含有高掺量RAP料的高速公路沥青混合料的性能评价

刘慧军（石家庄交通勘察设计院，石家庄 050000）

含有高掺量RAP料的高速公路沥青混合料的性能评价

刘慧军
（石家庄交通勘察设计院，石家庄 050000）

主要研究了含有高掺量RAP料（最高达50%）的热拌沥青混合料路面的水稳定性。通过对比路面取芯与室内成型试件性能，得出了相关结论。结果表明，含有50%掺量RAP料的热拌沥青混合料具有可以接受的抗水损害和抗断裂的性能。多重冻融循环试验提供了更好的分析混合料抗水损害能力的方法。综合而言，室内成型的试件可以用来评价实际工程中的混合料的抗水损害。

高掺量RAP料；热拌沥青混合料；水稳定性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.042

1　引言

废旧沥青混合料（RAP）已经在热拌沥青混合料路面中使用很多年了，并且由于废弃物填埋场场地的有限，高质量新料的减少和沥青高昂的价格而日益收到欢迎。虽然许多公路部门都已经意识到使用RAP料的好处，但是在热拌沥青混合料尤其是在面层材料中使用高含量的RAP料（多于25%），与每年能够提供的RAP料比较而言，仍然很少。含有高掺量的RAP料的热拌沥青混合料在抗疲劳性、抗裂性和水稳定性这3个方面受到研究者的关注。

因此,改进设计和分析含有高含量RAP料的热拌沥青混合料性能的方法就显得很有必要。当RAP料含量较低时，RAP料也许并不足以显著影响新的混合料的性能。但是，当RAP料含量高的时候，高硬度的RAP料使得混合料变硬，这有益于新混合料的抗车辙性，但是对其抗裂性能不利。

热拌沥青混合料级配设计的原则是推荐一种能够承受交通和环境综合作用的混合料级配[1]。因此,评价各级配组成对混合料性能（例如：抗车辙性能、疲劳性能和抗温度裂缝性能）的影响是极为重要的。由于新旧料间复杂的作用，混合料中RAP料的存在对设计师是一个挑战。热拌沥青混合料中的RAP料能够提高混合料的抗车辙性能，但会危及其抗疲劳性能和抗温度裂缝性能。在热拌沥青混合料中掺入RAP料成功的关键是具有评估其对路面性能影响的能力以及认识到关于材料和加载条件两者的独特性。

在热拌沥青混合料中使用RAP料的一个考虑是RAP料对混合料水损害敏感性的影响。沥青混合料的水稳定性是其长期性能的重要因素。水损害是表明混合料受水作用以后自身总体强度或者刚度的降低。如果一种沥青混合料容易受到水损害，那也意味着它最终会受到4种破环形式（车辙、疲劳、温度裂缝和剥落）的任意一种。

本文针对含有0%、15%和50%RAP料的室内成型试件和试验路段取芯试件进行了研究。对所有的混合料都进行了水稳定性评价和抗温度裂缝性能的评价，并论述了试验路段取芯试件和室内成型试件的性能比较。

2　试验设计

该试验段位于河北省内一条高速公路。整个试验段全长27.36km，其中用于作对比试验的不含RAP料的热拌沥青混合料路段长9.67km。试验段于2009年9月铺筑，分为高度为5.1cm的热拌沥青路面、含15%RAP料和50%RAP料的新沥青性能等级不变的沥青路面和含50%RAP料的新沥青性能等级改变的沥青路面4段。下面的结构为2008年铺筑的高10.2cm的含50%RAP的热拌沥青混合料下面层、基层和土基。除了含50%RAP料的一段热拌沥青路面所用的新沥青其沥青性能分级有变化（为Pen200-300，按针入度分级），其余3段沥青路面所用沥青的沥青性能分级都是PEN 150-200。

在施工现场用摊铺螺旋钻机在铺面过程中取松散的混合料就地成型试件，这些混合料称为现场制作的，标记为F-0% -150，F-15%-150，F-50%-150和F-50%-200。标记的含义，举例而言，F-0%-150指的是不含RAP料的与PEN 150-200沥青拌合成型的试件，而F-50%-200指的是含50%RAP料的与PEN 200-300沥青拌合成型得到的试件。将冷的矿料、沥青胶结料和各种掺量的RAP料在当地的拌合厂进行拌合并成型。所有的原材料也将用于室内成型试件。对应的室内成型试件标记为：L-0%-150，L-15%-150，L-50%-150和L-50%-200。

预估水损害考虑多次冻融循环。水稳定性用有约束的和无约束的劈裂试验进行评价，同时，也考虑多次冻融循环劈裂试验的冻融劈裂强度比。

根据沥青路面规范中的PG性能分级对厂拌沥青混合料和室内成型试件所用混合料的新的沥青胶结料、RAP料中的旧沥青和新旧料拌合后回收的沥青胶结料进行性能分级。所有回收的胶结料通过使用离心机萃取并使用旋转蒸发仪在由按体积比为85%甲苯和15%乙醇的溶液中回收得到。在压力老化容器中检测回收沥青胶结料的初始性能、短期老化性能（薄膜加热TFOT）和长期老化性能（PAV压力老化）并对其进行性能分级。为了模拟现场老化，将室内拌合的混合料放在135℃的强制通风的烘箱中进行4h的短期老化。图1列出了各种沥青胶结料的临界温度。临界温度指的是沥青胶结料刚好满足Superpave规范的合适的特定温度。表1列出了Superpave规范规定的沥青胶结料PG性能分级的温度要求。

图1　各种沥青胶结料的PG性能分级温度

表1　各种沥青胶结料的SuperpavePG性能分级温度要求℃

从试验数据中可以得到以下结论：

1）Pen150-200和Pen200-300的低温温度相差仅2℃，但高温温度却相差了5℃。

2）不论是现场拌合混合料还是室内拌合混合料，当采用PG58-28沥青时，混合料中增加RAP料含量会导致新混合料回收沥青的高温温度和低温温度变高。

3）平均而言，不论RAP料的含量，现场拌合生产的新混合料的回收沥青的高温温度和低温温度比室内拌合的混合料的回收沥青的温度高，分别平均高2.4℃和1.2℃。换句话说，现场拌合的混合料的回收沥青比室内拌合混合料的回收沥青硬。这意味着：将室内拌合的混合料放在135℃的强制通风的烘箱中进行4h的短期老化并不能模拟施工现场的老化条件。

4）从F-50%-200和L-50%-200混合料回收的沥青比从F-50%-150和L-50%-150混合料回收的沥青软，高温温度分别高4.0℃和4.2℃。

总之，含有0%和15%RAP料的混合料的PG性能分级符合当地的PG要求。含有50%RAP料的混合料的高温温度满足或超过了58℃的PG要求，但是低温温度不满足-28℃的低温温度要求。这个结论与新沥青的性能等级变化与否无关。使用较软的沥青（如PG52-34）并掺入50%RAP料的混合料的低温温度并没有降低到PG性能分级要求的温度。正如之前提到的，Pen150-200和Pen200-300的低温温度相差仅2℃，这并能明显改变新混合料的沥青的低温性能。由于不想增加沥青粘结剂的使用，本文就只使用了唯一能够得到的商业用途的软沥青也就是Pen200-300。

3　试验结果分析

本文评价混合料的水稳定性是通过比较多次冻融循环条件下浸水和不浸水试件的劈裂强度以及冻融劈裂抗拉强度比TSR值来进行的。多重冻融循环条件遵照规范进行。将15个试件分成3组，直径4英寸，并且以马歇尔击实仪控制孔隙率在（7依0.5）%，每5个试件为1组，分别为不浸水、浸水并冻融循环1次和浸水并冻融循环3次。之所以进行3次冻融循环是因为有试件在4次冻融循环时已经发生破环。每个试件按以下程序进行试验：

1）检测不浸水条件下的劈裂强度；

2）使剩余的10个试件浸水，并达到75%依5%的饱水率；

3）将试件进行冻融循环，1次标准的冻融循环为：-18℃下保温16h，取出放入60℃恒温水槽中保温24h，最后再放入25℃水中保温2h；

4）分别测量1次和3次冻融循环后的劈裂强度；

5）计算1次和3次冻融循环后的冻融劈裂抗拉强度比TSR值。

水稳定性评定标准：25℃下不浸水的劈裂强度为0.483MPa，1次冻融循环后的冻融劈裂抗拉强度比TSR值不小于80%。图2列出了所有现场成型试件和室内成型试件的劈裂试验和冻融劈裂试验的结果，误差线代表95%强度保证率的区间。置信区间的重叠表明不同混合料测得的劈裂强度值相似。图2结果表明，所有的混合料都满足劈裂强度的最低要求和1次冻融循环试验后的TSR值要求。没有混合料需要在施工时添加减水剂以达到Superpave对于水稳定性即1次冻融后TSR值不小于80%范围的要求。然而，所有的混合料在3次冻融循环后TSR值均小于80%。

图2　混合料类型

图2中的数据表明厂拌和室内拌合的含有RAP料的混合料试件无论在1次还是3次冻融循环条件下的不浸水劈裂强度和劈裂强度均比不含RAP料的混合料的高。在所有混合料3次冻融循环后劈裂强度均会显著降低。因此，与不含RAP料的新料相比，在热拌沥青混合料中加入RAP料并没有增加其水损害的概率。

应用0.05显著水平下的成对均值比较分析法来判定现场和室内成型的试件的劈裂强度有否有统计上的显著差异。结论如下：

1）总体而言，室内成型的试件的劈裂强度在统计意义上类似于或者统计学上显著高于现场成型的试件的劈裂强度。换句话说，室内成型的试件的劈裂强度和耐久性明显好于相应的现场成型的试件；

2）在0次或1次冻融循环条件下，室内成型的含有15% RAP料的混合料试件的劈裂强度明显高于现场成型的试件，3次冻融循环条件下却与它们类似；

3）室内成型的含有50%RAP料的混合料试件的劈裂强度与现场成型的试件的强度类似，但是室内成型的用PG58-28沥青拌合的试件在不浸水条件下的劈裂强度高于现场成型的试件，室内成型的用PG52-34沥青拌合的试件在3次冻融循环条件下的劈裂强度低于现场成型的试件。

总之，室内试验结果可以大致用来评估厂拌混合料的水稳定性。对室内成型试件的劈裂强度进行排序，其顺序与对现场成型的试件的劈裂强度排序基本相似。

4　结语

本文研究了最高达到50%RAP料的厂拌和室内拌合成型试件的性能，其中，用先进的技术评价了含高掺量RAP料的混合料的水稳定性。本文的主要结论如下：

1）多重冻融循环条件是评价混合料的水稳定性更好的方法。

2）多重冻融循环条件下的试验结果表明：使用50%RAP料的混合料的水稳定性并没有明显减小。

3）室内成型的试件的劈裂强度比现场成型的试件的劈裂强度高或相似。

综上所述，含有50%RAP料的热拌沥青混合料有可以令人接受的水稳定性，当使用较软的沥青PG52-34沥青时，其水稳定性更好。需要继续研究PG52-34沥青与RAP料作用下的水稳定性更好的一致性。本文的试验结果也表明室内成型的试件的水稳定性能可以用来预估现场混合料的相关性能。但至于是否可用室内成型试件的其他性能来预估现场混合料的相关性能呢，还有待进一步研究。

【1】查旭东，闵斌.RAP掺量对热再生沥青混合料性能影响分析[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2013（4）：1-8.

【2】王勋.高比例RAP厂拌热再生沥青混合料微观激励与性能实验研究[D].广州：华南理工大学，2014.

【3】李伟.50%掺量RAP面层沥青混合料性能研究[J].湖南交通科技，2015（3）：25-50.

Performance Evaluation of Highway Asphalt M ixtures w ith High Recycled Asphalt Pavement Content

LIU Hui-jun
（Shijiazhuang TrafficSurveyand Design Institute,Shijiazhuang 050000,China）

This study extensively evaluated the resistance to moisture damage of hot-m ixasphalt(HMA)mixtures w ith high recycledasphaltpavement(RAP)content(up to50%).A comparisonbetween thepropertiesand performanceof thefield-producedand laboratory-producedm ixtureswasalso conductedandwasincluded in thisstudy.HMAm ixtureswith50%RAP resultedinacceptable resistance to moisture damage.Theuse of multiple freeze-thaw cycles provided a better characterization ofthe m ixtures'resistance to moisturedamage.Overall,laboratory-producedm ixturescouldbeused toevaluatetherelativeresistanceofthe field-producedm ixtures tomoisturedamage.

high recycledasphaltpavement;hot-m ixasphalt;moisturedamage

U414

A

1007-9467（2016）11-0140-04

刘慧军（1972～）,男，河北石家庄人，高级工程师，从事道路桥梁设计与研究。

2016-05-05