厂拌热再生沥青混合料低温抗裂与水稳定性研究*

2017-04-20朱建勇何兆益陈先勇

重庆交通大学学报(自然科学版) 2017年4期

陈龙，朱建勇，何兆益，程永，陈先勇

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074； 3.贵州融达公路桥梁工程有限责任公司，贵州毕节 551700；4.重庆重交沥青砼股份有限公司，重庆 400074)

陈龙1，朱建勇2，何兆益1，程永3，陈先勇4

基于室内试验测定了回收沥青面层材料中旧沥青、旧集料，新加沥青、新加集料及再生剂的各项性能指标；通过马歇尔试验确定了不同类型再生沥青混合料(AC-16C和AC-13)的最佳沥青用量。通过低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验，分析了不同旧料掺配比例、不同旧料类型、是否添加再生剂及二次老化前后混合料的低温抗裂性与水稳定性。结果表明：再生沥青混合料随旧料掺配比例的增加低温性能逐渐变差；短期水损害对其稳定性影响不大，但抵抗长期水损破坏的能力却大幅下降；旧料类型对再生沥青混合料性能的影响关联不大；添加7%～9%掺量的再生剂对其低温抗裂与水稳定性能的改善效果优于10%掺配比的再生混合料，基本接近新拌沥青混合料；二次老化后再生沥青混合料低温抗裂性能下降较快，虽仍可抵御短期水损害，但对其长期水稳定性影响较大，建议添加一定比例的再生剂。AC-13型再生沥青混合料抵抗低温开裂与水损破坏的能力相比于AC-16C型级配更强，更适合做上面层。

道路工程；厂拌热再生；再生剂；小梁低温弯曲；冻融劈裂；二次老化

再生沥青混合料路用性能的优劣是其大规模推广应用的前提之一。厂拌热再生以其适用性广、计量精确、操作灵活、施工质量能够得到保证等一系列优点，在美欧等发达国家是使用最为普遍且重点研究的沥青路面再生方式[1-2]。室内研究与工程实践均表明：厂拌热再生沥青混合料的高温稳定性能普遍能够满足，但其低温抗裂性与水稳定性受旧料掺配比例、旧料类型、再生剂以及二次老化等因素的影响，再生路面常常出现低温开裂及水稳定性不足的问题，大大降低了再生路面的使用寿命。

笔者的研究基于重庆市科技攻关项目“废旧沥青混合料循环热再生关键技术及应用研究”，对不同类型厂拌热再生沥青混合料的低温抗裂与水稳定性进行系统的研究，分析在不同旧料掺配比例、不同旧料类型、是否添加再生剂以及二次老化前后混合料的低温抗裂与水稳定性，从而为沥青路面再生技术的推广应用提供指导[3]。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料性能

1.1.1 沥青

本实验所用RAP料取自渝长路中面层(旧沥青为70#基质沥青)和江北路上面层(旧沥青为SBS改性沥青)，分别定义为RAP-A和RAP-B；新添加沥青分别采用AH-70#基质沥青及SBS I-C型改性沥青。严格按照JTG F20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[4](以下简称《规程》)中的试验要求测定其相关技术性能指标，试验结果列于表1。

表1 沥青主要技术性能测试结果

1.1.2 集料

对取自上述路段的RAP进行四分、抽提、清洗、烘干和筛分后，测得其中粗集料的各项性质指标，并与新集料的各项指标一同列于表2中。

表2 集料的主要技术性能试验结果

1.1.3 再生剂

本研究采用的再生剂为课题组自主研发的再生剂(ZS)，具有较好的亲和与渗透能力，能够显著改善旧沥青的流变性能，具体指标见表3。

表3 再生剂主要技术指标

1.2 配合比设计

渝长路中面层(RAP-A)和江北路上面层(RAP-B)的旧集料级配分别为AC-16型和SMA-13型。笔者分别选取AC-16C型级配中值和AC-13型级配中值为目标级配，采用马歇尔设计法进行配合比设计，空隙率控制在4%～5%[5-6]。基于马歇尔试验结果得到各旧料在不同掺量下的最佳沥青用量，如表4。

表4 马歇尔试验测试结果

1.3 试验方法

1.3.1 低温抗裂性试验

评价再生沥青混合料低温抗裂性能的主要指标是其自身强度和抗变形能力。选用低温小梁弯曲破坏试验，以马歇尔试验最佳沥青用量为依据成型车辙试件，切制250 mm×30 mm×35 mm的棱柱体小梁试件，置于-10 ℃恒温箱中3 h后进行低温弯曲试验，测定试件的弯拉强度和弯拉应变并计算其劲度模量，评价再生沥青混合料的低温性能[7]。

1.3.2 水稳定性试验

评价再生沥青混合料水稳定性的主要方法有浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。笔者选用条件更为苛刻、范围更为全面的冻融劈裂试验对再生沥青混合料的水稳定性能进行评价[7-8]。

2 试验结果分析与讨论

2.1 旧料掺配比例的影响

分别在RAP集料级配的基础上按照目标级配配置不同旧料掺配比例下的再生沥青混合料并成型车辙试件，按照《规程》要求切割小梁[9]；随后进行低温弯曲破坏试验测定各小梁试件的弯拉强度和弯拉应变并计算其劲度模量，每组试件数目n取3个。此外，按照上述操作成型马歇尔试件，经真空饱水和多次冻融循环后测定其劈裂抗拉强度并计算残留强度比，试验结果列于表5；将其以平滑曲线连接，变化情况见图1。

表5 AC-16C和AC-13混合料性能测试结果

图1 不同RAP掺配比例试验结果Fig. 1 Test results with different RAP ratios

从图1(a)～(c)可以看出：随着RAP掺配比例的增加，弯拉强度和劲度模量均逐渐增大，弯拉应变逐渐减小。说明随着旧料掺配量的增加，再生沥青混合料逐渐变脆变硬，低温性能变差。另外，AC-16C型再生混合料上述各指标的变化幅度均远高于AC-13型，说明不同旧料掺量的AC-13型再生沥青路面低温敏感性弱于AC-16C型级配，其抵抗低温开裂的能力相比于AC-16C型级配更强。从低温抗开裂的角度考虑，AC-13型级配更适合做上面层。

从图1(d)～(g)可以看出，随着RAP掺配比例的增加，未冻融循环和单次冻融循环试件的劈裂抗拉强度增加较快，多次冻融循环试件的劈裂抗拉强度增长幅度有所减小。其次，单次冻融循环后试件的残留强度比基本不变，多次冻融循环后试件的残留强度比下降较快。说明再生沥青混合料随旧料掺配比例的增加，抗拉破坏能力逐渐增强；短期水损害对再生沥青混合料的稳定性影响不大，但其抵抗长期水损破坏的能力却大幅下降。

另外，随着RAP掺配比例的增加，AC-16C型与AC-13型再生沥青混合料劈裂抗拉强度的变化相差不大；单次冻融循环后AC-16C型混合料残留强度比的变化幅度与AC-13型持平，多次冻融循环后AC-16C型混合料残留强度比的下降幅度则高于AC-13型，说明AC-13型再生沥青混合料抵抗水损破坏的能力相比于AC-16C型级配更强。从抗水损破坏的角度考虑，AC-13型级配更适合做上面层。

2.2 旧料类型的影响

在上述研究的基础上，依据现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[10]中对沥青混合料低温弯曲破坏应变的技术要求并同时参照相关文献对冻融循环残留强度比指标的研究[11]，分别选取掺30%渝长路RAP-A和掺30%江北路RAP-B制备再生级配类型为AC-16C的再生沥青混合料并按照上述过程进行低温和水稳定性能试验，结果列于表6、表7。

表6 小梁低温弯曲试验结果

表7 冻融循环劈裂试验结果

从表6可以看出，由RAP-B制备的再生沥青混合料低温弯拉强度和劲度模量较RAP-A有较大增长，但变形能力有所下降。其主要原因在于后者沥青的老化较严重，同等条件下再生沥青混合料的低温性能较差。从表7可以看出，相比于RAP-A，掺加30%RAP-B的再生沥青混合料抗拉破坏能力有所增长；单次冻融循环残留强度比有所增加，多次冻融循环残留强度比有所减小，说明短期水损害对老化较严重的再生混合料的稳定性影响不大，但长期水稳定性能较差。

总体来讲，同种条件作用下，不同旧料类型对再生混合料低温抗裂与水稳性能的影响关联不大。

2.3 再生剂的影响

为研究再生剂对再生沥青混合料低温开裂和水稳定性的改善效果，笔者选择课题组自主研发的具有较好亲和与渗透能力的沥青再生剂ZS(由前期性能试验与经济性对比分析得出RAP-A的再生剂最佳掺量为7%，RAP-B的再生剂最佳掺量为9%)，试验结果分别见图2(a)～(f)。

从图2(a)～(c)可以看出，添加沥青再生剂后，混合料的弯拉应变大幅增加，劲度模量显著减小，而弯拉强度增减不一。说明再生剂的掺入能够显著改善再生沥青混合料的低温抗裂性能。另外，从中还可以看出，这种改善效果对AC-16C型级配更为明显，说明再生剂对老化较严重的RAP低温抗裂性能的改善效果不如老化较轻的RAP旧料。

由图2(d)～(f)可以看出，随着再生剂的添加，各混合料的劈裂抗拉强度均有小幅度的减小；单次冻融循环残留强度比变化不大，多次冻融循环残留强度比有所增加，在保证冻融劈裂强度不低于0.6 MPa的前提下[12]，说明再生剂的添加一定程度上能够改善再生沥青混合料的长期水稳定性能。而笔者的研究均表明：再生沥青混合料抵抗长期水损破坏的能力最弱，因此对于厂拌热再生沥青混合料，建议添加适当比例的再生剂以提高其水稳性能。其次，AC-13型级配残留稳定度的整体改善效果要优于AC-16C型级配，说明再生剂对老化较严重的RAP抗水损破坏能力的改善效果优于老化较轻的RAP旧料，抵消了再生剂对老化较严重的RAP旧料低温性能改善效果的不足，因此当RAP的老化较严重的情况下更有必要添加再生剂来改善再生沥青混合料的水稳定性能。

另外，通过与表5中低温与水稳定性试验结果进行对比，发现对于老化较轻的RAP-A旧料及老化较重的RAP-B旧料，分别添加7%～9%掺量的再生剂对其性能的改善效果已经基本接近新拌沥青混合料。

图2 再生剂情况下的试验结果Fig. 2 Test results in the case of regeneration agent

2.4 二次老化的影响

再生沥青混合料的室内性能研究在我国刚刚开展不久，相关工程应用也不规范，对再生后沥青混合料的耐久性能否得到满足还不得而知。由于沥青老化后劲度模量增大，对再生沥青路面的高温稳定性更加有利，但在行车荷载和环境等因素作用下，再生沥青路面在低温条件下更易产生开裂[13]。而由于裂缝的产生进一步导致了水分渗入路面内部，从而加速了再生沥青路面的水损害[14]。鉴于此，笔者对再生沥青混合料的二次抗老化能力进行研究，老化方式按《规程》沥青混合料标准老化方法进行。参照上述研究，仍以30%旧料掺配率举例说明，具体试验结果见表8、表9。

表8 低温小梁弯曲试验结果

表9 冻融循环劈裂试验结果

从表8可看出：再生沥青混合料经二次老化后，其弯拉强度有小幅度上升，弯拉应变下降较快，因此造成劲度模量大幅升高，低温抗裂性能大幅下降。经计算得AC-16C型级配二次老化后弯拉应变平均降幅为19%，大于AC-13型的15%，说明后一类型再生路面具有更强的低温抗开裂能力。另外，添加再生剂的再生沥青混合料二次老化后弯拉应变的降幅虽然高于未添加再生剂的再生混合料，但前者的弯拉应变结果仍远高于后者。该试验结果可解释为：以轻质组分为主的再生剂在二次老化过程中性能衰减的幅度高于新添加的沥青，因此其低温弯拉应变下降更快，但再生剂的添加仍可以较大幅度改善再生混合料的低温开裂情况。

从表9可以看出，再生沥青混合料二次老化后，1次冻融循环残留强度比有所升高，多次冻融循环残留强度比有所下降，说明二次老化对再生沥青混合料短期水稳定性影响不大，但对其长期水稳定性仍有较大影响。经计算得AC-16C型级配二次老化后的多次冻融循环残留强度比平均降幅为11%，大于AC-13型级配的9%，说明后一类型再生路面具有更强的抵抗长期水损破坏的能力。另外，添加再生剂的再生沥青混合料二次老化后短期冻融循环残留强度比虽然低于未添加再生剂的再生混合料，但前者的长期冻融循环残留强度比结果却高于后者。该试验结果可解释为：再生剂在二次老化后其性能虽然有较大幅度的衰减，但对再生路面再次老化后抵抗长期水损破坏仍有一定的改善作用。

3 结论

1)再生沥青混合料随旧料掺配比例的增加及二次老化作用下，低温性能逐渐变差；短期水损害对其稳定性的影响不大，但抵抗长期水损破坏的能力大幅下降。

2)同等条件作用下，不同旧料类型对再生混合料低温抗裂与水稳性能的影响关联不大。

3)再生剂对老化较严重的RAP低温抗裂性能的改善效果不如老化较轻的RAP旧料，但对前者长期抵抗水损破坏的能力提升幅度较大。7%～9%掺量的再生剂对再生混合料性能的改善效果已基本接近新拌沥青混合料。

4)AC-13型级配再生沥青混合料抵抗低温开裂与水损破坏的能力相比于AC-16C型级配更强，更适合做上面层。

5)30%RAP掺配比的再生沥青混合料能够满足规范及相关研究成果对沥青路面低温与水稳的要求。

[1] 徐剑，黄颂昌，邹桂莲.高等级公路沥青路面再生技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

XU Jian, HUANG Songchang, ZOU Guilian.AsphaltPavementRecyclingTechnology[M]. Beijing：China Communications Press, 2011.

[2] 交通运输部公路科学研究院.公路沥青路面再生技术规范：JTG F41—2008[S].北京：人民交通出版社，2008：25-78.

Research Institute of Highway Ministry of Transport.TechnicalSpecificationsforHighwayAsphaltPavementRecycling：JTG F41—2008[S]. Beijing：China Communications Press, 2008：25-78.

[3] 吕伟民，严家伋.沥青路面再生技术[M].北京：人民交通出版社，1989.

LV Weimin, YAN Jiaji.TechnicalforHighwayAsphaltPavementRecycling[M]. Beijing：China Communications Press, 1989.

[4] 交通运输部公路科学研究院.路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社，2011：186-338.

Research Institute of Highway Ministry of Transport.StandardTestMethodsofBitumenandBituminousMixturesforHighwayEngineering：JTG E20—2011[S]. Beijing：China Communications Press, 2011：186-338.

[5] 邓晓青.厂拌热再生沥青混合料配比设计研究[D].西安：长安大学，2007.

DENG Xiaoqing.PlantMixRecycledBituminousGradingDesignResearch[D]. Xi’an：Chang’an University, 2007.

[6] ARAVIND K, DAS A. Pavement design with central plant hot-mix recycled asphalt mixes[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2007, 21(5)：928-936.

[7] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

SHEN Jin’an.RoadPerformanceofAsphaltandAsphaltMixture[M]. Beijing：China Communications Press, 2001.

[8] 王乐，梁乃兴，刘柳.湿热地区沥青混合料水稳定性评价方法研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2008，27(4)：580-583.

WANG Le, LIANG Naixing, LIU Liu. Study on the water stability of asphalt mixture in hot and damp region[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2008, 27(4)：580-583.

[9] 黄晓明，赵永利，江臣.沥青路面再生利用试验分析[J].岩土工程学报，2001，23(4)：468-471.

HUANG Xiaoming, ZHAO Yongli, JIANG Chen. Test and analysis of recycled mixture for old asphalt pavement[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2001, 23(4)：468-471.

[10] 交通运输部公路科学研究院.公路沥青路面施工技术规范：JTG F40—2004[S].北京：人民交通出版社，2005：35-36.

Research Institute of Highway Ministry of Transport.TechnicalSpecificationforConstructionofHighwayAsphaltPavement：JTG F40—2004[S]. Beijing：China Communications Press, 2005：35-36.

[11] 张辉.沥青路面热再生技术研究[D].西安：长安大学，2006.

ZHANG Hui.ResearchonThermalRegenerationTechnologyofAsphaltPavement[D]. Xi’an：Chang’an University, 2006.

[12] 拾方治，马卫民.沥青路面再生技术手册[M].北京：人民交通出版社，2006.

SHI Fangzhi, MA Weimin.AsphaltPavementRecyclingTechnicalManual[M]. Beijing：China Communications Press, 2006.

[13] 孔令然.就地热再生沥青混合料耐久性研究[D].大连：大连理工大学，2010.

KONG Lingran.AResearchonDurabilityofHotIn-placeRecyclingAsphalt[D]. Dalian：Dalian University of Technology, 2010.

[14] 方杨，李善强，刘宇.厂拌热再生沥青混合料水稳定性能研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(5)：961-964.

FANG Yang, LI Shanqiang, LIU Yu. Water stability of central plant hot recycling mixtures[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2013, 32(5)：961-964.

(责任编辑：刘韬)

Low Temperature Anti-cracking Performance and Water Stability of Hot Recycled Asphalt Mixture from Central Plant Mixing

CHEN Long1, ZHU Jianyong2, HE Zhaoyi1, CHENG Yong3, CHEN Xianyong4

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. School of Material Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 3. Guizhou Rongda Road and Bridge Engineer Co., Ltd., Bijie 551700, Guizhou, P. R. China; 4. Chongqing Zhongjiao Asphalt Concrete Co., Ltd., Chongqing 400074, P. R. China)

Through indoor experiments, the indicators of the old asphalt and old aggregate in RAP, the added asphalt, the added aggregate and the regeneration agent were detected. Marshall Test was applied to determine the optimum asphalt content of different types of hot recycled asphalt mixtures (AC-13 and AC-16C) from central plant mixing. Additionally, trabecular low-temperature bending test and freeze-thaw splitting test were used to analyze the low temperature anti-cracking performance and water stability of the recycled asphalt mixtures with different RAP percentages, different RAP types, as well as different conditions before and after second aging and adding recycling agent or not. The results show that with the increase of RAP, the low temperature properties of recycled asphalt mixture gradually decrease. The short-term water damage has little effect on its stability, but the long-term ability to resist water damage drops sharply. The influence of the old material type on the performance of the recycled asphalt mixture is not very relative. The improvement effect of the low temperature crack resistance and water stability of the mixture adding 7%～9% recycling agent are better than those of the 10% mixing ratio recycled mixture, which is basically close to the new asphalt mixture. The low temperature anti-cracking performance of the recycled asphalt mixture decreases rapidly after second aging. Though the mixture can still withstand short-term water damage, it has greater impact on the long-term water stability. Therefore, adding some proportion of the regeneration agent is suggested. Compared with AC-16C type, AC-13 type recycled asphalt mixture has better ability to resist the low temperature cracking and water damage, which is more suitable for the top layer.

road engineering; plant-mixed hot recycling; regeneration agent; trabecular low-temperature bending; freeze-thaw splitting; second aging

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.07

2015-11-09；

2016-01-28

重庆市科技攻关项目(cstc2012ggA50001)

陈龙(1989—)，男，河南开封人，博士研究生，主要从事路基路面材料与结构等方面的研究。E-mail：hellolong0701@163.com。

U416.217

1674-0696(2017)04-038-07