温拌再生沥青混合料RAP掺量方法及性能研究

孙建国，黄国扬

(重庆通力高速公路养护工程有限公司，重庆　400039)



温拌再生沥青混合料RAP掺量方法及性能研究

孙建国，黄国扬

(重庆通力高速公路养护工程有限公司，重庆400039)

孙建国(1981—)，工程师，主要从事路基路面材料研究工作；

黄国扬(1981—)，工程师，主要从事工程管理工作。

摘要：文章根据AC-13、AC-20的材料组成，选用合理的RAP掺配方案和掺配方法进行试件成型，并通过冻融劈裂强度、应变能密度和车辙试验，研究不同RAP掺量下温拌再生沥青混合料的水稳定性、低温性能和高温稳定性。结果表明：温拌再生沥青混合料的冻融破裂强度比大于热再生沥青混合料，随着RAP掺量增加，温拌再生沥青混合料的水稳定性先增后降，RAP掺量为40%时冻融破裂强度比达到最大值；温拌再生沥青混合料的低温性能与普通沥青混合料大体处于同一水平；随着RAP掺量增加，温拌再生沥青混合料的高温稳定性能得到提高。

关键词：温拌再生沥青混合料；RAP；掺配方案；试验；性能影响

0引言

当前，沥青路面再生技术有热再生和冷再生两种，其中热再生沥青混合料一般指沥青与矿料(RAP和部分新料)在高温状态下拌和、铺筑；冷再生沥青混合料一般指以乳化沥青或稀释沥青与矿料(RAP和部分新料)在常温状态下拌制、铺筑[1]。当前研究人员只是对RAP提出筛分、分档处理，分档后各档的RAP比例如何确定未见提出。对于再生沥青混合料的性能关键在于RAP的质量控制[2]。为此根据当前AC-13、AC-20材料组成，确定合理的掺配方案和掺配方法进行成型，研究不同RAP掺量下温拌再生沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和低温性能。

1RAP掺配方法的确定

1.1　RAP来源及性能

RAP取自渝(重庆)长(长寿)高速公路大中修改造过程中，对原路面的上面层4 cm铣刨获得。旧集料主要物理性能如表1所示。

表1　旧集料的物理性质表

查阅原路面资料可知粗集料压碎值为16.6%，对比当前试验结果19.3%，其压碎值变化较小，说明粗集料在使用过程中自身物理性能变化不大，可以说明其集料再生具有一定的实用价值。

1.2　RAP掺配方法

RAP经过破碎、筛分、分档后，对其掺量及掺配方法进行分析。当RAP掺量为30%、40%、50%时对成型的试件进行体积参数研究，最终依据体积参数变化确定各档RAP的掺配方法。

首先将RAP分为9.5~13.2 mm、4.75~9.5 mm、1.18~4.75 mm三档，每档RAP掺量比例分别按照：1#方案1∶1∶1比例添加；2#方案3∶2∶1比例添加；3#方案1∶2∶3比例添加。总掺量按照30%、40%、50%的比例，各档的掺配方法如表2所示。

表2　不同RAP掺量的沥青混合料各档掺配方法表

当RAP掺量为50%，由于第三种方案中1.18~4.75档集料的掺量较多，使得再生混合料新加集料中2.36档集料和矿粉的筛余质量出现负值，所以3#方案舍弃，在对温拌再生沥青混合料进行马歇尔试验时，只采用1#和2#两种方案。根据(JTG E20-2011)《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》中的方法，按照一定的拌和温度和压实温度进行试件成型，其试验结果见表3。

表3　不同RAP掺量的沥青混合料试验结果表

从表3中可以看出，当RAP掺量为30%时，从沥青饱和度、矿料间隙率两个指标比较，三种方案差异性不大；从空隙率的指标看出1#方案空隙率较大，2#、3#差异性不大。从流值指标看出，1#和3#掺配方案试件的流值差异性较大，不符合规范中的要求。因此对于30%掺量的情况，2#方法较为合适。当RAP掺量为40%时，结合空隙率以及其他的指标，2#方案最佳；当RAP掺量为50%时，再生沥青混合料只有1#和2#方案，结合马歇尔实验结果2#方案最为合适。

2RAP掺量对温拌再生沥青混合料性能的影响

根据AC-13、AC-20材料组成与上述马歇尔实验的结果，选择2#方案的掺配方法进行成型，研究不同RAP掺量下温拌再生沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和低温性能，并与热拌再生沥青混合料性能进行对比。

2.1　水稳定性能研究

沥青路面的抗水损害能力是衡量沥青路面耐久性的重要指标，它是指抵抗沥青混合料受水的侵蚀逐渐产生沥青膜剥离、掉粒、松散、坑槽而破坏的能力。

为评价再生沥青混合料的水稳定性能，试验采用RAP掺量为0%、20%、30%、40%、50%的温拌再生沥青混合料冻融劈裂强度比与RAP掺量为0%、30%的热拌再生沥青混合料的水稳定性能对比。不同RAP掺量下AC-13、AC-20温拌再生沥青混合料冻融劈裂试验结果见表4。

表4　温拌再生沥青混合料冻融劈裂试验表

从表4可以看出，无论是AC-13还是AC-20温拌再生沥青混合料的TSR大于热拌沥青混合料；随着RAP掺量增加，温拌再生沥青混合料TSR先增大后降低。主要是因为温拌剂的添加改变沥青中的极性分量和色散分量，增强了集料-沥青的粘附性能。随着RAP掺量的增加，有效沥青贡献不足，造成粘附性能下降，水稳定性能降低。从AC-13、AC-20两种混合料的强度对比，同种掺量的RAP，AC-20强度比大于AC-13，说明再生沥青混合料中集料的骨架结构增强了沥青混合料的结构强度。RAP掺量为40%时TSR达到最大值，RAP掺量为50%时虽然水稳定性能下降，但是仍能满足要求，说明RAP掺量>40%时建议添加再生剂恢复旧沥青的使用性能。由此说明温拌再生沥青混合料的水稳定性能在一定范围可以得到改善。

2.2　低温抗裂性能

沥青在路面使用过程中逐渐老化，回收沥青的高温黏度及低温劲度模量都有所增大。在温拌再生沥青混合料中虽然添加一定比例的新沥青、温拌剂，但是由于新旧沥青的分散均匀性和相溶渗透性较差，很难改善低温性能。但通常来说如果破坏强度大，相应的应变就会相对较小。因此，仅从低温下的破坏强度或变形能力很难区分性能材料的优劣[3，4]。

研究认为在综合考虑应力和变形两个影响因素的前提下，利用能量概念来评价沥青混合料低温抗裂性的好坏较为合理。不同组成的沥青混合料具有不同的能量储备，沥青混合料试件破坏时消耗的能量越大，这种沥青路面抗裂性能就越好。由于沥青混合料都具有一定的能量储存能力，该能量称之为应变能密度，这个储存能量能够通过试验方法加以确定。本文基于低温弯曲试验，回归出材料的应变能密度。根据沥青混合料的破坏能的定义，可以将其单位体积的应变能密度表示为：

(1)

其中σ、ε分别为应力和应变，εb为最大应力对应的应变值。材料临界应变能密度愈大，发生破坏所需能量也就越大，其低温抗裂性就越好。dw/dv的临界值是断裂时实际单轴应力、应变关系曲线下的面积，可以通过试验来测定[5]。

试验设计：按照AC-20温拌再生沥青混合料油石比以及目标级配成型车辙试件。切割成250 mm×30 mm×35 mm小梁试件，按试验规程进行AC-20温拌再生沥青混合料低温弯曲试验，并通过对比试验研究两种类型温拌再生混合料低温弯曲性能的变化(见表5)。

表5　温拌再生混合料低温弯曲试验结果表

规范要求普通沥青混合料的破坏应变>2 000με。从表5中可以看出，温拌再生沥青混合料AC-20低温性能不能满足规范要求，随RAP掺量的增加应变逐渐降低，而弯拉强度随RAP掺量的增加先增大后降低，说明RAP比例<50%时，温拌再生沥青混合料与温拌普通沥青混合料的低温性能相差不大。温拌再生沥青混合料应变能密度变化趋势图见图1。

图1　温拌再生沥青混合料应变能密度曲线图

由试验结果可知，混合料应变能密度随RAP比例的增加出现先上升后下降的趋势。由于在弯拉应变下降的同时，极限弯拉强度随RAP比例而增大，从而导致了这一结果。此现象的出现是由于温拌剂不改变新旧沥青的性能，RAP中的沥青老化严重，单靠添加的新沥青改善再生沥青的性能，但是随着RAP含量的增多，影响逐渐突出，新添加的沥青对其性能的改善作用仍不及RAP的影响大，从而使混合料的低温性能下降。结合强度和变形两种因素分析，温拌再生沥青混合料的应变能密度能随RAP的变化先增加后降低。

2.3　高温稳定性能

沥青路面高温稳定性是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。高温稳定性不足造成沥青路面车辙病害，已经成为我国各等级公路沥青路面的最主要病害形式之一。温拌再生沥青混合料和普通混合料在使用条件上基本相同，两者高温性能的不同主要反映在混合料的材料组成上。温拌再生混合料由回收的老化沥青混合料(RAP)、再生剂、新结合料和新集料组成。而RAP中的沥青是老化沥青，其黏度大、劲度高的特点对温拌再生混合料的高温性质是有利的。但是添加的新沥青与黏度较大的旧沥青很难达到良好的渗透互溶，影响温拌再生混合料拌和的均一性，进而影响温拌再生混合料的高温性能。

采用基质沥青作为新胶结料，根据确定的油石比和材料的掺量方法进行车辙试验，温拌再生沥青混合料高温性能测试见表6。

表6　温拌再生混合料的车辙试验测试结果表

从表6中可以看出：

(1)温拌再生沥青混合料的高温性能得到改善，不同比例的再生沥青混合料动稳定度>1 000次/mm的要求，温拌沥青混合料的动稳定度略低于热拌沥青混合料的动稳定度，根据已有文献分析[6，7]，导致该现象的原因主要是热拌沥青混合料生产过程中加热温度高于温拌沥青混合料，其导致温拌过程中沥青老化严重，从而导致了其动稳定度略高；

(2)随着RAP掺量增加温拌再生沥青混合料高温稳定性能得到提高，主要是由于RAP的添加新旧沥青融合后沥青变硬，劲度增大，说明温拌再生沥青混合料的高温性能较好。

3结语

(1)提出再生沥青混合料RAP的掺配方法，回收沥青混合料破碎、筛分后，在其级配范围内，RAP掺量建议按照2#方案添加。

(2)结合强度和变形两种因素分析，温拌再生沥青混合料的应变能密度随RAP的变化先增加后降低。

(3)随着RAP掺量增加，温拌再生沥青混合料的高温稳定性能得到提高，主要是由于RAP的添加新旧沥青融合后沥青变硬，劲度增大，说明温拌再生沥青混合料的高温性能较好。

参考文献

[1]秦永春，黄颂昌，徐剑，等.基于表面活性剂的温拌SMA混合料性能[J].建筑材料学报，2010，13(01)：32-35.

[2]黄晓明，赵永利，江臣.沥青路面再生利用试验分析[J].岩土工程学报，2001，23(4)：468-471.

[3]Michaelm，MartipE，AndrewMielke.SynthesisofAsphaltRecyclinginMinnesotaFinalReport[R].MinnesotaLocalRoadResearchBoard，2002.

[4]耿久光，戴经梁，陈忠达.热再生沥青混合料低温抗裂性能全程评价[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2008，32(6)：1029-1033.

[5]蔡四维，蔡敏.混凝土的损伤断裂[M].北京：人民交通出版社，1999.

[6]秦永春，黄颂昌.温拌沥青混合料中沥青在施工阶段的老化程度[J].同济大学报(自然科学版)，2009，37(9)：1200-1202.

[7]张镇，刘黎萍，汤文，等.Evotherm温拌沥青混合料性能研究[J].建筑材料学报，2009，12(4)：438-501.

Research on RAP Blending Method and Performance of Warm-mixed Recycled Asphalt Mixtures

SUN Jian-guo，HUANG Guo-yang

(Chongqing Tongli Expressway Maintenance Engineering Co.，Ltd.，Chongqing，400039)

Abstract：Based on material composition of AC-13 and AC-20，this article selected the reasonable RAP blending plan and blending method for specimen molding，and through the freeze-thaw splitting strength，strain energy density and rutting experiments，it studied the water stability，low-temperature and high-temperature stability of warm-mixed recycled asphalt mixture under different RAP blending amount. The results showed that：the freeze-thaw splitting strength ratio of warm-mixed recycled asphalt mixture is greater than hot recycled asphalt mixtures，and with the increase of RAP content，the water stability of warm-mixed recycled asphalt mixture increases first and then drops down，and the freeze-thaw splitting strength ratio reaches the maximum when RAP content is 40%；the low-temperature per-formance of warm-mixed recycled asphalt mixture is substantially at the same level of ordinary asphalt mixture；with the increase of RAP content，the high-temperature stability of warm-mixed recycled asphalt mixture is improved.

Keywords：Warm-mixed recycled asphalt mixture；RAP；Blending programs；Test；Performance impact

收稿日期：2015-07-06

文章编号：1673-4874(2015)08-0028-05

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.007

作者简介