基于流变学原理的热再生沥青混合料旧料掺配比例

陈梓宁，程培峰

(东北林业大学　土木工程学院，黑龙江　哈尔滨　150040)



基于流变学原理的热再生沥青混合料旧料掺配比例

陈梓宁1，程培峰2

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：为了优化热再生沥青混合料配合比设计，利用了流变学试验原理和美国SHRP试验方法，从中引入车辙因子、疲劳因子、低温蠕变速率对4种新旧沥青掺配比例的再生沥青高温性能、疲劳性能和低温性能进行评价和分析，在兼顾高低温性能的情况下得到旧沥青、再生剂和新沥青的最佳掺配比例，进而得出热再生沥青混合料旧料掺量的最佳掺配比例; 同时对旧料进行热再生沥青混合料配合比设计及其路用性能试验, 与普通沥青混合料路用性能对比分析，证明热再生沥青混合料旧料掺量的最佳掺配比例设计方法的合理性。基于流变学原理对几种新旧沥青掺配比例的再生沥青进行对比分析，得到最佳再生沥青掺配比例，并用于指导热再生沥青混合料旧料掺量以及配合比设计。

关键词：道路工程；最佳掺配比例；流变学原理；再生沥青；旧料掺量

0引言

截止到2014年底，我国公路总里程已经达到446万km，其中高速公路总里程已经突破11.1万km。随着我国经济的发展，公路里程不断增长，早期建设成的高等级公路也陆续进入到大、中修及养护阶段，产生了大量的废旧沥青混合料。为了节约资源，再生利用作为一种资源节约型技术,在沥青路面养护维修工程中得到大规模的推广应用。目前，国内在旧料再生方面摸索出一套再生技术方法[1-3]，但是兼顾再生沥青混合料高低温性能的旧料掺配比例方面研究仍不够深入。在评价再生沥青方面，仅用三大指标评价旧沥青及再生沥青的性能有局限性，既难以直观反映出再生沥青的高低温性能，也无法为再生混合料中旧料的合理掺配比例提供技术依据。而大量试验研究证明，旧料的掺配比例直接影响到再生沥青混合料的路用性能，特别是在对沥青混合料高、低温性能具有特殊要求的季冻地区。旧料掺量合理与否直接影响到再生技术的适用性及适用条件。鉴于此，本文利用流变学原理对再生沥青试验，评价其路用性能，研究新旧沥青不同比例条件下胶浆的性能变化，通过对比分析，得到最佳掺配比例，指导合理的旧料掺量，为再生技术在季冻地区的应用提供技术依据。

1基于流变学原理的再生沥青性能评价

1.1研究方法

美国战略公路研究计划(SHRP)最重要的研究成就之一就是采用了流变学的研究方法,最早是在1994年颁布，之后在2001年对低温性能评价进行了改动[4-5]，后来国内很多研究者对此方法进行研究以及运用[6-11]。此方法中，引入了像车辙因子G*/sinδ、疲劳因子G*sinδ、劲度模量、蠕变速率等流变学参数作为评价沥青路用性能的技术指标。本文根据SHRP沥青路用性能试验研究方法，使用动态剪切流变仪(DSR)、弯曲梁流变仪(BBR)仪器对4种再生沥青进行试验，利用车辙因子、疲劳因子、劲度模量和蠕变速率对再生沥青的高温性能、耐疲劳性能和低温性能进行对比分析。

1.2确定再生沥青掺配比例

研究采用长平高速改扩建剩余的旧料，对旧料进行再生，其中原路面铺筑的为90#沥青。使用20-1100型沥青混合料分析器(图1)将其中旧沥青、矿粉和旧集料分离，得到的三氯乙烯和旧沥青的混合溶液，使用R-215 Professional V型旋转蒸发仪(图2)将三氯乙烯与旧沥青分离，得到旧沥青，其性能指标见表1。

图1　20-1100型沥青混合料分析器 Fig.1　20-1100 asphalt mixture analyzer

图2　R-215 Professional V型旋转蒸发仪Fig.2　 R-215 Professional V-type rotary evaporator

检测项目90#沥青性能指标要求试验结果25℃针入度/(0.1mm)80～10048.9软化点/℃不小于4458.710℃延度/cm不小于309.7

再生剂选用嘉鹏再生剂，根据旧沥青性能确定再生剂用量范围7%到11%，通过试验结果(表2)可以看出，再生剂剂量为9%时，回收沥青性能指标基本恢复到90#沥青的水平，因此选择再生剂剂量为9%。

表2　掺加再生剂的再生沥青性能检测结果

参考以往再生沥青混合料研究成果，结合再生混合料旧料掺配比例经验，选取4组不同掺配比例的再生沥青进行高、低温性能对比试验研究，4组再生沥青掺配比例如表3所示，此时，我们假设新旧沥青混合料的油石比一样， 1:2, 1:3, 1:4和1:5的4种旧沥青和新沥青比例所对应的旧料掺配比例分别为33%, 25%,21%以及17%，4种再生沥青掺配比例分别用A, B, C, D表示。

表3　再生沥青质量比例

季冻地区沥青要兼顾高低温性能，普遍采用90#沥青。经过试验检测，沥青的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术要求，可以在工程中使用。

1.3动态剪切试验结果与分析

本研究采用Gemini II ADS型动态剪切流变仪(图3)对再生沥青进行高温性能试验，试验结果如图4、图5、表4所示。

图3　Gemini II ADS型动态剪切流变仪Fig.3　Gemini II ADS dynamic shear rheometer

图4　四种再生沥青车辙因子曲线图Fig.4　Rutting factor curves of 4 recycled asphalts

图5　四种再生沥青相位角曲线图Fig.5　Phase angle curves of 4 recycled asphalts

再生沥青温度19℃16℃A相位角/(°)50.747.8疲劳因子/MPa48416010B相位角/(°)5249.0疲劳因子/kPa42025781C相位角/(°)51.148.0疲劳因子/kPa40435672D相位角/(°)52.649.5疲劳因子/kPa38855546

根据试验结果，4个掺配比例的再生沥青在温度为58 ℃时，满足G*/sinδ>1.0 kPa。

虽然4种再生沥青高温等级相同，但是随着新沥青掺加比例的增加，车辙因子A(1.81)>B(1.42)>C(1.31)>D(1.22)逐渐减小，说明沥青的抗变形能力逐渐减弱；相位角A(82.1)

沥青的老化是导致沥青路面出现车辙病害的重要原因。从图4和图5可以看出，老化前和老化后都是随温度的升高，相位角δ增大，车载因子G*/sinδ减小。但是对比可以发现，同一掺配比例的再生沥青在同一温度级别，相位角老化后比老化前大幅减小，反之车辙因子增大，这可以说明老化后的再生沥青抗变形能力增强，但是黏性减弱。从表4可以看出，4种再生沥青随着新沥青掺配比例的增加，疲劳因子(4 841)>B(4 202)> C(4043)>D(3 885)逐渐减小， 说明再生沥青的柔性增强，抗疲劳性能有所提高。

1.4弯曲梁蠕变试验结果与分析

本研究采用TE BBR型弯曲梁流变仪(图6)对再生沥青进行试验。

图6　TE BBR型弯曲梁流变仪Fig.6　TE BBR type bending beam rheometer

沥青路面低温开裂是很常见的路面破坏，国内学者认为，沥青混合料的低温开裂主要取决于沥青结合料的低温抗裂性能，与集料骨架作用关系不大，由于沥青在低温下表现为弹性体，在高温下表现为黏性体[12]，因此SHRP研究的弯曲梁流变试验是一种判断沥青弹性和黏性的方法，目的在于评价沥青的低温性能。

通过弯曲梁流变试验得到两个评价参数：一个蠕变劲度，即沥青抵抗永久变形的能力；另一个是m值，即荷载作用时沥青劲度的变化率。

图7　PAV后再生沥青蠕变劲度曲线图Fig.7　Creep stiffness curves of recycled asphalt after PAV treatment

图7表明，B，C和D配比再生沥青在-12 ℃的情况下，蠕变劲度均小于300 MPa，然而A配比的再生沥青A(316)不符合SHRP标准且蠕变劲度最大，所以A配比再生沥青在低温性能方面最差。在-12 ℃时， D配比再生沥青的蠕变劲度小于C配比和B配比，这也说明增加新沥青的用量对降低蠕变劲度有帮助，且D配比再生沥青低温性能更好一些。在同一温度级别下，4种掺配比例的再生沥青随着新沥青掺配比例的升高，蠕变劲度逐渐减小，再生沥青脆性变弱，低温性能变强。

m代表了沥青通过黏弹流动对收缩应力的释放速度，即m值越大，说明释放速度越快，沥青抗低温开裂性能越好。如图8所示，在同种温度下的4种掺配比例的再生沥青蠕变速率关系为m(D)>m(C)>m(B)>m(A)， 说明随着新沥青掺加比例的增多，再生沥青的蠕变速率逐渐增加，其低温性能变强。

图8　PAV后再生沥青m值曲线图Fig.8　m value curves of recycled asphalt after PAV treatment

1.5新旧沥青掺配比例选择

车辙因子表征沥青材料的抗永久变形能力，相比较相位角评价再生沥青的高温性能更为直观。从再生沥青车辙曲线图4可以看出，随着新沥青掺量的增加，车辙因子处于下降趋势，而C点为车辙因子曲线的变化点。这说明在C点之前车辙因子随着新沥青掺配比例的增多，下降速率较快且变化不大，而在C点之后，车辙因子下降速度趋于平缓。这表示在再生沥青新旧沥青掺配比例1:4之前，高温性能随着新沥青掺量增多而下降，且下降速度较快，在掺配比例超过1:4之后，高温性能下降程度越来越小。

在PAV老化后再生沥青蠕变劲度曲线图7中可以看出，随着新沥青掺配比例的增多蠕变劲度曲线呈现下降趋势，且下降趋势越来越平缓。其中E点为蠕变劲度变化点，E点之前，下降较快，E点之后，下降的速度减慢，说明在再生沥青掺配比例1:3.8 之前，低温性能增长较快，1:3.8掺配比例之后低温性能增长趋于平缓；从PAV老化后再生沥青m值曲线图8可以知道，随着新沥青掺量的增多蠕变速率处于增长的趋势，但蠕变增长速率逐渐减小，其中F点为曲线的变化点，可以知道F点之前，蠕变速率增长较快，F点之后，增长速率减慢，说明随着新沥青掺加比例的增多，再生沥青的蠕变速率增加缓慢，F点为再生沥青掺配比例1:4.2。

考虑到高温性能，建议选择再生沥青的掺配比例不超过21%，因为小于这个掺配比例的再生沥青混合料的高温性能与不掺旧料的结合料相比会有显著提高。在低温性能方面，要同时考虑蠕变劲度和蠕变速率。从蠕变劲度来看，再生沥青掺配比例取值范围建议不小于1:3.8，原因在于在1:3.8比例之前低温性能提高较大，而在此之后提高不大；从蠕变速率角度看，因为在1:4.2比例之前低温性能增长较快，之后增长较慢，所以再生沥青的掺配比例建议不大于1:4.2。 因此，综合高低温性能，选择1:4 的旧沥青和新沥青的掺配比例较为合理。

从数值角度来看，车辙因子：A>B>C>D，A最好，58 ℃老化前后车辙因子变化情况如下：B的车辙因子老化后上升1.96；C的车辙因子老化后上升1.93；D的车辙因子老化后上升1.86。可见，C与B的上升幅度接近，要好于D。但从图7 和图8蠕变劲度S来看：A不满足要求(>316)，D>C>B。从蠕变速率m来看，A不满足要求(-12 ℃时，0.297<0.3)，D>C>B。通过分析可知，A和D分别是高温性能最好和低温性能最好的掺配比例，但是为了兼顾高低温性能，不能选择A和D的掺配比例。从不同温度变化幅度看：C的ΔS=283，B的ΔS=294也就是说温度从-12 ℃降低到-18 ℃时，B的劲度增加得大，说明低温性能下降得快。同样的，C的Δm=0.1，B的Δm=0.097也就是说温度从-12 ℃降低到-18 ℃时，B的m增加得小，说明低温性能没有C好。

对于季冻地区，低温要求较为严格，因此，掺配比例确定的原则是选择低温性能好的前提下，高温也要满足要求，同时还要考虑经济性，在性能满足的情况下尽可能多掺旧料，为此，推荐最适宜的掺配比例为C，也就是旧新沥青1:4的掺配比例。

2再生沥青混合料配合比设计

工程上再生沥青混合料的旧料掺配比例大多是由经验确定，大约为20%～30%，也有片面追求旧料掺量而没有考虑性能的，对旧料掺量也是越多越好，更多的是关注于再生沥青混合料高温性能，往往对其低温性能有所忽略，尤其是在东北三省， 该地区属于季冻地区，所以对低温性能的要求也同样重要。本研究通过之前分析得到新旧沥青比例，指导再生沥青混合料配合比设计。根据旧料的油石比，工程材料特性、气候特点、交通量等特点，结合当地的工程经验，预估当新沥青用量4.4%，通过旧沥青和新沥青1:4的掺配比例，估算出旧料掺量为21%。

2.1旧料级配

对旧集料进行筛分得到矿料级配。

表5　旧料筛分结果

2.2新材料

粗集料选用玄武岩，粒径为19～13.2, 13.2～9.5, 9.5～4.75, 4.75～2.36 mm。细集料选用石屑。经过试验检测可知粗、细集料和矿粉的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术要求，可以在实体工程中使用。

2.3再生沥青混合料级配设计

依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)给出AC-20沥青混合料的矿料级配范围要求和各规格矿料筛分结果。通过计算机试算确定21%旧料掺配比例的矿料配合比如下：19～13.2 mm:13.2～9.5 mm:9.5～4.75 mm:4.75～2.36 mm:2.36～0 mm:矿粉:旧料=24:17:9:5:21:3:21。

2.4确定最佳油石比

以估算新沥青用量4.4%为中值，取5种不同的油石比制备马歇尔试件，测定沥青混合料空隙率、密度、沥青饱和度、矿料间隙率、稳定度和流值，然后运用马歇尔试验确定最佳油石比。

3再生沥青混合料性能检验

3.1常规沥青混合料试验

对掺旧料21%的再生沥青混合料和普通沥青混合料进行车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验和马歇尔稳定度试验。

表6　新集料筛分结果

表7　合成级配通过率

表8　最佳油石比沥青混合料物理力学参数汇总

表9　再生沥青混合料路用性能

由路用性能试验结果可以知道，掺21%旧料的AC-20再生沥青混合料水稳定性、高温稳定性和低温性能均满足规范要求。与普通沥青混合料相比，高温性能提高了12.3%，掺21%的旧料对再生沥青混合料高温性能有显著的提高；而从低温性能来看，掺21%旧料的混合料低温性能与不掺旧料相差不大，只降低了4.6%。

3.2低温冻断试验

小梁弯曲试验时检验沥青混合料弯曲性能、变形适应能力的试验方法，但其评价指标仅考虑了强度特性，而沥青混合料的低温性能不是单纯由沥青混合料的强度特性所决定的，具有一定的局限性。

低温冻断试验的核心思想是模拟路面实际降温过程中混合料的受力状况。国内学者对约束试件温度应力试验进行了大量的试验研究，并认为该试验能够真实地评价沥青混合料的低温开裂性能。因此，用低温冻断试验来对沥青混合料的低温性能进行再次验证，冻断试验设备见图9。

图9　冻断试验设备Fig.9　Freeze fracture test equipment

分别对掺21%旧料的AC-20再生沥青混合料和不掺旧料的AC-20沥青混合料进行冻断试验。

图10　冻断试验温度应力曲线Fig.10　Temperature stress curves obtained by freeze fracture test

沥青混合料类型冻断强度/kPa冻断温度/℃掺21%旧料AC-20沥青混合料68524.8AC-20沥青混合料69325.2

有研究表明用冻断温度作为评价沥青混合料低温性能的指标更为稳定。其中掺21%旧料的再生沥青混合料冻断温度和不掺旧料的相差0.4 ℃，可见此种旧料掺配比例的低温性能相对较好，与不掺旧料沥青混合料相比低温性能降低不大。

图10为冻断试验温度应力曲线。经过再生沥青混合料性能的验证以及与不掺旧料沥青混合料性能对比，可以得到在旧料掺量为21%时，在高温性能有显著提高的情况下，低温性能略有下降，说明此种掺配比例合理，因此，通过控制再生沥青的掺配比例，得到合理旧料掺量，指导配合比设计。

4结论

(1)采用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪对4种掺配比例的再生沥青进行试验并进行对比分析，在兼顾高温性能的同时，得到在旧沥青、再生剂和新沥青参配比例为1:0.09:4。利用新旧沥青掺配比例，得到合理的旧料掺量来指导混合料配合比设计。

(2)本研究以AC-20再生沥青混合料和普通沥青混合料为例进行车辙、小梁弯曲、残留稳定度、冻融劈裂试验和冻断试验，通过试验结果对比分析证明，此种掺配比例合理。

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Old Material Blending Ratio of Thermal Recycled Asphalt Mixture Based on Rheological Principle

CHEN Zi-ning1，CHENG Pei-feng2

(School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

Abstract：In order to optimize the design of hot recycled asphalt mixture’s mix proportion, by using the rheological test principle and United States SHRP test methods, in which the parameters including rutting factor, the fatigue factor, low creep rate are introduced to evaluate and analyze the high-temperature performance, fatigue performance and low-temperature performance of recycled asphalts with 4 new and old asphalt blending ratios. Considering both high and low temperature performances, the optimum blending ratio of old asphalt, recycling agent and new asphalt is obtained, and then the best blending ratio of old material content for hot recycled asphalt mixture is obtained. Furthermore, the mix proportion of the old material in hot recycled asphalt mixture is designed and the road performance test is conducted. Comparing with the pavement performance of ordinary asphalt mixture, it is proved that the best blending ratio of the old asphalt mixture material content for hot recycled asphalt mixture is reasonable. Therefore, based on rheological principle, the recycled asphalt mixtures with abovementioned blending proportions are comparatively analysed, and the best blending ratio for recycled asphalt, which could guide the design of old material content and mix proportion of hot recycled asphalt mixture.

Key words：road engineering；optimum blending ratio；rheological principle；regenerated asphalt；old material blending ratio

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)03-0024-07

中图分类号：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.005

作者简介：陈梓宁(1991-)，男，吉林长春人，硕士.(1571773206@qq.com)

收稿日期：2015-08-05