不同废旧材料热再生沥青混合料的疲劳性能

2014-07-02董玲云黄刚何兆益

大连交通大学学报 2014年2期

董玲云，黄刚，何兆益

(1.淮安市政设计研究院有限公司，江苏淮安 223001;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)*

0 引言

沥青路面材料再生利用能够节约大量筑路材料，节省工程投资，且有利于废料处理，节约能源，保护环境.回收的沥青路面材料处于不同的交通荷载和气候下，不同路段及不同使用情况下的沥青路面材料的老化程度和疲劳特性衰减不同，在回收利用时，不同废旧沥青路面材料再生后的混合料疲劳特性会有很大差别［1］.笔者针对两种老化程度不同的废旧路面材料，分别进行沥青混合料再生和间接拉伸疲劳试验，寻找不同废旧沥青混合料的再生沥青混合料的疲劳变化规律，为今后沥青再生路面的研究提供参考.

1 材料

1.1 原材料

本文采用了A、B两种废旧沥青混合料RAP(recycle asphalt pavement)，其中，A种废旧沥青混合料(RAP－A)取自重庆渝长高速公路;B种废旧沥青混合料(RAP－B)为重庆市江北区某市政道路废旧沥青混合料.两种废旧沥青混合料均是经铣刨机铣刨后运至料场，按相同或类似特征的段落进行堆放.并按照随机取样法进行取样后进行相关性能测试.

根据厂拌热再生的要求，对废旧沥青混合料RAP进行全面调查，主要包括取样方法和性能测试.本文研究所用的RAP材料是采用随机取样法取样.取样后进行了RAP材料的沥青回收试验，RAP沥青含量试验、废旧沥青的针入度、软化点、延度及粘度试验，以及废旧集料的筛分，密度及压碎值等性能试验，试验结果如下表1.

表1 回收废旧沥青各指标试验结果

以废旧沥青混合料中废旧沥青的针入度来评价废旧沥青混合料的老化程度，废旧沥青的针入度愈小，则废旧沥青混合料老化程度愈深.由表1可以得到，RAP-B中废旧沥青的针入度明显小于RAP-A中废旧沥青的针入度，也就是RAP-B中的沥青老化程度要比旧料A中的沥青老化程度严重.

表2 旧料级配和目标级配

RAP材料中回收废旧集料经试验得粗集料表观密度为 2.543 g/cm3，压碎值为 21.6%，经筛分后级配结果见表2.再生沥青混合料级配采用AC-16C型，级配新沥青各指标试验结果如下:指标为70#基质沥青;针入度(25℃，0.1 mm)为 70;软化点为50℃;延度(15℃，cm)＞100;135℃粘度为 0.3 Pa·s.

选用的新沥青还要考虑新沥青与老化旧沥青的混溶性能，本文研究采用的废旧沥青混合料的老化程度不同，在研究中首先考虑采用与原旧混合料设计文件中相同的70#沥青.其技术指标如上所述，且满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 －2O04)要求［2］.

确定旧料掺量后，根据其沥青含量、针入度、集料性能和级配等各项质量指标的影响程度，在满足规范要求的前提下，选择适当新集料.而新集料则遵循“就地取材”的原则，采用重庆本地所产的石灰岩.

根据两种不同的旧料集料级配筛分结果及《公路沥青路面施工技术规范》的矿料级配要求，本文研究中的目标级配见附图.

附图旧料和AC-16目标级配图

1.2 再生沥青混合料配合比设计

厂拌热再生是将回收的旧沥青混合料运至沥青拌合厂(场、站)，经破碎、筛分后，根据旧沥青混合料中的沥青含量、集料级配和沥青老化程度等情况，添加一定比例的新沥青、新集料、再生剂(必要时)等拌制成符合规定要求的沥青混合料，按热拌沥青混合料施工工艺重新铺筑沥青路面的技术.本文中若无特殊说明，再生沥青混合料均为厂拌热再生沥青混合料.

厂拌热再生沥青混合料因掺加了相当数量的旧沥青路面材料，而使得在混合料的组成设计方法上，比普通沥青混合料复杂得多.厂拌热再生沥青混合料通常有四个组成部分，分别为回收的废旧沥青混合料，新集料、新沥青胶结料，有时候还包括再生剂等外加剂.在进行配合比设计时，需要对旧沥青路面材料进行分析，需要确定RAP的掺量，再生剂的用量，新沥青的用量，级配设计还受限于废旧沥青混合料的级配［3］.

根据以上材料的选择，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40－2004)附B中的热拌沥青混合料配合比设计方法进行设计，但由于再生沥青混合料的复杂性，其设计也不完全按照规范方法进行.

本文研究主要对两种废旧沥青混合料进行了如下配合比设计:

(1)料A再生沥青混合料的配合比设计

针对不同RAP质量分数的再生混合料，依据《公路沥青路面施工技术规范》附录B热拌沥青混合料配合比设计方法，采用马歇尔方法进行配合比设计，控制空隙率为4% ～5%，得出旧料A再生混合料的最佳沥青用量，新鲜沥青混合料AC-16(RAP质量分数为0%)和RAP质量分数分别10%、30%、50%的再生AC-16最佳沥青用量分别为 4.37%、4.38%、4.67%、4.94%，其沥青用量包括RAP中的旧沥青.

(2)旧料B再生沥青混合料的配合比设计

按照上述旧料A再生沥青混合料的配合比设计方法进行配合比设计，得出旧料B再生沥青混合料的最佳沥青用量，新鲜沥青混合料AC-16(RAP质量分数为0%)和RAP质量分数分别10%、30%、50%的再生AC-16最佳沥青用量分别为 4.37%、4.56%、4.88%、5.11%，其中沥青包括RAP中的旧沥青.

以上设计的配合比在确定的最佳沥青含量下均进行高温稳定性，低温抗裂性和水稳定性检验，各指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40－2004)中AC-16混合料的技术要求.

2 试验方法

2.1 劈裂强度试验方法

首先通过沥青混合料劈裂强度试验，确定进行疲劳试验时设计应力比的强度值，劈裂强度试验采用马歇尔试验方法成型试件，成型后试件两端进行切割处理，确保试件直径101.6 mm，高度控制在(50±1)mm，加载速率为50 mm/min，试验温度 15℃［4］.

按照《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》(JTG E20 －2011 T0734 －2000［5］)热拌沥青混合料加速老化方法对沥青混合料进行老化处理，即先将沥青混合料放入(135±3)℃的烘箱中，在强制通风条件下加热4h±5 min，模拟短期老化条件.然后按上述要求的试件尺寸和成型方法制作试件，将试件放入(85±3)℃的烘箱中，强制通风条件下连续加热(120±0.5)h，模拟长期老化条件.笔者后面所述的老化均为采用本方法的加速长期老化.

2.2 间接拉伸疲劳试验方法

本文参照欧洲标准EN 12697－24:2003采用UTM-100伺服液压多功能材料试验机.对再生沥青混合料进行间接拉伸疲劳特性研究.试验采用应力控制，加载波形为半正矢波(Haversine)，加载频率为10Hz，试验荷载通过一个宽12.7 mm的加载压条作用在试件上，试件预压荷载为20 kPa，预压时间30 s.试验温度15℃，采用0.3、0.4 、0.5、0.6、0.7等5个应力比，试验中以试件完全断裂破坏为疲劳破坏标准.间接拉伸疲劳试验试件和劈裂强度试验试件尺寸和加速老化方法完全相同［6］.

3 试验结果分析

3.1 劈裂强度试验结果分析

由表3可知，AC-16(RAP-A)的劈裂强度小于AC-16(RAP-B)的劈裂强度，这是因为RAP-B要比RAP-A老化的严重的多.旧料中的沥青在老化的过程中，沥青组分会发生移行转化，沥青组分移行转化越明显，沥青老化程度后，沥青的针入度就会减小，软化点升高，延度降低.通常将废旧沥青混合料中废旧沥青的针入度大小来表征混合料的老化程度，若废旧沥青针入度越小，则老化程度越严重，反之，老化程度较轻.RAP-A的针入度为40(25℃，0.1 mm)，而 RAP-B 的针入度仅为 21(25℃，0.1 mm)，RAP-B 要比 RAP-A 老化的严重，废旧沥青更硬更脆，故劈裂强度会更高.

表3 再生AC-16劈裂强度

3.2 疲劳试验结果分析

旧料中沥青的老化程度对再生沥青混合料的疲劳寿命有所影响.旧料中，RAP-A回收废旧沥青的针入度为40(25℃，0.1 mm)，RAP-B 回收废旧沥青的针入度为21(25℃，0.1 mm)，以回收废旧沥青的针入度来评价废旧沥青混合料的老化程度，则RAP-A的老化程度要小于RAP-B的老化程度.15℃相同应力比下，AC-16(RAP-A)的疲劳寿命次数要大于AC-16(RAP-B)，有此简单对比可知，旧料中沥青的老化程度越严重，其再生后再生沥青混合料的疲劳寿命次数就越小.

对AC-16(RAP-B)疲劳试验结果采用以下方法进行单对数方程回归:

式中，(σ/s)为应力水平;系数n值反映了再生混合料疲劳寿命对所施加应力的敏感程度，n值越大表明疲劳寿命对应力水平的敏感程度越大;系数k值代表了疲劳曲线的位置，k值越大曲线越靠向上方，表明材料的抗疲劳性能越好.疲劳试验结果见表4.

表4 老化前再生AC－16(RAP－B)15℃ 疲劳方程

由上表可知，相同RAP质量分数时，再生沥青混合料AC－16(RAP－B)的疲劳方程系数k值和n值要小于AC－16(RAP－A)，且中RAPB废旧沥青针入度大于RAP－A，说明RAP材料老化越严重，其再生沥青混合料的疲劳寿命越短，对应力的敏感性也就越低.

表5数据为掺加不同RAP质量分数的再生沥青混合料的疲劳方程系数(k/n)和新鲜沥青混合料疲劳方程系数(k/n)的比值的百分比，以表征RAP质量分数对再生沥青混合料疲劳寿命的影响.

表5 老化前再生AC－16疲劳寿命比Nf

由表5可知，老化程度不同的废旧沥青混合料再生后，其再生沥青混合料的疲劳寿命比也不相同.RAP质量分数相同的情况下，老化较严重的RAP-B再生AC-16(RAP-B)的疲劳寿命比要比老化程度较轻的RAP-A再生AC-16(RAP-A)疲劳寿命比大，如RAP质量分数同为50%时，AC-16(RAP-A)的 Nf(k)为 87.61%，而 AC-16(RAP-B)的 Nf(k)为83.88%;而 Nf(n)则相差更大，AC-16(RAP-A)为77.06%，AC-16(RAP-B)则为65.30%，可见关于RAP质量分数对再生沥青混合料的影响，老化程度严重的RAP材料的影响要大于老化程度较轻的RAP材料.

对再生沥青混合料AC-16(RAP-B)按照第二章所述加速老化方法进行老化，再次进行间接拉伸疲劳试验，试验结果见表6.

表6 老化后再生AC-16(RAP-B)疲劳方程

表7数据为老化前后疲劳方程系数的差值和老化前疲劳方程系数的比值的百分比，以表征老化前后再生沥青混合料疲劳寿命的损失程度.

表7 再生AC-16老化前后疲劳寿命损失率对比

由表5～7可知:

(1)不论哪一种废旧沥青混合料，其再生沥青混合料老化后的疲劳寿命都比老化前降低;

(2)对比表6和表7可知，再生AC-16(RAPB)老化后的疲劳方程系数要小于再生AC-16(RAP-A)，说明旧料老化程度严重的再生沥青混合料老化后的疲劳寿命和应力敏感性低于旧料老化程度较轻的再生沥青混合料;

(3)对比老化前后两种不同旧料的再生沥青混合料的疲劳寿命损失率可知，再生沥青混合料老化后疲劳寿命损失率F(k)要大于新鲜沥青混合料(RAP质量分数为0%).对于F(k)，相同RAP质量分数时(除30%)，再生AC-16(RAP-A)的F(k)要小于再生AC-16(RAP-A)的F(k)，说明旧料老化程度越严重，其再生混合料疲劳寿命随老化而降低的幅度越大.再生AC-16(RAP-A)的F(k)随再生沥青混合料RAP质量分数的增加而增加;而再生AC-16(RAP-A)的F(k)随RAP质量分数的增加先增加后减少再增加，在RAP质量分数为30%时到达最小值，RAP质量分数30%再生AC-16(RAP-A)的F(k)和新鲜沥青混合料相差不大.再生沥青混合料老化前后疲劳特性的变化由于RAP材料的不同而不同;

(4)对于F(n)，相同RAP质量分数时，再生AC-16(RAP-A)的F(n)要小于再生AC-16(RAPA)的F(n)，说明旧料老化程度越严重，其再生混合料疲劳寿命对应力的敏感性随老化而降低的幅度越大.两种不同旧料的再生沥青混合料的F(n)随RAP质量分数的增加先增加后减少再增加，同样在RAP质量分数30%处最小.

结合两种不同旧料试验结果分析可知，要保证再生沥青混合料老化后的疲劳寿命，再生沥青混合料RAP最佳质量分数不宜大于30%.