高舊料摻量下平衡設計法與馬歇爾設計法對比

王珊珊, 蘇剛, 張文武, 周海防*, 肖慶一, 龔芳媛,4

(1.山東高速集團有限公司, 濟南 250000; 2. 山東高速路用新材料技術有限公司, 濟南 250000;3. 河北工業(yè)大學土木與交通學院, 天津 300401; 4. 河北工業(yè)大學天津市裝配式建筑與智能建造重點實驗室, 天津 300401)

就地熱再生技術的經(jīng)濟與環(huán)境效益是路面熱再生技術類型中最明顯的,但因舊料(reclaimed asphalt pavement,RAP)的摻入比例較高,導致混合料低溫性能很難達到規(guī)范要求,路面也因開裂嚴重導致耐久性較差[1-3]。仰建崗等[4]通過非線性模型表征碾壓溫度、混合料級配、再生劑用量3種因素與馬歇爾試驗指標的影響程度。表明瀝青混合料的配合比設計是決定瀝青混合料性能的關鍵要素之一。

現(xiàn)階段中國在就地熱再生技術中所用設計法通常是馬歇爾設計法,但指標體系與混合料的路用性能聯(lián)系性較差[5],因此很難適用于RAP摻入量較大的就地熱再生瀝青混合料[6-7]。田維東[8]對3種RAP摻量下的就地熱再生料應用了馬歇爾設計法,發(fā)現(xiàn)RAP摻量為80%時不能滿足水穩(wěn)定性以及低溫性能要求,僅高溫指標滿足規(guī)范要求。黃艷[9]在SMA-13的就地熱再生路面采用馬歇爾設計法,試驗表明混合料的高溫性能與防滲水性能較好,低溫與水穩(wěn)定性能較差,說明馬歇爾設計法對低溫性能的關注太低,導致路面攤鋪后期易開裂的風險較高。因而高RAP含量下的就地熱再生瀝青混合料配合比設計尤其要注意抗開裂性能是否達到標準。

平衡設計法雖然發(fā)展歷史較短,但其更側(cè)重抗開裂性能,能夠有效降低高RAP摻量給混合料低溫性能造成的不利影響。Zhou等[10]首次將平衡設計法應用于熱再生瀝青混合料,表明平衡設計法可以改善瀝青混合料的低溫性能;2018年,美國國家公路合作研究計劃(National Cooperative Highway Research Program,NCHRP)歸納整理了平衡設計法的設計思路框架,將平衡設計法分成3種類型[11]。張恒[12]將平衡設計法應用于廠拌熱再生瀝青混合料,并對設計出的平衡混合料進行了性能研究。黃玉穎[13]以北京市東三環(huán)大修工程為依據(jù),將道路需求權(quán)重系數(shù)應用于平衡設計法,并基于道路需求權(quán)重對上、中面層材料進行了評價比選,試驗表明平衡設計法可以達到延長路面使用年限和路用性能的目的,增添了平衡設計法的擴展應用成果。呂國棟[14]將平衡設計法應用于GAC-25再生瀝青混合料的設計,試驗表明50%為RAP試驗摻量范圍中的最佳RAP摻量。呂正龍等[15]對平衡設計法的基本設計流程與發(fā)展趨勢進行了綜述。

配合比設計法對比方面,紀偉等[16]對比了Superpave法和馬歇爾設計法,通過最佳油石比、毛體積密度等指標的不同,得出Superpave法設計出的混合料在高溫性能上優(yōu)于馬歇爾混合料,兩者的低溫性能較為相似。左鋒等[17]以馬歇爾設計法為基礎,探究了RAP摻量對再生瀝青混合料的性能影響,得出RAP在試驗摻量范圍內(nèi)能有效增加瀝青混合料的高溫、疲勞與水穩(wěn)定性能,但對抗開裂性能有不利影響。

馬歇爾設計法不能保證就地熱再生路面材料良好的抗開裂性能,導致耐久性較差;平衡設計法促進了混合料高低溫性能的平衡,顯著提升材料的抗開裂性能,理論上平衡設計法與就地熱再生工藝的適配性較高?，F(xiàn)有研究成果尚未涉及平衡設計法應用于就地熱再生瀝青混合料的配合比設計以及與馬歇爾設計法的性能對比。

基于此,現(xiàn)以AC-16C型熱再生瀝青混合料為研究對象,通過多項室內(nèi)試驗綜合研究平衡設計法和馬歇爾方法對3種RAP摻量的高RAP摻量熱再生瀝青混合料設計的影響。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 RAP料

RAP料來自天津某高速公路中面層服役5年以上的刨銑料,舊料級配如圖1所示,舊瀝青通過阿布森法收集,舊瀝青含量為3.02%,舊集料性能如表1所示。

表1 舊集料技術性能試驗結(jié)果Table 1 Technical performance test results of old aggregates

圖1 RAP料中集料級配Fig.1 Gradation of RAP

RAP集料級配較細且殘余瀝青含量低,集料老化嚴重,但粗集料性能滿足規(guī)范要求。

1.1.2 新集料與礦粉

采用石灰?guī)r新集料,各檔集料的篩分情況如表2所示,性能指標均滿足規(guī)范要求。

表2 各檔集料篩分情況Table 2 Screening results of aggregate in each stage

1.1.3 新舊瀝青與再生劑

采用70#A級瀝青與自制再生劑,新舊瀝青與再生劑的技術性能如表3、表4所示。可以看出,舊瀝青性能較差,再生劑性能指標滿足要求。

表3 新舊瀝青試驗結(jié)果與技術要求Table 3 New and old asphalt test results and technical requirements

表4 再生劑性能試驗結(jié)果Table 4 Performance test results of regenerant

1.2 試驗方案

以平衡設計法和馬歇爾設計法對RAP摻量為60%、70%、80%的就地熱再生瀝青混合料進行配合比設計,最佳再生劑摻量和設計級配相同,對兩種混合料進行性能試驗對比分析,研究不同最佳瀝青用量對各RAP摻量下熱再生材料性能產(chǎn)生的影響,分析兩種設計法在就地熱再生技術領域的適用性。

2 級配設計與最佳再生劑確定

馬歇爾設計法與平衡設計法的對比集中于最佳瀝青含量,因此對礦料級配設計、最佳再生劑摻量進行統(tǒng)一。

2.1 礦料級配設計

以AC-16C為級配類型進行設計,合成級配曲線如圖2所示?？梢钥闯?各RAP摻量下的混合料合成級配大體相同,接近級配中值曲線。

圖2 各RAP摻量下的AC-16C瀝青混合料級配圖Fig.2 AC-16C asphalt mixture gradation diagram under each RAP content

2.2 確定最佳再生劑摻量

以再生劑摻入比3%、5%、7%、9%、11%、13%對舊瀝青進行再生,測定DSR試驗的車轍因子(G*/sinδ) 以及BBR試驗的S值與m值,試驗確定短期老化后10%再生劑摻量的再生瀝青高溫性能與原舊瀝青接近,低溫性能與70#新瀝青的性能接近,因此選用10%作為最佳再生劑摻量。最佳再生瀝青的性能測試結(jié)果如表5所示。

表5 最佳再生瀝青性能檢測結(jié)果Table 5 Best recycled asphalt performance test results

通過瀝青性能指標得出,最佳再生瀝青常規(guī)指標能夠得到恢復;PG等級為76-16,PG高溫與PG中溫均優(yōu)于70#瀝青,PG低溫接近70#瀝青。綜上,10%再生劑摻量滿足再生瀝青性能與經(jīng)濟要求。

3 最佳瀝青含量確定

3.1 平衡設計法

AC-16C型普通熱拌瀝青混合料中面層瀝青含量經(jīng)驗值在4.2%左右。以4.2%作為初始瀝青含量值,設定3.2%、3.7%、4.2%、4.7%、5.2%共5種瀝青含量下成型平衡混合料試件與馬歇爾試件,確定最佳瀝青含量。

3.1.1 高溫性能試驗

平衡設計法通過漢堡車轍試驗(HWTT試驗)。參照張恒[12]對漢堡車轍試驗指標的研究成果,選擇高溫性能的標準為往返次數(shù)10 000次時車轍深度12.5 mm。

將3種RAP摻量、5種瀝青用量下制定的15組HWTT試件進行50℃浸水漢堡車轍試驗,記錄試驗終止時的試件車轍深度,以兩次重復試驗平均值作為最終結(jié)果。實際試驗過程中發(fā)現(xiàn),大部分試驗組中未出現(xiàn)剝落點,故判斷較高RAP摻量的再生瀝青混合料均有更好的水穩(wěn)定性,決定以再生混合料的高低溫性能確定最佳瀝青用量,以凍融劈裂試驗對最佳再生瀝青混合料進行水穩(wěn)定性試驗,HWTT試驗數(shù)據(jù)圖如圖3所示。

圖3 HWTT試驗數(shù)據(jù)圖Fig.3 HWTT test data graph

可以看出,隨著瀝青含量提高,車轍深度呈現(xiàn)先下降再上升的變化趨勢?？赡苁荝AP料占總集料的比例過大,當瀝青含量較低時,新加瀝青太少,RAP與新集料的界面黏結(jié)狀態(tài)較差,影響了抗車轍性能;當瀝青含量上升到一定程度,舊瀝青含量越來越少,加上瀝青總含量的提升,影響了瀝青混合料新舊混溶瀝青中瀝青質(zhì)的含量,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯下降,內(nèi)部集料成懸浮密實狀態(tài),抗壓能力越來越差,表現(xiàn)為抗車轍性能逐步降低。

在瀝青含量5.2%時,70%RAP摻量的再生混合料高溫性能弱于80%RAP摻量與60%RAP摻量的,可能是60%RAP摻量的再生瀝青混合料具備的新瀝青較多,能夠與舊瀝青進行更好的融合,故在高瀝青含量下也具備較好高溫性能。

3.1.2 低溫性能試驗

低溫性能試驗采用半圓彎拉試驗(SCB),試件為半圓柱切片(Φ150 mm×h50 mm),凹槽開口尺寸設為深度15 mm、寬度為1.5 mm,試件如圖4所示。

圖4 半圓彎拉試件Fig.4 Half-circle bending test piece

通過Origin軟件對SCB試驗中所得的作用力-裂縫拓展曲線圖進行線性擬合以及積分計算,獲取斷裂功,以此確定柔性指數(shù)(flexibility index,FI),計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 SCB試驗數(shù)據(jù)圖Fig.5 SCB test data chart

同RAP摻量下,試件的瀝青含量與柔性指數(shù)呈正比。說明瀝青含量越大,低溫狀態(tài)下混合料抵抗開裂的能力更強;同瀝青含量下,RAP摻量與FI成反比,說明RAP摻量的提升對材料的低溫性能不利。RAP摻量越高,新舊集料與新舊瀝青結(jié)合過程中的均勻性越差,內(nèi)部應力過高導致試件在外部作用下更容易發(fā)生瀝青融混界面的斷裂等,導致低溫性能變差。RAP摻量與再生料低溫性能成反比,說明即使最佳再生瀝青的低溫性能超過新瀝青,但混合料實際成型過程中,再生劑不能像室內(nèi)試驗那樣較為充分的與舊瀝青混合,導致再生劑對再生料低溫性能的提升力度低于瀝青含量改變對再生料低溫性能的影響。

Imad 等[18]發(fā)現(xiàn)材料FI>4時,混合料的開裂速率下降較為明顯。從SCB試驗數(shù)據(jù)中,FI<4只有一個,說明該限值對低溫性能的要求太低。為使平衡設計法對抗開裂性能的提升更明顯,將FI指標的最低要求限度提升至8,使平衡混合料具備更好的低溫性能。

3.1.3 確定最佳瀝青含量

根據(jù)漢堡車轍深度<12.5 mm(瀝青含量上限值)、FI>8(瀝青含量下限值)的指標要求,確定了各個RAP摻量的最佳瀝青含量數(shù)值范圍,試驗結(jié)果如表6所示。

表6 最佳瀝青含量匯總表Table 6 Optimum asphalt content summary table

從表6看出,RAP摻量與最佳瀝青含量呈正比,說明RAP摻量能夠較為明顯地影響到最佳瀝青含量的確定。平衡設計法為提升再生料的低溫性能,需要增加膠結(jié)料來平衡RAP中所包含的舊瀝青總量增多帶來的低溫性能下降的影響。以水穩(wěn)定性測試來檢測最佳平衡混合料的水穩(wěn)定性能。

3.1.4 水穩(wěn)定性檢測

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011),對最佳平衡混合料進行凍融劈裂試驗,測定凍融劈裂強度比。

由表7可知,各RAP摻量的平衡混合料均具備較高的TSR值,說明整體水穩(wěn)定性表現(xiàn)較好。80%RAP摻量的TSR最低,說明RAP摻量太高會對水穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

表7 凍融劈裂試驗結(jié)果Table 7 Freeze-thaw split test results

3.2 馬歇爾設計法

馬歇爾設計法的試驗數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 各RAP摻量下馬歇爾試驗結(jié)果Table 8 Marshall test results under various RAP content

可以看出,馬歇爾設計法下的最佳瀝青含量依舊與RAP摻量呈正相關。

4 平衡設計法與馬歇爾設計法對比

4.1 基本參數(shù)對比

兩種設計法基本參數(shù)的對比集中于最佳瀝青用量與空隙率,將各RAP摻量的平衡混合料與馬歇爾混合料成型馬歇爾試件測定空隙率。對比數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 最佳瀝青含量與空隙率數(shù)據(jù)對比圖Fig.6 Comparison chart of optimal asphalt content and porosity data

由圖6可得,平衡混合料均比馬歇爾混合料的最佳瀝青含量高,且RAP摻量越高,最佳瀝青含量差值越大。說明平衡設計法更能有效降低RAP摻量提升給再生料低溫性能帶來的不利影響。

平衡混合料空隙率高于馬歇爾混合料。馬歇爾設計法下各RAP摻量的空隙率均靠近4%,但平衡設計法在設計時完全基于材料高溫與低溫性能,空隙率并未靠近4%,僅有80%RAP摻量下空隙率接近4%,另外兩個RAP摻量下空隙率保持在3.5%左右,但各RAP摻量下空隙率都在3%～6%,也表明空隙率指標具備一定科學性。

4.2 路用性能對比

4.2.1 高溫性能對比

車轍試驗對比結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖7,各再生料的動穩(wěn)定度均滿足>1 000次/mm的要求,平衡混合料的車轍深度大于馬歇爾混合料,且車轍深度均與RAP摻量成正比,說明車轍深度大小與混合料的瀝青含量有直接關系。

從動穩(wěn)定度看,除了80%RAP摻量下的馬歇爾混合料比平衡混合料同比降低8.0%,其他兩個摻量均呈現(xiàn)相反的情況。可能是RAP摻量較低時,瀝青含量的降低會較大程度提升再生料的高溫性能。80%RAP摻量下,平衡混合料增多的瀝青含量使得混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更均勻,使集料具備更穩(wěn)定的空間架構(gòu),導致后期動穩(wěn)定度更高。70%RAP摻量的再生料在兩種設計法下表現(xiàn)的高溫性能均最差,說明該RAP摻量下瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為松散,混溶瀝青沒有很好地黏結(jié)舊集料顆粒與新集料,使結(jié)構(gòu)本身的承載力較小。

4.2.2 低溫抗裂性能對比

圖8 應力-應變曲線示意圖Fig.8 Schematic diagram of load-span deflection curve

圖9 低溫小梁彎曲試驗數(shù)據(jù)對比圖Fig.9 Comparison chart of low temperature trabecular bending test data

從圖9(a)看出,各個RAP摻量上平衡混合料均比馬歇爾混合料的最大彎拉應變要大,說明平衡混合料能夠承受更大的變形,塑性更好;且70%RAP摻量與80%RAP摻量下馬歇爾混合料不能夠滿足規(guī)范中最大彎拉應變>2 000 με的要求。

從圖9(b)看,兩種混合料并沒有太大的區(qū)別。平衡混合料在低RAP摻量下的抗彎拉強度較低。從圖9(c)看,平衡混合料的彎曲勁度模量均低于馬歇爾混合料,主要是馬歇爾混合料的最大彎拉應變的降幅過大,抗彎拉強度的變化幅度過小,導致彎曲勁度模量的提升。從圖9(d)看出,同RAP摻量下,平衡混合料比馬歇爾混合料彎曲應變能密度更高,說明平衡混合料吸收荷載做功的能力更強,低溫性能更好。上述指標均表明,平衡混合料的低溫性能在同RAP摻量下要優(yōu)于馬歇爾混合料,且RAP摻量越高,平衡設計法對再生瀝青混合料的低溫性能/優(yōu)化效果越明顯。

4.2.3 疲勞性能對比

RAP摻量、控制應變、試驗溫度等參數(shù)均會影響混合料疲勞性能[19]。疲勞試驗采用三點梁彎曲試驗,試驗溫度15℃,選用應力控制模式,荷載設置為0.2 kN,荷載頻率定為10 Hz的連續(xù)式正弦波荷載。試件尺寸為250 mm×65 mm×50 mm,圖10為某試件在循環(huán)荷載下跨中撓度隨時間的變化趨勢,蠕變斜率為試件在蠕變階段的跨中撓度隨時間的線性趨勢斜率,最大彎曲應變參照低溫小梁彎曲試驗中對最大彎曲應變的計算方式,如式(1)所示,計算試件從開始至斷裂后的彎曲應變,疲勞壽命次數(shù)通過計算試件從開始至斷裂階段的時間,參考試驗荷載頻率計算荷載加載循環(huán)次數(shù),作為疲勞壽命次數(shù),試驗結(jié)果如圖11所示。

圖10 蠕變斜率與最大彎曲應變示意圖Fig.10 Schematic diagram of creep slope and maximum bending strain

圖11 三點梁彎曲試驗數(shù)據(jù)對比圖Fig.11 Comparison chart of three-point beam bending test data

(1)

式(1)中:εM為最大彎曲應變;h為跨中斷面試件的高度,50 mm;L為試件的跨徑,200 mm;d為跨中撓度,mm。

從圖11(a)看出,平衡混合料比馬歇爾混合料的最大彎曲應變更大,說明平衡混合料韌性與抗疲勞性能更好。從圖11(b)看出,70%、80%RAP摻量下,平衡混合料的蠕變速率均比馬歇爾混合料要低,說明平衡混合料在塑性階段的抗變形能力更好,而60%RAP摻量下,平衡混合料的蠕變速率比馬歇爾混合料要低?？赡苁邱R歇爾設計法比平衡設計法所設計的瀝青含量較低,新瀝青的含量降低,使得瀝青混合料的抗變形能力增強,塑性變形階段的試件在收到同等荷載下試件的變形幅度更小,因而具備更低的蠕變速率;70%、80%RAP摻量下,RAP料變?yōu)闉r青混合料中的主導材料,平衡混合料含有更多瀝青用以重整和填充瀝青混合料骨架,因此蠕變速率更高。

疲勞壽命次數(shù)直觀反映瀝青混合料抗疲勞性能的好壞。從圖11(c)看出,平衡混合料的疲勞壽命次數(shù)更高,表明抗疲勞性能更好;60%RAP摻量下雖然馬歇爾混合料的蠕變斜率較小,但最大彎曲應變卻比平衡混合料小,導致最終得出的疲勞壽命次數(shù)比平衡混合料低。

4.2.4 水穩(wěn)定性能對比

水穩(wěn)定性能檢測采用凍融劈裂試驗,馬歇爾試驗數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)對比圖Fig.12 Comparison chart of freeze-thaw split test data

從TSR數(shù)值來看,兩種設計法下的混合料水穩(wěn)定性指標遠超出規(guī)范標準(>75%),新舊瀝青混合后的融混瀝青具備較強的化學穩(wěn)定性與防水性,RAP的摻入一定程度上提升了混合料的水穩(wěn)定性。相同RAP摻量下,馬歇爾混合料的TSR小于平衡混合料,且TSR差值隨RAP摻量提升而逐步減小,可能是平衡混合料內(nèi)部孔隙更小,使試件在凍融循環(huán)過程中減少了水分的侵入與結(jié)冰過程中內(nèi)部水分的膨脹,試件受到的內(nèi)部應力減小。相同RAP摻量下,馬歇爾混合料的劈裂強度要高于平衡混合料。

平衡設計法改變了融混瀝青的新舊瀝青比例,使舊瀝青比例有所下降,增強了融混瀝青對混合料骨架的黏結(jié)性,使平衡混合料比馬歇爾混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強。

5 結(jié)論

通過高RAP摻量下平衡混合料與馬歇爾混合料的性能比對試驗,得出以下結(jié)論。

(1)平衡設計法的新加瀝青用量要高,平衡混合料低于4%最佳空隙率,說明平衡設計法基于混合料性能對配合比進行設計的結(jié)果不同于傳統(tǒng)混合料經(jīng)驗性的認知。

(2)根據(jù)車轍試驗可知,兩種混合料均滿足動穩(wěn)定度均滿足>1 000次/mm的標準,平衡混合料的高溫性能整體上比馬歇爾混合料差;RAP摻量越高,平衡混合料的抗車轍性能越接近甚至超過馬歇爾混合料。

(3)根據(jù)低溫小梁彎曲試驗可知,平衡混合料均能滿足最大彎拉應變>2 000 με的要求,但馬歇爾設計法在70%與80%RAP摻量下不達標;平衡混合料的彎曲勁度模量更低,但彎曲應變能密度更高。

(4)根據(jù)三點梁彎曲試驗可知,平衡混合料的韌性高于馬歇爾設計法,在塑性階段的抗變形能力更好。疲勞壽命次數(shù)數(shù)據(jù)表明平衡混合料對周期性荷載的承載能力高于馬歇爾混合料,且RAP摻量越高,平衡設計法對比馬歇爾設計法的疲勞性能優(yōu)勢越明顯。

(5)根據(jù)凍融劈裂試驗可知,平衡混合料的水穩(wěn)性能強于馬歇爾混合料,但剛度與硬度弱。

(6)綜合各項性能試驗,可以看出平衡設計法在RAP摻量60%～80%范圍內(nèi),相對于馬歇爾設計法能夠提升瀝青混合料的低溫性能、疲勞性能與水穩(wěn)定性能,降低混合料的高溫性能。平衡設計法對高溫性能的不利影響會隨著RAP摻量的升高而不斷削弱,體現(xiàn)了平衡設計法對瀝青混合料各性能間的平衡。

就地熱再生瀝青混合料所用工程偏向于低交通量的路段,對道路材料極限承載力的要求會低于正常路段,若想提升就地熱再生路面的使用年限,道路材料的抗裂性能與疲勞性能重要性更高,因此平衡設計法比馬歇爾設計法更適用于高RAP摻量的就地熱再生技術。