析凍融循環(huán)后再生瀝青混合料的低溫性能可行。

3）分析對(duì)比低溫劈裂試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)，低溫劈裂試驗(yàn)的加載方式為固定速率的恒定荷載，路面在使用過程中為動(dòng)態(tài)荷載，不能反映道路實(shí)際工作狀態(tài)。間接拉伸試驗(yàn)的加載方式為循環(huán)荷載，在一定程度上能夠模擬路面的使用過程，能夠?yàn)樵偕鸀r青路面低溫性能評(píng)價(jià)提供參考。

4）在實(shí)際再生瀝青路面工程中，由于各地區(qū)RAP 材料有所不同、環(huán)境差異較大。在進(jìn)行低溫性能評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)該靈活更改RAP 摻量、試驗(yàn)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)等，從而對(duì)實(shí)際路面工程的低溫性能進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。