不同RAP摻量熱再生瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

摘 要：文章通過動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)，綜合探討了不同RAP摻量的AC-20再生瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的力學(xué)性能和高溫性能均得到改善，低溫性能先增強(qiáng)后減弱，低溫性能在RAP摻量為20%時(shí)達(dá)到最佳；RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的性能影響較大，當(dāng)RAP摻量超過20%時(shí)主要對(duì)低溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響，對(duì)高溫性能和力學(xué)性能主要為正面影響。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；RAP；熱再生瀝青混合料；性能試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U414.1A311064

0"引言

我國(guó)大多數(shù)公路的路面形式為瀝青路面。隨著使用年限逐漸增長(zhǎng)，巨大存量的瀝青路面亟須養(yǎng)護(hù)和維修。其中，對(duì)瀝青路面再生是有效改善現(xiàn)有瀝青路面服役性能的技術(shù)措施之一。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)采用廠拌熱再生技術(shù)養(yǎng)護(hù)的瀝青路面相比其他養(yǎng)護(hù)方式具有更好的路用性能，滿足使用要求［1-2］。對(duì)再生瀝青混合料的性能研究受到了瀝青路面材料研究者的廣泛關(guān)注，并取得了一系列研究成果。Luis等［3］研究了RAP在冷再生和熱再生瀝青混合料中的應(yīng)用，并通過微觀手段分析了冷再生和熱再生瀝青混合物中的瀝青膠漿性質(zhì)，測(cè)試結(jié)果表明，冷再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度比熱再生更高，熱再生瀝青混合料中新舊瀝青的結(jié)合度僅為50%～70%，因此需要對(duì)新老瀝青在熱再生中的整合程度進(jìn)行更深入的研究。何兆益等［4］對(duì)AC-13型和AC-16型再生瀝青混合料的路用性能開展研究，認(rèn)為隨著RAP摻量增加，熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度上升，但低溫抗裂性下降。李達(dá)［5］采用凍融劈裂與水損壞敏感試驗(yàn)（MIST），研究舊料摻量對(duì)溫拌再生瀝青混合料耐久性的影響，認(rèn)為溫拌再生瀝青混合料中存在一個(gè)最佳的RAP含量，超過最佳RAP摻量后瀝青混合料的性能將會(huì)下降。因此，熱再生瀝青混合料因?yàn)樾屡f瀝青融合的問題，RAP摻量不宜過高。由于性能原因，我國(guó)熱再生瀝青混合料的RAP摻量多＜30%，這極大地制約了熱再生施工工藝對(duì)RAP的利用率［6］。基于此，本文研究RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的性能影響，并嘗試提高RAP摻量，分析高RAP摻量下瀝青混合料的性能水平，為工程實(shí)踐提升RAP摻量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1"原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1"RAP料

本研究采用的瀝青路面回收料（RAP）為AC-20普通瀝青混合料?？紤]到RAP料級(jí)配變化較大，無法保證配合比設(shè)計(jì)的均勻性，因此將RAP料進(jìn)行初步篩分，篩分為粗（粒徑＞4.75 mm）、細(xì)（粒徑＜4.75 mm）兩檔集料。對(duì)分檔前后的RAP料分別采用瀝青抽提儀抽提瀝青，計(jì)算油石比，并對(duì)抽提后的RAP集料開展篩分試驗(yàn)。RAP料的篩分結(jié)果以及油石比如表1所示。由表1可以看出，RAP料中的瀝青含量存在一定程度的下降（原路面的AC-20油石比為4.3%），表明油石比在老化過程中繼續(xù)下降，其原因主要是在長(zhǎng)期的服役過程中，瀝青在水分的影響下被沖刷掉。

1.2"舊瀝青

以RAP料中的70#瀝青（舊瀝青）作為研究對(duì)象，首先采用三氯乙烯溶液浸泡RAP料，然后過濾掉RAP料中的集料及粉塵，留下舊瀝青與三氯乙烯的混合溶液；其次采用“濟(jì)南禾普”EXRE-5003型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，蒸餾去除混合溶液中的三氯乙烯；最后對(duì)蒸餾后的舊瀝青進(jìn)行評(píng)估和分析，與該AC-20修建時(shí)70#瀝青（原瀝青）檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果列于表2。

從表2可以看出，相比于原瀝青，舊瀝青的針入度和延度顯著降低，不再滿足工程技術(shù)指標(biāo)的要求，而軟化點(diǎn)相比原始瀝青有所提升。這是由于瀝青在老化過程中組分之間的轉(zhuǎn)換，使瀝青中的輕質(zhì)成分含量降低，而膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量增加，導(dǎo)致瀝青分子量增加，使回收的舊瀝青黏度降低，變脆變硬。

1.3"集料、瀝青及再生劑

由于RAP料中的瀝青老化嚴(yán)重，采用100%RAP料所制備的熱再生瀝青混合料性能難以保障，因此在熱再生瀝青混合料中需要適當(dāng)添加新集料及新瀝青。新集料根據(jù)粒徑分為13.2～19.0 mm、4.75～13.2 mm、0～4.75 mm三檔集料，均為石灰?guī)r；新瀝青為70#瀝青。新集料及瀝青的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3～5。再生劑選用山東泛亞新材料有限公司所生產(chǎn)的FY-015型再生劑。

1.4"配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）（以下簡(jiǎn)稱技術(shù)規(guī)范）［7］開展熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。RAP摻量分別為0、20%、40%和60%，選用4.5%、5.0%、5.5%和6.0%的油石比（瀝青包含RAP料中的舊瀝青以及新瀝青），形成了高度為63.5±1.3 mm、直徑為101.6±0.2 mm的馬歇爾試樣?？筛鶕?jù)油石比與馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系確定最佳油石比，馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)包括毛體積密度、空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）、馬歇爾穩(wěn)定度和馬歇爾流值。最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。其中，0、20%、40%和60%RAP均摻加5%的FY-015型再生劑。

2"試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1"動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

對(duì)不同摻量（分別為0、20%、40%和60%）的AC-20熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為UTM-25多功能試驗(yàn)機(jī)。試樣直徑為150 mm，高度為150 mm，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件。在-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃和50 ℃的溫度條件下，分別使用0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz和25 Hz的加載頻率進(jìn)行重復(fù)加載試驗(yàn)，溫度從低到高依次進(jìn)行，頻率從高到低頻依次進(jìn)行；收集最后五個(gè)波形的載荷和變形曲線進(jìn)行測(cè)試，并取每個(gè)樣本類型的三個(gè)波形的平均值作為最終結(jié)果。熱再生瀝青混合料在不同溫度下的動(dòng)態(tài)模量可以向參考溫度平移形成動(dòng)態(tài)模量主曲線，不同溫度下的動(dòng)態(tài)模量向參考溫度平移的位移因子可采用Williams-Landel-Ferry方程（WLF方程）計(jì)算，具體如式（1）所示：

logαT=C1（T-TS）C2+T-TS（1）

式中：αT——溫度為T時(shí)所測(cè)試的動(dòng)態(tài)模量向參考溫度平移時(shí)的位移因子；

C1、C2——常數(shù)；

TS——參考溫度；

T——測(cè)試溫度。

一般可采用sigmoidal函數(shù)擬合動(dòng)態(tài)模量主曲線［8］，具體如式（2）所示：

log｜E*｜=δ+α1+eβ+γlgfr（2）

式中：E*——?jiǎng)討B(tài)模量；

δ——?jiǎng)討B(tài)模量最小值的對(duì)數(shù)；

α——?jiǎng)討B(tài)模量最大值的對(duì)數(shù)；

β和γ——擬合系數(shù)；

fr——縮減頻率。

fr可采用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

fr=f×aT（3）

式中：f——測(cè)試頻率；

aT——時(shí)間-溫度位移因子，表示每個(gè)溫度下的動(dòng)態(tài)模量曲線平移到參考溫度下的曲線的平移距離。

在本試驗(yàn)中，參考溫度為20 ℃，參考溫度的αT為0。首先對(duì)在20 ℃時(shí)不同加載頻率下獲得的動(dòng)態(tài)模量值進(jìn)行擬合，以獲得初始擬合方程。將20 ℃時(shí)得到的δ、α、β和γ作為初始值，用于確定其他測(cè)試溫度對(duì)應(yīng)的αT值，然后對(duì)不同溫度條件下的動(dòng)態(tài)模量向參考溫度平移，最終得到參考溫度為20 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)模量主曲線擬合方程。擬合參數(shù)如下頁表7所示；動(dòng)態(tài)模量主曲線如下頁圖1所示。

從圖1可知，不同RAP摻量熱再生混合料的動(dòng)態(tài)模量值均隨頻率的增加而增加，但不同RAP摻量熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量有顯著差異，表明熱再生瀝青混合料對(duì)溫度/頻率變化敏感。瀝青混合料具有時(shí)溫等效特性，即加載頻率與溫度作用具有同等性。因此，動(dòng)態(tài)模量主曲線越平穩(wěn)，表明瀝青混合料的溫度敏感性越低。從圖1可以看出，不同RAP摻量的熱再生混合料的溫度敏感性（主曲線平穩(wěn)程度）從大到小排序?yàn)椋?RAP＞20%RAP＞60%RAP＞40%RAP，這表明與0RAP瀝青混合料相比，添加RAP料后，熱再生瀝青混合料具有更低的溫度敏感性，但隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的溫度敏感性呈先減小再增大的趨勢(shì)。熱再生瀝青混合料在高頻（對(duì)應(yīng)低溫）下的動(dòng)態(tài)模量大小對(duì)比結(jié)果排序?yàn)椋?RAPlt;20%RAPlt;40%RAP lt;60%RAP。這表明，在高頻（低溫）條件下，添加RAP料在一定程度上提高了熱再生瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度，RAP摻量越高，強(qiáng)度越高。但考慮到熱再生瀝青混合料在低溫下受荷載影響更容易脆斷，其在低溫下的動(dòng)態(tài)模量越高，低溫抗裂性能越低，因此RAP摻量的提升將會(huì)降低熱再生瀝青混合料的低溫性能。此外，RAP在低頻（高溫）條件下的添加對(duì)熱再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有顯著影響。綜合而言，RAP對(duì)熱再生瀝青混合料高溫性能的影響程度高于低溫性能，適當(dāng)摻量（≤40%）的RAP料對(duì)熱再生瀝青混合料的溫度敏感性有益，但摻量進(jìn)一步提升會(huì)降低熱再生瀝青混合料的溫度敏感性。

2.2"高溫車轍試驗(yàn)

采用車轍試驗(yàn)來評(píng)估不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料的高溫性能。車轍試樣密度參考馬歇爾試樣的密度。高溫車轍試驗(yàn)通過動(dòng)穩(wěn)定度來表征瀝青混合料的高溫性能，重復(fù)三次，并以平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，不同RAP含量的熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足技術(shù)規(guī)范對(duì)普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的技術(shù)要求（gt;1 000次/mm）。隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸提高，當(dāng)RAP摻量從40%增加到60%時(shí)，其增長(zhǎng)率顯著增大，表明其抗車轍性能顯著提高。RAP摻量的增加能提升熱再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的主要原因?yàn)镽AP料中的老化瀝青具有較高的黏度，由此提升了熱再生瀝青混合料的高溫性能。

2.3"動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)采用直徑為150 mm、高度為150 mm的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試樣（成型條件、試樣類型以及試驗(yàn)機(jī)器與動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)相同）；試驗(yàn)溫度為60 ℃，軸向壓力設(shè)定為700 "kPa，圍壓為0，加載周期為1 s，直到試樣損壞或試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到3 h；每種試樣類型試驗(yàn)三次，取平均值作為最終結(jié)果。

不同RAP摻量的熱再生混合料動(dòng)態(tài)蠕變累積應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可知，0RAP瀝青混合料損傷最早，破壞階段斜率最大，破壞時(shí)的加載次數(shù)最小，僅為1 000次左右。此外，還可以看出，具有60%RAP摻量的熱再生瀝青混合料在應(yīng)變變化平穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變斜率及應(yīng)變略大于40%RAP摻量熱再生瀝青混合料，而且兩者的性能相似，在次數(shù)＞10 000次加載時(shí)仍然未有明顯的破壞特征。此外，高溫車轍試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)蠕變結(jié)果不同，表明對(duì)于高RAP摻量的熱再生瀝青混合料，不宜采用單一的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來評(píng)價(jià)其高溫性能，應(yīng)與動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合。

2.4"低溫抗裂試驗(yàn)

在-10 ℃的試驗(yàn)溫度下，使用直徑150 mm、厚度為50 mm的半圓形試樣進(jìn)行了-10 ℃半圓彎曲試驗(yàn)（Semi-circle Bending Test，SCB）。對(duì)于SCB試驗(yàn)，加載點(diǎn)的距離為12 cm，加載速率為50 mm/min。SCB試驗(yàn)的試件制備及試驗(yàn)過程如圖4所示。半圓形試樣在試驗(yàn)中被連續(xù)加載直到其破壞，并記錄載荷和位移。該試驗(yàn)由UTM-25多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，每個(gè)試樣類型取三個(gè)試樣的平均值作為最終結(jié)果。半圓形試樣的應(yīng)力和模量方程如式（4）和式（5）所示［9］。

σt=4.8FBD（4）

Mr=1.84FBV（5）

式中：σt——底部拉應(yīng)力（MPa）;

F——垂直方向載荷（N）；

D——試樣的直徑（mm）；

B——試樣的厚度（mm）；

V——試樣底部的垂直位移（mm）；

Mr——模量（MPa）。

彎曲應(yīng)變能密度的臨界值［11］被用于表征瀝青混合料低溫性能，該值越大表明瀝青混合料柔韌性越好，從而低溫性能越好。由SCB試驗(yàn)獲得的不同RAP摻量熱再生瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度如圖5所示。

從圖5可知，隨著RAP摻量增加，熱再生瀝青混合料的低溫性能先增大后減小，在20%RAP摻量時(shí)熱再生瀝青混合料的低溫性能達(dá)到最高。試驗(yàn)結(jié)果表明：適當(dāng)摻量（＜20%）的RAP料能夠提升熱再生瀝青混合料的低溫性能，但過高摻量（＞20%）的RAP將會(huì)損害熱再生瀝青混合料的低溫性能。

3"結(jié)語

本文研究了不同RAP摻量（分別為0、20%、40%和60%）對(duì)AC-20熱再生瀝青混合料路用性能的影響，得出結(jié)論如下：

（1）RAP的加入提高了熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，RAP摻量越高，動(dòng)態(tài)模量越高。在低頻（高溫）條件下，RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量影響較大。

（2）與0RAP瀝青混合料相比，摻RAP的熱再生混合料的高溫車轍性能有顯著提高，熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性隨著RAP摻量的增加先增加后減弱，當(dāng)RAP摻量為20%時(shí)，其低溫性能最佳。

值得注意的是，RAP的摻量影響再生瀝青混合料的性能，主要是由于新瀝青和老化瀝青之間的相互作用。因此，對(duì)于未來的研究，需要分析新瀝青和老化瀝青之間的融合程度，以進(jìn)一步闡明不同RAP摻量對(duì)熱再生瀝青混合料性能影響的原因。

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