高RAP掺量SBS改性沥青泡沫温拌再生混合料配合比设计及耐久性能评价

张 智

(青海民族大学 建筑工程学院， 青海 西宁 810007)

高RAP掺量SBS改性沥青泡沫温拌再生混合料配合比设计及耐久性能评价

张 智

(青海民族大学 建筑工程学院， 青海 西宁 810007)

采用变温度马歇尔击实试验确定了泡沫温拌沥青混合料的最佳拌合、击实温度，针对泡沫温拌再生混合料低温性能和水稳定性较差的缺陷，基于马歇尔试验、冻融循环试验、四分点加载控制应变疲劳试验和分析了木质素纤维、聚酯纤维和硅藻土对泡沫温拌再生混合料耐久性的影响，并铺筑了试验段。研究结果表明，采用泡沫温拌技术是提高RAP掺量的有效技术途径，推荐采用“等空隙率法”确定泡沫温拌沥青拌合、击实温度；掺加木质素纤维、聚酯纤维和硅藻土均可解决泡沫温拌再生混合料低温性能不足和水稳定性较差的缺陷，3种外掺剂对泡沫温拌沥青混合料水稳定性的改善效果排序依次是硅藻土>聚酯纤维>木质素纤维，抗疲劳寿命改善效果依次是聚酯纤维>木质素纤维>硅藻土，掺加3.5%聚酯纤维可使泡沫温拌再生混合料的疲劳寿命提高50%以上。工程实践表明，纤维泡沫温拌再生混合料增大了温再生混合料的RAP掺配比例，延长了温再生混凝土道路的使用寿命，经济、环境效益显著。

道路工程； 泡沫温拌再生混合料； 配合比设计； 路用性能； 耐久性

0 引言

温拌再生沥青混合料(Warm-Recycled Asphalt Mixture，WRAM)是一种新兴的绿色环保型道路材料，其不仅拌合与压实温度相对较低、能源消耗和温室气体排放相对较小，还可在新混合料中掺加一定比例的回收沥青路面材料，既减少了集料开采、低碳环保，又减轻沥青老化、延长施工季节、节能减排[1-4]。徐剑等人研究了温拌再生混凝土的新旧料融合特性，认为采用温拌技术是实现高RAP掺量的必然途径；北京建筑大学、同济大学、长安大学等研究了不同RAP掺量的表面活性剂类温拌再生混合料的路用性能[8-11]，并将其与热再生混合料和热拌沥青混合料的路用性能进行了对比研究，所得结果大致相同，温拌再生沥青混合料的路用性能比相同RAP掺量的热再生混合料路用性能稍差，但能满足现行施工规范路用性能的要求。值得注意的是目前研究采用的RAP掺量一般不超过30%。秦炜等人研究了RAP掺量对温拌沥青混合料路用性能和疲劳性能的影响[12]，试验结果表明，随着RAP掺量增大，再生混合料高温稳定性提高，而低温抗裂性和抗疲劳耐久性随RAP掺量增大而降低，低温抗裂性是制约增大RAP掺量的技术瓶颈。总结已有研究成果可以发现，国际上已较多的开展了泡沫温拌沥青混合料和部分泡沫温拌沥青混合料路用性能方面研究，研究采用的RAP掺量一般不超过30%，且较少涉及温拌泡沫沥青混合料耐久性方面的研究，由于泡沫温拌沥青混合料尚属于新兴材料，在国内应用才刚起步，其耐久性和长期使用性能仍有待探讨，本文基于室内试验和试验路铺筑系统研究了高比例RAP掺量泡沫温拌沥青混合料的配合比设计方法、路用性能和长期使用性能，并将其与热再生及热拌沥青混合料进行了对比，研究结果可为泡沫温拌沥青混合料在国内的推广应用提供借鉴。

1 泡沫温拌SBS改性沥青混合料配合比设计

1.1 原材料性能检测

试验采用实体工程选用的SBS改性沥青(I — C, SBS掺量为4.0%)，SBS技术性能满足规范要求。采用维特根WLB 110S泡沫沥青发泡装置生产泡沫沥青，试验时变化165、170、175、180 ℃共4组发泡温度，每个发泡温度变化3个发泡用水量，总共12组试验，确定SBS改性沥青的最佳发泡温度为175 ℃，最佳发泡用水量为2%，最佳发泡条件下的泡沫沥青半衰期为18 s，膨胀率为25(倍)，满足规范膨胀率不小于10倍，半衰期不小于8 s的技术要求。试验采用的RAP取自山西某高速公路大中修现场，采用燃烧法确定RAP沥青含量为5.4%，为了恢复老化沥青部分性能，试验时添加了6%芳烃油再生剂，RAP各项指标均满足规范要求。

1.2 确定RAP掺量及混合料级配

本文确定RAP掺量为40%，探讨将高RAP掺量泡沫温再生混合料用于高速公路上面层的可行性。根据RAP、新集料筛分试验结果。根据新旧集料筛分试验结果，以RAP掺量为40%和混合料合成级配接近AC — 16规范中值为目标，确定AC — 16C温拌再生混合料的合成级配见图1。

图1 AC — 16C级配曲线Figure 1 AC — 16C grading curve

1.3 确定SBS泡沫温拌再生混合料拌合、压实温度

JTGF40 — 2004根据沥青的黏温曲线确定沥青混合料的摊铺碾压温度，由于泡沫沥青的发泡时间短，消泡后于基质沥青无异，对于泡沫温拌沥青混合料该“黏温曲线法”显然不适用，本文采用“等空隙率法”确定泡沫温拌沥青混合料的拌合、压实温度。所谓的等空隙率法，就是变化马歇尔试件击实温度，成型试件，通过比较在不同温度下压实成型的温拌沥青混合料与SBS热拌沥青混合料的空隙率，以4%等空隙率为原则，从而确定泡沫温拌量沥青混合料拌合压实温度的试验方法。具体试验步骤如下： ①为了避免因RAP预热温度过高所导致的RAP碳化、送料通道堵塞等问题，结合实体工程采用的RAP预热温度，确定RAP加热温度为120 ℃。按照经验法预估最佳沥青用量，变化新集料加热温度从而控制马歇尔试件击实温度，在120、130、140、150、160、170 ℃温度下按照马歇尔击实试验分别成型热拌与泡沫温拌沥青混合料； ②实测不同成型温度下的马歇尔试件毛体积密度和理论最大密度，计算泡沫温拌沥青混合料的空隙率； ③绘制不同成型温度下温拌泡沫沥青混合料马歇尔试件“空隙率 — 温度曲线”，并进行统计拟合，以相关系数R2大于0.95为基准，剔除数据离散点，对异常数据点重新成型该试验温度下的马歇尔； ④以横坐标马氏4%空隙率反算得到泡沫温拌沥青混合料的拌和、压实温度。

按上述方法试验测得不同泡沫温拌沥青混合料空隙率 — 温度曲线，结果见图2: 由图2可知: 以目标空隙率4%为控制标准，热拌SBS改性沥青混合料马歇尔击实温度为169 ℃，40%RAP热再生混合料马歇尔击实温度为176 ℃，SBS泡沫温拌再生沥青混合料马歇尔击实温度为142 ℃，相比SBS热拌合沥青混合料和SBS改性热再生混合料，泡沫温拌沥青混合料击实温度分别下降27、34 ℃，节能减排效果明显。泡沫温拌沥青混合料具有较好的压实特性，而热再生混合料施工和易性最差，这主要是RAP中老化沥青导致新旧沥青融合后黏度较大的原因。

图2 沥青混合击实温度 — 空隙率曲线Figure 2 Asphalt mixture compaction temperature and the void curve

1.4 马歇尔试验

按照JTG F41 — 2008的要求，采用“修正马歇尔法”进行温拌再生混合料的配合比设计。按照普通SBS改性沥青混合料试验流程以马歇尔体积参数和性能指标确定SBS泡沫温拌再生混合料的最佳沥青用量，试验结果见表1。表1试验结果表明: SBS泡沫温拌再生沥青混合料的各项体积指标和力学指标与热再生混合料相差不大，均满足现行施工规范要求，这也验证了本文“等空隙率法”所确定的拌合、击实温度试验方法是合理可信的。热再生和温拌再生混合料的最佳沥青用量小于SBS改性沥青混合料，这主要是RAP加热后，在再生剂作用下老化沥青软化，新旧料融合后老化沥青部分性能恢复的原因，老化沥青与新沥青用量之和远大于热拌沥青混合料的最佳沥青用量，这也说明热再生混合料中的新旧沥青并非完全融合。

表1 马歇尔试验结果Table1 Marshalltestresults混合料类型油石比/%空隙率/%矿料间隙率/%沥青饱和度/%马歇尔稳定度/kN40%RHMA42140143755107440%WRAM42640147756929HMA475401417681164

2 配合比设计检验

按照JTG F40 — 2004的要求，采用60 ℃车辙试验、-10 ℃低温弯曲试验、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验分别检验最佳体积参数下热再生、泡沫温拌再生和SBS改性沥青混合料的高、低温性能和水稳定性。试验方法严格按照JTG E20 — 2011执行，配合比设计路用性能检验结果见图3，表2和表3。

图3 车辙试验结果Figure 3 Rutting test result

图3、表2和表3路用性能试验结果表明: ①RHMA、WRAM、HMA3种沥青混合料的车辙试验动稳定度均可达到4000次/mm以上，远大于规范3000次/mm的高温稳定性要求，高温稳定性优劣排序是HMA>RHMA>WRAM，其中温拌再生和热再生混合料的高温稳定性差别不大，可见泡沫温拌再生混合料具有优良的高温稳定性。②沥青混合料的低温性能不仅与承受破坏荷载的能力有关，也与低温条件下释放荷载、应力松弛能力有关，以抗弯拉强度和破坏应变综合评价3种沥青混合料的低温性能，SBS改性沥青混合料的最好，泡沫温拌再生混合料的最差，40%RAP热再生混合料和SBS改性沥青混合料的-10 ℃弯曲应变大于3 000με，热再生混合料的低温性能稍差于SBS改性沥青混合料，泡沫温拌沥青混合料的低温性能最差，将温拌泡沫沥青冷再生混合料用于冬严寒区需要采取提高其低温性能的措施。 ③相比SBS改性沥青混合料，掺加40%再生料后热再生和泡沫温拌再生混合料的冻融劈裂强度比和马歇尔稳定度均大幅度下降，勉强满足规范马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比大于80%的要求。④综合对比车辙、-10 ℃低温弯曲、冻融劈裂和浸水马歇尔试验，SBS改性沥青混合料的综合路用性能最好，泡沫温拌再生混合料的综合路用性能最差，分析其原因，RAP材料的强度不如新集料，且RAP表面已被老化沥青砂浆包裹，加热后即使在再生剂作用下老化沥青砂浆也不可能完全恢复到新沥青的性能，而老化沥青性能被还原程度的程度主要取决于加热温度和再生剂的再生作用，此外，RAP表面被老化砂浆包裹，RAP集料表面纹理被老化沥青填充，新沥青几乎不可能在旧集料表面形成沥青膜，再加上新旧料融合程度不均匀、新旧料离析等因素导致新 — 旧料接触界面、旧料 — 新沥青界面成为泡沫温拌再生和热再生混合料内部的接触薄弱面，进而影响混合料的综合路用性能，尤其是低温性能。

表2 低温小梁弯曲试验Table2 Lowtemperaturebendingtestresults混合料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa规范要求40%RHMA10．763256．793303．8740%WRAM10．262615．313923．05弯拉应变≥2800μεHMA11．743631．943232．43

表3 水稳定性试验结果Table3 Waterstabilitytestresults混合料类型浸水马歇尔试验冻融劈裂试验MS/kNMS1/kNMS0/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%40%RHMA10749168531179103087440%WRAM92975481211160929832HMA1164112196311641099944

3 添加外掺剂的泡沫温拌沥青混合料性能

低温开裂是我国冬严寒区沥青混路面的主要破坏形式之一，国内大量学者研究表明，低温抗裂性不足是制约热再生混合料增大RAP掺量及高RAP掺量热再生混合料推广应用的主要技术瓶颈，为了能够在全国大范围内推广泡沫温拌沥青混合料，本文重点关注了掺加纤维、硅藻土的泡沫温拌沥青混合料耐久性问题。试验选用木质素纤维、聚酯纤维、硅藻土3种外掺剂，经检测3种改性剂原材料技术性能均满足规范要求，确定木质素、聚酯纤维的掺量均为3.5%(占集料质量的百分比)、硅藻土13%(占沥青质量的百分比)。采用马歇尔法确定掺加3种外掺剂后40%RAP泡沫温拌再生混合料的最佳沥青，试验结果见表4。

表4 掺加不同添加剂泡沫温再生混合料最佳沥青用量Table4 WarmrecycledmixtureOACwithdifferentadditives混合料类型添加剂类型掺加方式最佳掺配比例/%最佳沥青用量/%无426木质素纤维干法 03547540%RAP泡沫温拌AC—16C聚酯纤维干法 035456硅藻土干法13 448

3.1 低温性能

-10 ℃低温弯曲试验时我国确定沥青混合料低温性能的标准试验，规程JTG E20-2011制备低温弯曲试件并进行试验，掺加添加剂后泡沫温拌沥青混合料的低温性能试验结果见图4。

图4 低温性能试验结果Figure 4 Low temperature performance test results

图4试验结果表明: 掺加木质素纤维、聚酯纤维和硅藻土后泡沫温拌沥青混合料的低温抗破坏强度和弯拉应变均显著增大，掺加木质素纤维、聚酯纤维和硅藻土3种外掺剂的泡沫温拌沥青混合料弯曲应变3318.54、3609.83、3409.45 με，满足规范大于2800 με的要求，掺加外掺剂是提高泡沫温拌沥青混合料低温性能的有效途径。

3.2 水稳定性

《公路沥青路面施工技术规范》采用冻融1次后的劈裂强度比评价沥青混合料的水稳定性，然而沥青路面在设计年限内所承受的冻融作用更加恶劣，为此本文采用多次冻融循环后的劈裂强度和劈裂强度比评价泡沫温拌再生混合料的水稳定性，每一次冻融循环试验试验方法严格按照JTG E20 — 2011的要求执行，5次冻融循环后掺加3种外掺剂的温拌再生混合料的劈裂试验结果见图5。

图5 冻融循环试验结果Figure 5 Freeze-thaw cycle test results

图5试验结果表明: 掺加外掺剂能显著增大泡沫温拌沥青混合料的劈裂强度，经5次冻融循环后泡沫温拌沥青混合料的冻融劈裂强度比下降至62%，掺加3种外掺剂的泡沫温拌沥青混合料冻融劈裂强度比仍大于75%，冻融循环过程中掺加3种添加剂的泡沫温拌混合料冻融后劈裂强度和冻融劈裂强度比衰变斜率均较小，可见掺加木质素纤维、聚酯纤维和硅藻土都可改善泡沫温拌沥青混合料的水稳定性。以经历5次冻融循环后的劈裂强度和冻融劈裂强度比综合评价沥青混合料的水稳定性，3种外掺剂对泡沫温拌沥青混合料水稳定性的改善效果排序依次是硅藻土>聚酯纤维>木质素纤维，工程实践中建议在冬严寒地区优先选用硅藻土来改善泡沫温拌沥青混合料的水稳定性。

3.3 抗疲劳耐久性

本文采用四点弯曲控制应变疲劳试验研究掺加木质素纤维、聚酯纤维、硅藻土3种外掺剂后泡沫温拌沥青混合料的抗疲劳耐久性。试验温度为15 ℃，采用控制应变加载模式，应变水平为200、300、400、500 με，疲劳试验结果见表5。

表5 疲劳试验结果Table5 Fatiguetestresults次应变水平/με外掺剂种类无木质素纤维聚酯纤维硅藻土200248546783431307237179928319411783006882484100454921045939893748954001083783177853119739381462917500386845520682573810434410

表6试验结果表明: 掺入木质素、聚酯纤维、硅藻土均能显著改善泡沫温拌再生混合料的抗疲劳性能，尤其是掺加木质素和聚酯纤维后疲劳寿命增幅更加明显。各应变水平下，疲劳寿命由大到小依次是：聚酯纤维>木质素纤维>硅藻土，掺加3.5%聚酯纤维可使泡沫温拌再生混合料的疲劳寿命提高50%，交通量繁重路段可选择掺加聚酯纤维提高泡沫温拌再生混凝土来提高路面的抗疲劳性能。

4 试验路铺筑及试验检测

为积累泡沫温拌再生混凝土路面成套铺筑技术经验，项目组于2013年5月在江西某高速公路大中修工程中开展了掺加聚酯纤维的SBS泡沫温拌再生混合料试验路铺筑，试验段长度约2 km，为双向四车道高速公路，行车道和硬路肩上面层均采用5 cm厚厂拌SBS泡沫温拌再生AC — 16C，RAP掺量为40%，聚酯纤维掺量为3.5%。工程实践证明，相比SBS改性热再生混合料，40%RAP掺量的泡沫温拌再生混合料每t可节约成本约215元，旧沥青路面回收料再生利用减少了集料开采对自然环境的破坏，环境效益显著。铺筑完成后试验段空隙率、渗水系数、构造深度、平整度等指标均满足施工规范的要求，通过长达5 a的跟踪检测，40%RAP掺量的纤维泡沫温再生试验段路面目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，与SBS改性沥青混合料路面状况无异，可见采用纤维泡沫温拌再生混合料增大了RAP掺配比例，延长了温再生混凝土道路的使用寿命，经济和环境效益显著。

5 结论

① 采用泡沫温拌技术是提高RAP掺量的有效技术途径之一，推荐采用“等空隙率法”确定泡沫温拌沥青拌合、击实温度。相比SBS热拌沥青混合料和SBS改性热再生混合料，泡沫温拌沥青混合料击实温度分别下降了27 ℃、34 ℃，节能减排效果明显。

② 低温抗裂性不足是泡沫温拌沥青混合料的主要技术缺陷，工程实践中应该采取提高沥青混合料低温性能和水稳定性的措施。掺加木质素纤维、聚酯纤维和硅藻土3种外掺剂后泡沫温拌沥青混合料弯曲应变3318.54、3609.83、3409.45 με，满足规范大于2800 με的要求，添加外掺剂是提高泡沫温拌沥青混合料低温性能的有效途径。掺加木质素纤维、聚酯纤维和硅藻土均可改善泡沫温拌沥青混合料的水稳定性，3种外掺剂对泡沫温拌沥青混合料水稳定性的改善效果排序依次是硅藻土>聚酯纤维>木质素纤维，工程实践中建议在冬严寒地区优先选用硅藻土来改善泡沫温拌沥青混合料的水稳定性。各应变水平下，疲劳寿命由大到小依次是：聚酯纤维>木质素纤维>硅藻土，掺加3.5%聚酯纤维可使泡沫温拌再生混合料的疲劳寿命提高50%。

③ 相比SBS改性沥青混合料，40%RAP掺量的泡沫温拌再生混合料每t可节约成本约215元，采用纤维泡沫温拌再生混合料增大了RAP掺配比例，延长了温再生混凝土道路的使用寿命，经济和环境效益显著。

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Study on Design Method and Durability of SBS Modified Asphalt Foamed Warm Reclaimed Mixture with High RAP Content

ZHANG Zhi

(Construction Engineering College, Qinghai University for Nationalities, Xi’ning, Qinghai 810007, China)

this article With variable temperature Marshall compaction test to determine the best mix warm foam mix asphalt, and compaction temperatures for warm mix foam regeneration of poor performance and water mix at low temperature stability defect, based on Marshall test, freeze-thaw cycle test, a quarter-point loading control strain fatigue testing and analysis of the lignin fibers, polyester fibers and diatomaceous earth warm foam mix recycling mixture durability impact and paving the test section. The results show that the use of warm mix technology bubble RAP is to improve the content of the effective technology way, recommended "and porosity Law" to determine the bubble warm mix asphalt mixing, compaction temperature; adding lignin fibers, polyester fibers and silicon diatomaceous earth may be insufficient to solve the foam mixture warm mix of renewable and low temperature performance and poor water stability defect, three kinds of admixture of warm mix asphalt foam effect of improving the stability of the sort of water followed by diatomaceous earth> polyester fiber> lignin fibers, the effect of improving fatigue life followed polyester>lignin fibers> diatomite, adding 3.5% polyester fibers make warm mix of renewable foam mixture fatigue life of more than 50 percent. Engineering practice shows that the fiber-foam mixture warm mix of renewable increased RAP blending ratio of temperature regeneration mixture, extending the life of the road recycled concrete temperature, significant economic and environmental benefits.

road engineering； foam asphalt warm recycled mixture； mix design； road performance； durability

2016 — 09 — 08

江西省自然基金项目(14JK560)

张 智(1971-)，男，青海湟中人，高级工程师，主要研究领域为土木工程。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0150 — 05