温拌再生沥青混合料性能研究

张　笑

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015)



温拌再生沥青混合料性能研究

张笑

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015)

[摘要]为提高沥青路面废旧材料的利用率，对某高速公路铣刨的沥青混合料进行取样，按不同的掺量采用热拌再生沥青、温拌再生2种方法配置不同的沥青混合料。成型试件后利用MTS材料试验机对抗压、抗拉以及参照美国AASHTO TP-8标准使用4点弯曲疲劳寿命测试系统对再生沥青混合料的抗疲劳性试验进行研究。同时对再生沥青混合料高温、低温稳定性进行测试。得出通过添加温拌剂和再生剂改性复合改性后能改善混合料的高温、低温、抗疲劳性能以及提高抗压和抗拉的力学性能。

[关键词]沥青路面； 温拌剂； 再生剂； 沥青混合料； 力学性能

0前言

目前我国高速公路逐步进入大、中修，在此过程中产生大量的废料。随着现代对环保及经济性的注重，废旧沥青混合料(RAP)的循环再生是一个发展趋势。然而目前使用较多厂拌热再生沥青混合料(HRMA)技术不仅需要进行二次加热，使得沥青的再度老化。同时经济性和环保低碳的要求有待提高。基于此处考虑本文研究再生与温拌技术相结合得到温拌再生沥青混合料(WRMA)。

1原材料及混合料设计

本文研究利用离心抽提仪对某高速回收的废旧材料进行抽提试验，通过筛分后确定了粗细集料的技术性质见表1、表2。同时将新增的玄武岩粗集料以及新的石灰岩细集料的性质也列入表1，表2。

表1 粗、细集料主要指标检验结果Table1 coarseandfineaggregateprincipalindicatorsofthetestresults检测指标回收集料新集料表观相对密度2.7312.722针片状含量/%18.612.7压碎值/%19.413.1粗集料洛杉矶磨耗损失/%18.922.1软石含量/%2.73.0吸水率/%0.580.91表观相对密度2.6352.722砂当量/%71.479.6细集料含泥量/%2.62.2坚固性/%12.414.1

通过抽提试验检测出回收后的沥青混合料的油石比为4.95%，再生沥青混合料需要新添加的沥青为中油高富90号沥青，对新旧沥青的主要技术指标进行对比得到表2。

表2 沥青主要指标检验结果Table2 mainindicatorsofasphalttestresults沥青品种25℃针入度/(0.1mm)15℃延度/cm软化点/℃135℃布氏粘度/(Pa·s)旧沥青回收2263.566.40.43高富90号沥青89.4171.246.37.64

配置AC-20型的沥青混合料，其中RAP的掺量分别为10%、20%、30%、40%。将回收的沥青混合料通过抽提后将集料筛分成单一粒径的集料，然后按照要求的掺量进行回配，最终得到的新旧集料的合成级配得到统一，见表3。

表3 再生沥青混合料合成级配Table3 Synthesisofrecycledasphaltmixturegradation筛孔尺/mm合成级配/%筛孔尺/mm合成级配/%26.61002.3630.11997.91.1824.21688.30.618.413.276.10.313.29.554.30.157.84.7536.50.0755.8

本研究的目的是配置出再生沥青混合料的油石比4.8%，通过对新旧集料、沥青按照相应的比例进行混合，再通过旋转压实仪(SGC)成型。其温拌剂为河南中交液体温拌剂，再生剂采用抚顺远达石油化工生产的LKW-Ⅱ型。SGC成型的主要原因是参照NCAT的研究，液体类的温拌剂采用旋转压实成型的降温幅度与现场较接近。最终SGC成型后的混合料体积参数见表4。

表4 再生沥青混合料SGC成型后的体积参数Table4 SGCrecycledasphaltmixtureafterformingvol-umeparameters沥青混合料类型最大理论密度毛体积相对密度孔隙率/%间隙率/%饱和度/%HRMA—102.57972.4764.012.567.8HRMA—202.50322.3914.514.268.4HRMA—302.49062.3714.815.168.2HRMA—402.47132.3026.916.458.2WRMA—102.57972.4744.112.166.1WRMA—202.50322.3994.213.669.4WRMA—302.49062.3784.514.368.4WRMA—402.47132.3435.215.466.3

从上表可以看出: 当RAP掺量增加，SGC成型后的沥青混合料的孔隙率也随着增加，这主要是由于新集料和新沥青通过高温后加入RAP中，使得旧沥青的老化更加严重，降低了沥青总体的流动性，从而增加了压实的困难，导致混合料的孔隙率增加。当RAP得掺量达到40%后，其孔隙率大幅度增加，在相同的最大理论密度下，HRMA的孔隙率比WRMA明显较大,说明WRMA的加热稳定性较好。

2温拌再生沥青力学性能

2.1温拌再生沥青混合料拉、压力学性能

为研究温拌再生沥青的力学性能，利用压力机和MTS材料试验机对通过SGC成型的试件分别进行抗压强度及回弹模量的测试。

参照水泥混凝土抗压强度测试方法，将HRMA、WRMA试件置于试验温度条件下恒温12h后，立即将试件置于压力机上，以1mm/min的速率进行加载，直至试件破坏，得到抗压强度。参照T0738-2011试验进行单轴压缩动态模量试验，得到相应的温度条件下的动态模量。考虑常温条件下的力学性能，将试验温度定为20 ℃。其抗压强度、抗压回弹模量随RAP的掺量的变化情况分别见图1、图2。

图1　再生沥青混合料抗压强度随RAP变化曲线Figure 1　recycled asphalt mixture compressive strength curve with RAP

图2　再生沥青混合料抗压回弹模量随RAP变化曲线Figure 1　Recycled asphalt mixture resilient modulus curve with RAP

通过上图可以明显看出:HRMA的抗压强度和抗压回弹模量随RAP的增加逐步增加，增到一定值之后逐步下降。WRMA的抗压强度则是随着RAP掺量增加而增加，只是当RAP掺量达到30%后，强度增加不显著。WRMA的抗压回弹模量则在RAP掺量为30%时出现了峰值后递减，但是其模量还是显著高于HRMA。这主要原因还是由于RAP掺量过大，使得老化的沥青部分增加，导致压实困难，使得空隙率增大，而影响弹性模量及强度。

当掺量达到40%时，WRMA较HRMA的抗压强度和回弹模量分别提高了14.3%、15.1%。说明通过温拌再生后，当RAP掺量较高时，沥青混合料的抗压性能显著要优于普通的再生沥青混合料，这是由于温拌剂使得厂拌再生时的沥青老化降低。

为研究再生沥青混合料的抗拉性能，使用间接抗拉强度试验进行评价。为研究常温条件下的抗拉强度，将通过马歇尔成型后的试件置于温度定为15 ℃恒温箱中6h，迅速将试件取出，参照T0716-2011沥青混合料劈裂试验，以50mm/min速率加载至试件破换，得到最大破坏荷载后计算劈裂强度见表5。

表5 再生沥青混合料15℃劈裂强度Table5 RecycledAsphaltMixture15℃splittingstrength研究指标RAP掺量/%10203040HRMA劈裂强度均值/MPa2.062.182.372.48对应HRMA劈裂强度方差0.0350.0480.0710.052WRMA劈裂强度均值/MPa1.952.172.452.61对应WRMA劈裂强度方差0.0420.6720.8150.724

从上表可以看出: 当RAP掺量较低时，常温条件下HRMA、WRMA的抗拉强度随RAP增加而增加。RAP掺量从10%增到40%时，HRMA、WRMA的劈裂强度分别增加20.4%、33.8%。这说明当RAP掺量达到40%时，其WRMA的抗拉强度要明显高于HRMA。

2.2温拌再生沥青疲劳性能

我国评价沥青混合料的疲劳主要是通过四点弯曲的疲劳寿命试验，当弯曲劲度模量降低到初始进度模量的1/2时认定为发生疲劳破坏。但改性后的沥青混合料韧性和弹性不尽相同，笼统依据初始劲度模量衰减一半的判断方式存在弊端。

为确定两种再生沥青混合料的疲劳性能，采用T0739-2011四点弯曲疲劳寿命测试系统，试验温度为15 ℃±0.5 ℃，通过恒应变控制连续偏正弦加载模式，控制应变水平为 400×10-6，加载频率为10±0.1Hz。但评价疲劳的标准参考美国AASHTOTP-8标准，使用归一化劲度次数积来找到疲劳破坏的临界点，其试验设备还是归一化劲度次数积JNM的计算公式为：

式中： No、Nm分别加载50次、i次；SO、Sm分别为加载50次时的劲度模量、加载i次的劲度模量。当JNM最大时则所对应的Ni为材料的疲劳破坏时荷载作用的次数，即疲劳寿命，用NNM表示。一个试验制作5个平行试件，通过试验取其平均值，最终确定了不同的再生沥青混合料在不同的RAP掺量条件下的疲劳寿命见表6。

表6 再生沥青混合料疲劳寿命Table6 recycledasphaltmixturefatiguelife沥青混合料类型孔隙率/%SO/MPaSm/MPa疲劳寿命NNM/次Sm/SO/%HRMA—104.07146320110473144.8HRMA—204.5701331639755045.1HRMA—304.8644631008705648.1HRMA—406.9527622214003142.1WRMA—104.17359342912297646.6WRMA—204.27226341711136647.3WRMA—304.57154335510515646.9WRMA—405.2698831838462347.0

从上表可以看出: 疲劳寿命NNM随着RAP掺量增加而减低，在相同RAP条件下HRMA的疲劳寿命要低于WRMA，特别是RAP掺量达到40%时，WMRA较HRMA的疲劳寿命增长一倍以上。HRMA混合料RAP的掺量从30%增加到40%时，其疲劳寿命减短了50%。而WRMA的疲劳寿命随着RAP掺量增加疲劳寿命虽然也在缩短，但是其缩短的速率明显要小于WRMA。这就说明了当RAP掺量较大时，WRMA的抗疲劳性能体现出了明显的优势。

我国沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验评价是通过Sm/So达到50%。从表6可以看出: Sm/So都小于50%，也就是说明参照美国AASHTOTP-8标准评价疲劳临界点时的劲度模量Sm大于国内评价标准值。这就意味着我国的评价标准相对比较保守。

3温拌再生沥青混合料温度稳定性评价

3.1高温稳定性

对不同掺量条件下的HRMA、WRMA按照JTGE20-2011中规定进行车辙试验，车辙试件成型尺寸为300mm×300mm×50mm。将试件置60 ℃环境中，在0.7±0.5MPa轮压下进行试验，得到不同类型的再生沥青混合料的稳定度见表7。从所得的数据可以看出随着RAP的增加，HRMA、WRMA的动稳定度也增加。在相同的RAP的条件下，WRMA的动稳定度要比HRMA高20%以上。

表7 不同RAP掺量下HRMA、WRMA动稳定度Table7 differentRAPcontentHRMA,WMAdynamicstability混合料类型动稳定度/(次·mm-1)掺10%RAP掺20%RAP掺30%RAP掺40%RAPHRMA781280241168715326WRMA1076123951537419857

3.2低温稳定性

将成型后的车辙板切成250mm×30mm×35mm按照沥青混合料弯曲蠕变试验的要求在0 ℃环境下使用蠕变试验机测定其蠕变速率，用以评价再生沥青的低温抗变形能力(见表8)。

表8 不同RAP掺量下HRMA、WRMA的蠕变速率Table8 CreeprateofWRMAandHRMAwithdifferentRAPcontent混合料类型蠕变速率/(Pa·s-1)掺10%RAP掺20%RAP掺30%RAP掺40%RAPHRMA0.1850.1670.1020.061WRMA0.1960.1770.1440.116

从表8可以看出: 随着RAP的掺量增加，HRMA和WRMA的蠕变速率都在下降。显然HRMA的下降速率更快，特别是当RAP的掺量达到40%时，其数值是掺30%的RAP时的蠕变速率的0.6倍。这样的蠕变速率说明其低温稳定性很差。当RAP掺量达到40%时的WRMA的蠕变速率接近于HRMA的2倍，这就说明当RAP的掺量达到40%的高掺量时，WRMA的低温性能是远远要优于HRMA。

4结论

①当RAP的掺量低于30%时，WRMA、HRMA的抗压强度和抗压回弹模量差距不是很大，其两个指标都是随着RAP的增加而增加。但当掺量达到40%时，此时HRMA的抗压强度、抗压回弹模量出现逆增长，使得RAP高掺量的HRMA的抗压性能要低于WRMA近15%。而通过劈裂试验得到的抗拉强度WRMA虽然要优于HRMA，但不显著。

② 参照AASHTOTP-8标准，得到的疲劳寿命NNM随着RAP掺量增加而减低，在RAP掺量相同时，HRMA的疲劳寿命要低于WRMA，特别是RAP掺量达到40%时，HMRA的疲劳寿命仅是WRMA的1/2。

③ 随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料动稳定度也增加。但在相同的RAP掺量水平下，WMRA的动稳定要比HMRA高20%以上，说明WMRA有较好的高温稳定性。

④ 随着RAP的增加，再生沥青混合料的低温性能降低。当RAP掺量达到40%时，其HMRA的低温蠕变速率较小，低温性能较差。而WMRA的蠕变速率则较HRMA高47%，说明在低温性能方面也存在较显著的优势。

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WarmMixRecycledAsphaltMixturePerformanceStudy

ZHANGXiao

(HunanCommunicationsResearchInstitute，Changsha，Hunan410015，China)

[Abstract]Summary:In order to improve the utilization of waste materials bituminous pavement on a highway milling asphalt mixture was sampled at different dosage hot mix recycled asphalt, warm mix renewable two ways to configure different asphalt mixture. After forming the specimen material testing machine for use MTS compressive, tensile, and to the American AASHTO TP-8 standard four-point bending fatigue life testing system of recycled asphalt mixture fatigue test were studied. While the recycled asphalt mixture temperature, low temperature stability test. Obtained by the addition of warm mix agent and regenerated catalyst modified composite modified to improve the mix of high temperature, low temperature, fatigue resistance and improve the mechanical properties of the compressive and tensile strength.

[Key words]asphalt; warm mix agent; recycling agent; asphalt mixture; mechanical properties

[收稿日期]2015-12-09

[作者简介]张笑(1984-)，男，天津人，经济师，从事公路与市政工程可行性研究与设计工作。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0238-04