RAP摻量對(duì)廠拌熱再生瀝青混合料性能的影響研究

摘要：文章研究RAP（瀝青路面回收料）摻量對(duì)廠拌熱再生瀝青混合料性能的影響，通過(guò)在室內(nèi)制備不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料，研究其高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性以及疲勞性能。試驗(yàn)將RAP摻量分別設(shè)置為礦料質(zhì)量的0%、15%、30%、45%，再生劑摻量為4%。試驗(yàn)結(jié)果表明：RAP摻量的提升改善了熱再生瀝青混合料的高溫性能，但削弱了其低溫性能和水穩(wěn)定性能；在低應(yīng)變水平下，含RAP的混合料展現(xiàn)出較好的疲勞壽命，但隨著應(yīng)變水平的提高，疲勞壽命衰減較快，從總體上看，RAP摻量的提升不利于熱再生瀝青混合料的疲勞性能。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，RAP摻量的變化對(duì)混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性能有顯著影響，因此在低溫和降雨量較大的地區(qū)應(yīng)用時(shí)，需針對(duì)性地提升這兩種性能。

關(guān)鍵詞：廠拌熱再生；RAP；路用性能；主成分分析

中圖分類號(hào)：U41" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）08-0090-04

0 引言

瀝青路面回收料（RAP）是一種含有大量舊瀝青和優(yōu)質(zhì)集料的寶貴資源，自20世紀(jì)30年代以來(lái)，便成為再生瀝青混合料［1］。近年來(lái)，廠拌熱再生技術(shù)的研究主要聚焦于瀝青混合料路用性能的提升和RAP摻量的影響，以及實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的手段。孟建瑋等［2］以菜籽油作為基礎(chǔ)油分制備的植物油再生劑有效改善了熱再生瀝青混合料的路用性能，并確定了適宜的植物油摻量。胡文娟［3］采用天然瀝青和聚酯纖維對(duì)熱再生瀝青混合料進(jìn)行復(fù)合改性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得了天然瀝青與聚酯纖維的最優(yōu)配比。SABER等［4］使用納米材料對(duì)再生瀝青混合料進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)添加納米二氧化硅可以顯著改善熱再生瀝青混合料的疲勞性能。肖滿哲［5］通過(guò)試驗(yàn)證明了高RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的疲勞性能有不利影響，并提出了疲勞壽命預(yù)估方程。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者［6-7］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)證明了高RAP摻量的可行性。上述研究表明，通過(guò)技術(shù)手段可以有效提升熱再生瀝青混合料的路用性能和RAP摻量。然而，實(shí)際工程中大多將RAP摻量保守地控制在30%左右，并且研究多關(guān)注于摻量變化對(duì)混合料性能的影響，較少探討路用性能對(duì)RAP摻量的敏感性?；诖耍疚脑诂F(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，將RAP摻量的上限提升至45%，并對(duì)不同RAP摻量下的熱再生瀝青混合料展開(kāi)路用性能研究，通過(guò)主成分分析獲得熱再生瀝青混合料路用性能對(duì)RAP摻量變化的敏感程度。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)使用的再生劑選用江蘇某公司生產(chǎn)的HLJ再生劑，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。檢測(cè)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）對(duì)RA-1型再生劑的要求。

瀝青路面回收料采自某地已使用5年的SBS改性瀝青混合料高速公路路面的銑刨材料。采用抽提篩分法檢測(cè)，測(cè)得RAP中老化瀝青的含量為4.6%。新加入的粗細(xì)集料及礦粉均為石灰?guī)r，并且其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求。新采用的瀝青為SBS改性瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)亦滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

采用馬歇爾配合比方法設(shè)計(jì)不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料的室內(nèi)目標(biāo)配合比。本文選擇AC-13C作為級(jí)配類型，RAP的摻量分別為礦料質(zhì)量的0%、15%、30%和45%，不同RAP摻量熱再生瀝青混合料礦料級(jí)配比見(jiàn)圖1。

1.2.2 最佳油石比

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中規(guī)定的最佳油石比確定方法，對(duì)于不含RAP（0%）的熱再生瀝青混合料，其最佳油石比為4.8%；當(dāng)RAP摻量分別為15%、30%、45%時(shí)，最佳油石比依次為5.0% 、5.1% 、5.2%。RAP中舊瀝青的含量為4.6%，熱再生瀝青混合料中的油石比包括這部分老化瀝青，再生劑摻量為瀝青質(zhì)量的4%。在各種摻量的最佳油石比條件下，熱再生瀝青混合料的馬歇爾體積指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.3 試驗(yàn)方法

路用性能試驗(yàn)包括車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及疲勞性能試驗(yàn)。其中，車轍試驗(yàn)在60 ℃的條件下進(jìn)行，采用的是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法；低溫小梁彎曲試則在-10 ℃的環(huán)境下通過(guò)三點(diǎn)加載方式，以50 mm/min的加載速率進(jìn)行，上述試驗(yàn)過(guò)程均需遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的要求。根據(jù)該規(guī)程中的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法（T0739）對(duì)熱再生瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行研究，疲勞性能試樣采用切割車轍試件。試驗(yàn)溫度分別設(shè)定為15℃、20℃和25℃，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)采用恒定應(yīng)變控制下的連續(xù)正弦加載模式。為了獲得不同溫度條件下熱再生瀝青混合料的疲勞壽命變化規(guī)律，試驗(yàn)采用600、700和800 με 3種不同的應(yīng)變水平。疲勞破壞的判定依據(jù)為試件模量降低至其初始模量的50%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 車轍試驗(yàn)

熱再生瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，摻入RAP的熱再生瀝青混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度均大于未摻RAP的瀝青混合料，車轍深度變化則呈相反趨勢(shì)。此外，熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中針對(duì)“1-3氣候分區(qū)”設(shè)定的2 800次/mm的標(biāo)準(zhǔn)。隨著RAP摻量由15%提升至45%，熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了3.9%～33.0%，同時(shí)車轍變形降低了7.1%～25.0%。以上結(jié)果表明增加RAP摻量能顯著提高熱再生瀝青混合料的高溫性能。

2.2 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

熱再生瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出，隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的彎曲破壞強(qiáng)度及最大破壞應(yīng)變均逐漸降低。當(dāng)RAP摻量為45%時(shí)，熱再生瀝青混合料的強(qiáng)度僅為9.5 MPa，最大破壞應(yīng)變值為2 914 με，表明RAP的摻入使熱再生瀝青混合料的彎曲破壞強(qiáng)度和最大破壞應(yīng)變下降。盡管如此，該最大破壞應(yīng)變值（2 914 με）仍滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對(duì)冬寒區(qū)材料的最低要求。上述研究結(jié)果表明，RAP的摻入對(duì)熱再生瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生了不利影響，但在適當(dāng)條件下，在實(shí)際工程中將RAP摻量至45%是可行的。

2.3 凍融劈裂試驗(yàn)

熱再生瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出，熱再生瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）隨著RAP摻量的遞增而降低，表明RAP摻量對(duì)混合料的水穩(wěn)定性能有負(fù)面影響。雖然最小TSR仍保持在82%，滿足了《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）對(duì)潮濕區(qū)的要求（≥80%），但是與未摻RAP的瀝青混合料相比，RAP摻量從15%增加至45%時(shí)，劈裂強(qiáng)度下降了2.8%～12.0%，TSR也下降了3.4%～7.9%。性能下降的原因可歸結(jié)為RAP含量的提高加劇了新舊瀝青混合的不均勻性，進(jìn)而削弱了熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。因此，從確保水穩(wěn)定性的角度出發(fā)，RAP的摻量應(yīng)受到合理限制；然而，考慮到水穩(wěn)定測(cè)試結(jié)果，最大RAP摻量（45%）在實(shí)際應(yīng)用中仍被視為可行。

2.4 疲勞性能試驗(yàn)

2.4.1 疲勞方程的建立

本文采用四點(diǎn)彎曲法對(duì)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究熱再生瀝青混合料的疲勞性能，通過(guò)分析不同因素的影響，揭示熱再生瀝青混合料疲勞性能的變化規(guī)律。構(gòu)建不同RAP摻量熱再生瀝青混合料應(yīng)變水平與疲勞壽命之間的關(guān)系模型，采用的疲勞壽命方程如下：

[Nf=aε-n]，" " " " " " " " " " " " " （1）

其中：Nf為疲勞壽命，ε為加載應(yīng)變；a和n為擬合系數(shù)。

對(duì)疲勞方程的兩邊取對(duì)數(shù)，可得以下公式：

[lgNf=lga-nlgε]。" " " " " " " " " " "（2）

2.4.2 疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果分析

不同RAP摻量熱的再生瀝青混合料的疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，溫度對(duì)熱再生瀝青混合料的疲勞性能影響顯著，隨著溫度的上升，熱再生瀝青混合料的疲勞壽命提高。熱再生瀝青混合料的疲勞壽命擬合方程結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，雙對(duì)數(shù)模型具有較好的擬合效果，各方程的決定系數(shù)R2均在0.9以上。因此，本文采用雙對(duì)數(shù)模型對(duì)瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行研究，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)回歸分析方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明，熱再生瀝青混合料在不同溫度條件下的疲勞回歸平方是合理的。

在混合料的性能評(píng)估中，疲勞曲線的截距（ lgε）是衡量材料在低應(yīng)變條件下抗疲勞能力的重要指標(biāo)，截距值越大，表明材料在較低應(yīng)變水平下的抗疲勞性能越好。n值作為疲勞方程的斜率，反映了疲勞性能隨應(yīng)變水平增長(zhǎng)而衰減的速率，n值越大，則疲勞壽命隨應(yīng)變?cè)黾拥乃p趨勢(shì)越顯著。分析表3中的數(shù)據(jù)可知，在相同應(yīng)變水平下，其lgε值大于未摻入RAP的瀝青混合料，表明RAP的摻入增強(qiáng)了混合料在低應(yīng)力水平下的疲勞性能。同時(shí)，熱再生瀝青混合料的n值也較大，并且隨著RAP摻量的增加，lgε與n值之間的差距有擴(kuò)大的趨勢(shì)。這一結(jié)果說(shuō)明，雖然RAP摻量的增加可以提升熱再生瀝青混合料在低應(yīng)力水平下的疲勞能力，但是隨著應(yīng)變水平增高，疲勞壽命的衰減速度加快。

3 主成分分析

在疲勞壽命分析中，以動(dòng)穩(wěn)定度（x1）、彎曲破壞強(qiáng)度（x2）、最大破壞應(yīng)變（x3）、劈裂強(qiáng)度（x4）、TSR（凍融劈裂強(qiáng)度比，x5）以及25℃和700 με下的疲勞壽命（x6）作為主成分，通過(guò)SPSS軟件計(jì)算這些指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣和特征根，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定主因子和主成分的數(shù)量。主成分特征根和主成分貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看到，第一主成分的特征根為5.601，貢獻(xiàn)率為93.6%。因此，選擇第一主成分對(duì)總變量進(jìn)行分析，并假設(shè)它包含其他指標(biāo)的所有信息。通過(guò)SPSS軟件計(jì)算初始因子荷載矩陣（結(jié)果見(jiàn)表5），每個(gè)荷載表示主成分和相應(yīng)變量之間的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可以得到相應(yīng)的主成分綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，其表達(dá)式如下：

F = F1 = -0.171x1 + 0.176x2 + 0.178x3 + 0.176x4 + 0.178x5 + 0.154x6。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

從主成分綜合評(píng)價(jià)函數(shù)可以看出，最大破壞應(yīng)變、TSR與第一主成分密切相關(guān)。這一結(jié)果表明熱再生瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性對(duì)RAP摻量的敏感程度較高。因此，在規(guī)劃低溫和多雨地區(qū)的道路建設(shè)時(shí)，應(yīng)考慮RAP摻量的增加對(duì)熱再生瀝青混合料低溫性能和水穩(wěn)定性能的降低作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)未摻RAP瀝青混合料及RAP摻量分別為15%、30%、45%的熱再生瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及疲勞性能試驗(yàn)后，得出以下結(jié)論。

（1）隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的高溫性能有所改善，但其低溫性能和水穩(wěn)定性能有所下降。盡管如此，從路用性能分析結(jié)果來(lái)看，45%RAP摻量的熱再生瀝青混合料仍能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求，因此在實(shí)際施工中，可考慮采用高摻量RAP的熱再生瀝青混合料，以充分利用RAP資源。

（2）不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料在較低應(yīng)變水平下的抗疲勞性能較好，但其疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平的變化較為敏感?？傮w而言，其疲勞壽命低于未摻RAP的瀝青混合料。

（3）主成分分析結(jié)果表明，RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性影響較大，在低溫和多雨地區(qū)的道路建設(shè)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮高RAP摻量熱再生瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性能。

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