基于SCB试验高RAP掺量热再生混合料低温抗裂性能研究

张 艳，周军伟

(1.云南交通职业技术学院， 云南 昆明 650501； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710068)

基于SCB试验高RAP掺量热再生混合料低温抗裂性能研究

张 艳1，周军伟2

(1.云南交通职业技术学院， 云南 昆明 650501； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710068)

为研究高RAP掺量热再生混合料的低温抗裂性，提高RAP的利用率，通过低温SCB试验研究了30%、40%、50%掺量下热再生混凝土的低温抗裂性，采用断裂能、弯拉应变等多指标评价方法研究热再生混合料的低温性能，同时与低温弯曲试验进行了对比。试验结果表明：增大RAP掺量，热再生混合料低温抗裂性和低温抗疲劳开裂性能均降低，尤其是RAP掺量超过40%后热再生混合料低温性能显著降低，建议采用低温SCB试验评价热再生混合料的低温抗裂性，同时可采用橡胶粉和聚酯纤维来改善热再生混合料低温抗裂性，推荐了适宜的橡胶粉掺量为8%，最佳聚酯纤维掺量为3%。

道路工程； 热再生混合料； 低温抗裂性； 低温疲劳开裂性能

0 引言

“十二五”发展规划确立了我国控制温室气体排放行动目标(即2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%)，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，要求全国公路养护废旧路面材料循环利用率达到40%，国省干线公路废旧路面材料循环利用率达到70%；高速公路废旧路面材料循环利用率达到100%，废旧沥青路面材料的再生利用将会成为公路建设走可持续发展绿色公路的必由之路，其中沥青路面热再生技术凭借其不可替代的技术优势而备受关注[1-4]。但从国内外沥青路面热再生沥青混凝土研究现状来看，沥青路面回收料RAP回收利用率低(JTG F41 — 2008规定RAP掺量不宜超过30%)和热再生混合料抗裂性能差(低温抗裂性和抗疲劳开裂性能)是制约提高厂拌热再生混合料适用性的主要技术瓶颈[5-8]。现场钻芯调查结果也表明，低温开裂是沥青路面热再生混凝土路面破坏的主要形式，低温抗裂性能和抗疲劳开裂性能不足严重影响了热再生混合料的使用寿命，制约着RAP的回收利用率，同时限制了热再生混合料只能用于高速公路中、下面层。目前国内外主要通过降低RAP掺量、改善集料或沥青品质来减小老化沥青对热再生混合料路用性能的影响，或通过级配优化设计来提高热再生混合料密实程度，同时发挥集料嵌锁作用[1,5-7]。值得注意的是，目前关于沥青路面热再生混凝土低温方面的研究，所选用的试验方法多为低温小梁弯曲试验(-10 ℃，加载速率50 mm/min)，鲜见采用多指标评价方法研究热再生混合料的低温抗裂性，且国内外一些技术人员针对热再生混合料的改性技术开展了一系列研究，以解决热再生混凝土路面问题低温和疲劳开裂的性能，但效果不甚明显，热再生混合料低温抗裂性能逐渐成为人们关注的焦点。本文提出采用SCB试验评价热再生混合料的低温抗裂性，采用橡胶粉和聚酯纤维来提高热再生混合料的低温抗裂性和抗疲劳开裂性能，研究成果为热再生混合料在国内的推广应用提供借鉴。

1 原材料及配比

1.1 回收沥青路面材料 RAP及混合料合成级配

RAP取自大西阎高速公路中修工程现场，将铣刨料运回实验室后自然风干[9,10]，适当加热后采用离心抽提方法确定沥青用量为4.7%，旧沥青结合料性能见表1。

1.2 基质沥青

通常用于热再生混合料的结合料为90号或110号基质沥青，试验时根据新旧沥青调和法则确定新沥青标号，即采用lgPmix=alg(Pnew)+(1-a) lg(Pold)选择沥青标号，根据再生料中沥青的针入度Pold等于 33.7(0.1 mm)，假定新旧沥青100%融合，新沥青占总沥青的的比例a取0.7，则按此公式

表1 RAP试验检测结果及相关技术要求Table1 RAPtestresultsandrelatedtechnicalrequirements项目试验项目技术标准检测结果试验方法RAPRAP级配实测—JTGF41—2008附录ARAP中的沥青针入度/0．1mm>2033．1软化点/℃实测6610℃延度/cm实测5．5抽提法，《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》RAP中的粗集料针片状颗粒含量、压碎值实测20．6抽提法，《公路工程集料试验规程》

可得新沥青的针入度为96(0.1 mm)。进一步试验结果表明，RAP掺量超过40%时需要掺加3%再生剂进行双重再生。本文选择SK90号基质沥青，其主要技术指标检测结果见表2。

1.3 增柔性改性剂

本研究所用的B型再生剂由A — 90号新沥青与再生剂OP — 1100原液混合配制而成，经检测再生剂各项技术指标均满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41 — 2008)相关技术要求。选用的橡胶粉由子午橡胶轮胎磨制而成，胶粉细度为40目，参考已有研究成果[11]，橡胶粉掺量为2%、3%、4%(干法工艺添加，用量为混合料质量的百分比)。纤维采用工程中常用的聚酯纤维，掺量为2%、3%、4%(占混合料质量的百分比)[12]。

表2 SK90号基质沥青技术指标及要求Table2 SK90asphaltspecificationsandrequirements指标技术要求试验结果试验方法针入度(25℃，100g，5s)/0．1mm80～10084．6T0604针入度指数PI-1．5～+1．0-1．35T0604密度(15℃)/(g·cm-3实测值1．030T0603延度(5cm/min，10℃)/cm≥20>100T0605软化点(环球法)/℃≥4547．5T0606含蜡量(蒸馏法)%≤2．21．2T0615弹性恢复(25℃)/cm≥6597．7T066260℃动力粘度/Pas≥160162．8T0620 RTFOT后残留物质量损失/%±0．8-0．01T0609残留针入度比/%≥5768．1T0609、T0604残留延度(5℃)/cm≥810．7T0609、T0605

2 SBS改性热再生混合料配合比设计

本文旧料掺配比例为除去RAP中旧沥青之后，RAP中旧集料占旧集料加新集料综合的百分数，试验研究过程中所选用的粗集料为玄武岩碎石，细集料采用机制砂，矿粉由石灰岩磨制而成，经检测其各项技术指标均满足规范要求。根据RAP特性以及初拟的试验目的，确定RAP掺量为30%、40%、50%，采用工程中常用的AC — 16C试验级配[13]，通过添加新料来实现目标级配，不同RAP掺量AC — 16C型热再生混合料的工程级配范围见表3。

表3 不同RAP掺量AC—16C沥青混合料的合成级配Table3 AC—16CmixturesynthesisgradationwithdifferentdosageRAP筛孔尺寸(mm)级配0%RAP30%RAP40%RAP50%RAP规范上限规范下限191001001001001001001694．595．695．296．390．810013．284．585．485．685．476929．569．869．669．469．760804．7548．548．848．749．834622．3633．533．133．834．420481．1825．824．324．425．713360．616．315．116．816．69260．310．310．210．611．27180．158．67．38．79．55140．0757．26．86．25．948

按照《公路沥青路面施工规范》马歇尔法试验要求成型马歇尔试件，混合料拌合时RAP预热温度为110 ℃，以混合料拌合温度170 ℃确定新集料加热温度，不同RAP掺量热再生混合料的马歇尔试验结果见表4。

表4 不同RAP掺量AC—16C热再生混合料马歇尔试验结果Table4 AC—16ChotrecycledmixturesMarshalltestresultswithdifferentdosageRAPRAP掺量/%最佳油石比/%毛体积密度/(g·cm-3)空隙率/%VMA/%VFA/%稳定度/KN流值/mm04．632．4583．4913．7070．211．652．56304．522．4334．2013．5068．912．432．34404．382．4554．1313．4569．312．822．25504．302．4404．0513．1868．412．962．34

试验结果表明，热再生混合料的最佳油石比随RAP掺量增大而逐渐减少，30%、40%、50%RAP掺量下热再生混合料在最佳沥青含量条件下的体积和力学指标均满足规范要求。分析RAP掺量对马歇尔试验结果的影响，RAP材料经车辆荷载和环境作用后，其表面都被老化沥青裹附，相应的吸油能力下降，RAP掺量增大时其最佳沥青用量相应减少，此外，对于不同RAP掺量的热再生混合料其马歇尔试件毛体积密度、空隙率、VMA、VFA等体积指标变化趋势并不稳定，这与新旧料之间的融合程度有关。

3 热再生混合料低温抗裂性

国外大量研究成果指出，低温抗裂性能不足是制约厂拌热再生沥青混合料适用性的关键技术指标。现场钻芯调查结果表明[14]，低温开裂是热再生混合料早期破坏的主要形式，且微裂缝形状包括横向开裂、纵向开裂及这两种裂缝的组合，低温抗裂性能不足严重影响了热再生混合料的使用寿命。目前研究方法主要有温度应力试验、低温弯曲试验、蠕变试验、冻断试验、J积分试验等。但结合我国具体实际国情以及试验操作的方便性，本研究采用低温弯曲试验和SCB试验研究热再生混合料的低温抗裂性。

3.1 低温小梁弯曲试验

现行《沥青路面施工技术规范》采用低温小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性，以破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量作为评价指标，并按照应力应变曲线的形状来评价沥青混合料的低温抗裂性能，研究表明，混合料的低温性能不仅与低温变形能力有关，也和低温时的温度荷载大小有关，仅用单一的荷载指标或者变形指标无法全面反映沥青混合料的低温性能，而能量指标可以综合应力和应变两个指标本项目结合实际条件[15]。试验时采用破坏应变、破坏强度和破坏劲度模量，并结合低温弯曲破坏时的应变能，从而综合评价不同RAP掺量热再生沥青混合料的低温抗裂性。试验时按照JTG E20—2011中的要求轮碾法成型车辙板，试件尺寸为30 mm×35 mm×250 mm，试验温度为-10 ℃，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，处理数据计算公式见式(1)～式(3)，低温弯曲试验结果见图1。

(1)

(2)

(3)

式中，RB为试件破坏时的抗拉强度，MPa；Fmax为最大荷载，N；h、d、L分别为试件高、试件宽、跨径，mm；Wf为破坏应变能。

图1 不同RAP掺量热再生混合料低温弯曲试验结果Figure 1 Low temperature bending test results with different dosage RAP

低温弯曲试验结果表明， ①随着RAP掺量增大，热再生混合料低温最大弯拉应变和单位体积破坏应变均呈二次函数关系减小，不掺加RAP，基质沥青混合料弯拉应变2 957.2 με，满足规范严寒区弯拉应变大于2 600 με的技术指标要求，30%、40%、50%RAP掺量下热再生混合料的弯拉应变分别为2 655.54、2 278.33、1 999.87 με，可见RAP掺量超过40%后热再生混合料低温抗裂性显著降低； ②随着RAP掺量增大，热再生混合料抗弯拉强度和弯曲劲度模量均显著增大，再生料的增大增加了热再生混合料的刚性，表现出低温脆性，抗裂性能降低。

3.2 低温SCB试验

目前大部分研究仅采用低温弯曲试验评价热再生混合料低温抗裂性，评价方法单一，本文以低温SCB试验评价聚酯纤维与TPS复合沥青混合料的低温抗裂性。借鉴相关研究成果，将不同RAP掺量的热再生混合料成型为Φ152.4 mm，高95.3 mm马歇尔试件，并采用芬兰产双面锯取马歇尔试件中部50 mm厚的圆形试件，再将其从中间对称打开，即制得半圆弯曲试件。试验前将试件放在恒温环境箱中在-10 ℃下保温4 h，试验时采用单点加载方式，支点间距为SCB试件直径的0.8倍，即S=0.8D，加载速率为0.5 mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，计算公式见式(4)～式(6)，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果如表5所示。

(4)

(5)

(6)

式中，σmax为抗拉强度，MPa；Fmax为最大荷载，N；D为试件直径，mm；t为试件厚度，mm；A为荷载-跨中扰度下的面积；X为随时竖向位移；y为X荷载作用下的位移。

表5 不同RAP掺量热再生混合料低温SCB试验结果Table5 HotrecycledasphaltmixtureSCBtestresultswithdifferentdosageRAPRAP掺量/%弯拉强度/MPa弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa曲线下面积/(kN·mm-1)断裂应变能/(kJ·m-3)010．983048．23602．136．73629．553011．332718．714167．425．43827．854011．782493．724723．874．19824．685012．161995．226094．573．21422．58

-10 ℃SCB试验结果表明， ①与低温弯曲试验结果相类似，随着RAP掺量增大热再生混合料抗弯拉强度增大，弯曲应变能呈二次函数关系减小，劲度模量随RAP掺量的增大而增大，尤其是 RAP掺量超过30%后，热再生混合料的低温抗裂性能显著降低，低温抗裂性是制约热再生混合料RAP掺量的主要因素，要提高RAP掺量需采用提高热再生混合料低温抗裂性的措施； ②与低温弯曲试验相比，低温SCB试验的断裂能和破坏应变指标均能较好地反映出热再生混合料的低温抗裂性能，两种试验结果表现出了同样的变化规律，即“随着RAP掺量的增大，热再生混合低温抗裂性降低”,以此判断，热再生混合料的RAP掺量不宜超过30%，此外SCB试件制作简单，试验数据离散型小，可作为热再生混合料低温抗裂性的评价指标，可采用断裂能指标作为其评判标准。

4 低温预切口SCB疲劳试验

预切口SCB试验是在半圆弯曲试件底部切割宽度2 mm，深2 mm预留切口，以模拟裂缝已经产生并继续开展时热再生混合料的低温抗疲劳性能，疲劳试验温度为0 ℃，加载频率为10 Hz，为了加快试验进度正弦波之间不插入间歇时间。加载模式为控制应变方式，应力水平为0.1、0.2、0.3、0.4，评价次数为疲劳次数，试验结果见图2。

图2 低温预切口SCB疲劳试验拟合结果Figure 2 Low temperature pre-incision SCB fitting fatigue test results

切口SCB试验表征了热再生混合料抵抗裂缝发展的能力，图2低温预切口SCB疲劳试验拟合结果表明， RAP掺量由0%增加到50%，改性沥青混合料疲劳曲线双对数拟合结果，K值依次减小，n值依次增大，相比热拌沥青混合料，随着RAP掺量越大，K值减小，尤其是RAP掺量达到50%后，疲劳曲线截距和拟合曲线斜率显著减小。分析其主要原因可能是：RAP中旧沥青硬度介于旧集料和新沥青之间，或在新旧沥青融合过程中部完全融合仍包裹在旧集料表面，当荷载作用于热再生混合料时，由于存在旧沥青，在矿料与新沥青之间就存在着一个应力缓冲层，应力缓冲层的存在起到了缓冲、卸荷的作用，这有利于提高热再生混合料的疲劳寿命，此外， RAP中旧沥青虽然起着缓冲荷载作用，但是这部分沥青的粘弹性很大，脆性很大。当荷载变化时，其受到的影响要比新沥青大，内部的微裂缝也相应的会多一些，尤其在低温条件下老化沥青对热再生混合料抗疲劳性能的贡献能力要小于其低温脆性所带来的不利影响，由于热再生混合料内部存在缺陷或者新旧集料分布不均匀，在荷载作用下会因为应力集中而引起应变能的聚积，从而引起微裂缝的产生，在荷载的重复作用下，裂缝会进一步扩展，使结构受力面减小，RAP掺量大的沥青混合料会更易出现破坏。

5 热再生混合料低温抗裂性改善措施研究

参考国内常用的提高热拌沥青混合料低温抗裂性措施，通过掺加橡胶粉，掺量为2%、3%、4%(干法工艺添加，用量为混合料质量的百分比)，聚酯纤维掺量为4%、6%、8%、10%(占混合料质量的百分比)。试验选择50%RAP热再生混合料，按照马歇尔法确定2%、3%、4%橡胶粉掺量下热再生混合料的最佳油石比为4.55%、4.62%、4.71%， 2%、3%、4%聚酯纤维掺量下50%RAP热再生混合料的最佳油石比为4.60%、4.65%、4.73%。采用低温SCB试验评价橡胶粉和聚酯纤维掺量对热再生混合料低温抗裂性的改善效果，试验结果见图3。

图3 改性后热再生混合料低温疲劳拟合结果Figure 3 Hot recycled mixturet low temperaturefatigue fitting results after modified

疲劳试验结果表明：掺加橡胶粉和聚酯纤维后均可显著改善热再生混合料的低温抗疲劳性能，随着橡胶粉掺量增大，橡胶粉改性热再生混合料的疲劳试验双对数拟合曲线截距K呈先增大后减小的变化趋势，曲线斜率n值呈先减小后增大的变化趋势，橡胶粉掺量为8%时热再生混合料抗疲劳性能最好；与橡胶粉改性热再生混合料相类似，随着纤维掺量的增大纤维改性热再生混合料低温抗疲劳性能呈先提高后降低的变化趋势，3%聚酯纤维掺量时热再生混合料抗疲劳性能最佳。此外，相同应力水平，聚酯纤维对热再生混合料的低温疲劳性能的改性效果明显优于橡胶粉。橡胶颗粒对热再生混合料的改性机理在于其与热再生混合料共混体系通过银纹作用显著提高了混凝土的柔性性能，而聚酯纤维加入到热再生混合料中起到增粘作用、吸附稳定以及加筋作用，增大了沥青胶浆对集料的约束力形成的结构沥青和纤维网共同作用，进而大大改善了热再生混合料的柔韧性[16]。

6 结论

① 随RAP增大，热再生混合料低温抗裂性降低，尤其是RAP掺量超过40%后热再生混合料低温性能显著降低，此外，增大RAP掺量，热再生混合料低温疲劳性能降低，尤其是RAP掺量达到40%后，疲劳曲线截距和拟合曲线斜率显著减小，从疲劳耐久性考虑，热再生混合料的最大RAP掺量不宜超过40%。

② 低温弯曲试验与低温SCB两种试验方法表现出了相同的变化规律，即热再生混合料低温性能随着再生料掺量的增加而减小，且SCB试验制作方便，数据离散性小，建议采用SCB试验评价热再生混合料的低温抗裂性。

③ 掺加橡胶颗粒和聚酯纤维后，热再生混凝土的柔性和韧性有显著的改善，低温抗疲劳性能提高，推荐适宜的橡胶粉掺量为8%，最佳聚酯纤维掺量为3%。

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Study on Cracking Resistance of High RAP Content Hot Recycled Mixture Based on SCB Test

ZHANG Yan1， ZHOU Jun wei2

(1.Yunnan Traffic Vocational and Technical College, Kunming, Yunnan 650501, China; 2.Key Laboratory of Special Area Highway Engineering of the Ministry of Education, Chang’an University， Xi’an, Shanxi 710068, China)

In order to study the low-temperature crack resistance of high RAP content hot recycled mixture, improve the utilization of RAP. Through SCB test studied the low temperature crack resistance of hot recycled concrete with 30%, 40%, 50%RAP dosage, The fracture energy and flexural strain of multi-index evaluation method research hot recycled mixture performance at low temperature, low temperature bending test were compared, at the same time. results show that ：increasing the dosage of RAP, low temperature crack resistance and hot recycled mixture fatigue cracking resistance at low temperature were lower, especially RAP content more than 40% after low temperature hot recycled mixture performance is significantly reduced, proposal using low-temperature SCB test evaluation the low temperature crack resistance of hot recycled mixture, rubber powder and polyester fiber can be used to improve the low temperature crack resistance of hot recycled mixture, recommend the suitable rubber powder content is 8%, the best dosage of polyester fiber is 3%.

road engineering； hot recycled mixture； low temperature crack resistance； low-temperature fatigue cracking； fatigue cracking resistance

2015 — 04 — 22

国家自然科学基金项目(51305099)

张 艳(1984 — )，女，江苏常州人，硕士研究生，副教授,工程师，从事公路专业教学方面。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0112 — 05