回收沥青混合料用于路面中面层的研究

张 宁，李 志，胡 淼

(1.德州公路管理局 济聊高速公路齐河管理处，山东 德州 251100;2.山东交通学院 土木工程学院，山东 济南 250357;3.诸城市财政投资评审中心，山东 诸城 262200)

济南—聊城高速公路(济聊高速)始建于1996年，2005年全线路面大修，沥青面层分层铣刨，铣刨的沥青混合料材料称为回收沥青混合料废料(RAP)。本文以济聊高速RAP材料为研究对象，对其中的沥青、集料和不同RAP质量分数的热再生混合料(HMA)性质进行研究，根据路面各层作用和特点［1］，建议热再生RAP用于中面层［2］，并从受力角度对中面层的厚度和RAP的质量分数进行优化［3］。

1 掺加RAP的沥青混合料性能

为探讨掺加RAP的质量分数对沥青混合料性能影响程度，以路面中面层(AC－20密级配类型)为例，将RAP分别按0、30%、50%、70%的质量分数进行掺加，并进行级配设计。

按马歇尔试验得到最佳油石质量比，见表1。按照设计配合比制作试件，进行各种性能的检测试验［4－9］。

1.1 力学性能

力学性能以马歇尔稳定度和流值为指标，检测结果见表2。

由表2可知，添加RAP的HMA稳定度得到提高，RAP的质量分数小于30%提升最快，稳定度增加18%，RAP的质量分数为30% ～50%时稳定度提升6.6%，超过50%后稳定度有所下降，但仍然比不掺加RAP的高，说明掺加RAP的HMA的高温稳定性较好。RAP质量分数不超过70%都能满足要求。

表1 不同RAP的质量分数的中面层HMA最佳沥青用量表

表2 不同RAP的质量分数的中面层HMA力学指标对比表

1.2 水稳定性能

以残留稳定度为指标进行水稳定性能检测，检测结果见表3。

由表3可知，随着RAP的质量分数的增加，残留稳定度逐渐减小，RAP的质量分数为0～30%时残留稳定度下降不明显，降低了0.5%;RAP的质量分数为30% ～50%时残留稳定度迅速降低，降低了5.1%。RAP的质量分数＜30%时，水稳定性基本与新混合料相同。

表3 不同RAP的质量分数的中面层HMA的水稳定性对比

1.3 高温稳定性

以动稳定度为高温稳定性指标，进行试验检测，试验温度为60℃，试验荷载为0.7 MPa，结果见表4。

高温稳定性随RAP的质量分数的增加基本呈线性增长，均符合规范要求。RAP的质量分数越高，高温稳定性越好。

1.4 低温稳定性

以低温弯曲破坏应变为低温稳定性指标，试验温度为－10℃，试验加载速率为50 mm/min，检测结果见表5。

HMA的低温弯曲破坏应变随RAP质量分数的增大呈线性明显降低，RAP的质量分数为50%时已基本接近规范规定。所以从低温性能角度考虑，RAP的质量分数不宜超过50%。

综合以上各指标要求，并考虑到经济性能，RAP的质量分数应该控制在30%以下，最大不能超过50%。

表4 不同RAP的质量分数的中面层HMA动稳定度结果

表5 不同RAP的质量分数的中面层HMA低温弯曲破坏应变结果

2 不同RAP质量分数的HMA应用于中面层的路面结构优化设计

路面面层结构一般分为上、中、下3层，每层都有各自的作用和特点，上面层主要承受压应力、剪应力作用，易发生车辙、推移、拥包和开裂现象;中面层以受剪应力为主，是车辙发生的主要层位;下面层受拉应力和剪应力作用，易产生弯拉疲劳开裂，是控制面层疲劳寿命的层位。从抵抗环境影响分析，上面层材料需要足够的密水和抗水损害的性能;中面层主要考虑水损害的性能;下面层主要考虑层间的接触条件恶化和水损害功能［10－12］。

掺加RAP的HMA混合料的高温稳定性比较好、低温抗裂性较差、抗水损性能一般，结合各层位特点和作用，认为掺加RAP的HMA混合料用于中面层比较合理［13］。

本文以弹性层状体系理论为基础，利用Bisar软件，对不同的混合料应用于中面层时进行受力计算，对掺加RAP材料的中面层混合料进行抗压弹性模量和劈裂强度试验，结果见表6。其它层位材料指标参考以往试验数据，见表7。

表6 不同RAP质量分数的中面层沥青混合料参数

2.1 设计指标计算结果分析

经过计算，得到不同中面层厚度与不同RAP质量分数时各路面的设计指标值，结果见表8。

由表8可以看出，RAP应用于中面层时，计算弯沉随中面层厚度增加而呈线性减小;随着RAP质量分数的增加，计算弯沉也在减小，减小的速率开始比较大，中间比较稳定，当RAP的质量分数＞70%时降幅增加。总体来说，中面层厚度的影响远远大于RAP的质量分数的影响。当中面层厚度＜60 mm时，无法达到设计要求。基层层底最大拉应力、面层层底最大拉应变和路基顶面最大压应变变化规律基本与弯沉相似，受中面层厚度的影响比RAP的质量分数的影响大，效果更明显，但都符合设计要求。出于经济性和常用结构形式考虑，中面层取60 mm，若只考虑受力效果，RAP的质量分数可以取70%的高限。

表7 结构层材料计算用参数

表8 不同中面层厚度与不同RAP质量分数时设计指标计算值

2.2 剪应力指标计算结果分析

剪应力一般不作为设计控制指标，但研究表明［14－15］，剪应力直接影响路面车辙，本文对剪应力进行计算，并对其变化规律进行分析，结果见表9。

由表9可知，上面层最大剪应力为5.5～6.2 kPa，随着中面层厚度的增加而减小。中面层厚度≤80 mm时，上面层最大剪应力随RAP的质量分数的增加而减小;中面层厚度＞80 mm，则增大。单纯考虑减小上面层剪应力，则增加中面层厚度或者增大RAP的质量分数，在中面层厚度≤80 mm时，RAP的质量分数影响较大。

中面层的最大剪应力为19.5～25 kPa，随着中面层厚度和RAP的质量分数的增加而增加，RAP的质量分数影响相对较小。从减小中面层剪应力角度考虑，适当减小中面层厚度效果比较好。

表9 面层剪应力计算结果

下面层最大剪应力为29～30 kPa，随RAP的质量分数增加而增大;中面层厚度≤80 mm时，下面层剪应力随中面层厚度增加而增大，中面层厚度超过80 mm时，对下面层的剪应力基本没影响。

考虑到中面层作为车辙产生的主要层位，需要较强的抗剪切能力，或者在层中只产生较小的剪应力。本文中面层厚度取60 mm时，RAP的质量分数不超过30%，此时既节约成本又能大幅提高抗车辙能力。

3 结论

1)综合考虑HMA的高低温稳定性能、抗水损性能和经济性能，RAP的质量分数宜＜30%，最大不能超过50%。

2)结合路面结构各层位的作用和特点，掺加RAP的HMA宜用在中面层。

3)分析路面结构受力结果，随着中面层厚度的增加，路表弯沉、路基顶面最大压应变、路面层底最大拉应变和基层层底最大拉应力都降低;随RAP的质量分数的增加，路表弯沉、路基顶面最大压应变减小，面层层底最大拉应变增加，基层层底最大拉应变基本不变。各指标对中面层厚度的变化更敏感。

4)各层最大剪应力的变化规律各不相同:上面层最大剪应力随中面层厚度增加而减小，中面层厚度≤80 mm时，随RAP的质量分数的增加而减小;中面层最大剪应力随中面层厚度和RAP的质量分数增加而增加;中面层厚度≤80 mm时，下面层剪应力随中面层厚度和RAP的质量分数增加而增长，超过80 mm基本没影响。从路面结构抗车辙能力考虑，建议中面层厚度取60 mm，RAP的质量分数不超过30%。

5)建议RAP的质量分数为30%的HMA适用于中面层，厚度不宜＜60 mm。

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