影响WRAM材料设计与路用性能的关键因素研究

吴国雄，邓娟，梁胜超

（1重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2重庆建筑工程职业学院，重庆 400039；3重庆市市政设计研究院，重庆 400020）

0 引言

沥青路面温拌再生技术能极大限度降低结合料的拌合温度，避免传统热拌再生施工温度过高及冷拌再生施工温度较低对路面性能产生不利影响[1]，确保沥青混合料的路用特性，并大幅度节省燃料、降低生产过程中的老化和减少排放[2]。

目前，国内针对WRAM路用性能的影响因素研究主要集中在单因素影响方面。 季节[3]、韩永强[4]及汤文[5]主要研究了RAP掺量对WRAM高温性能、低温性能和水稳定性的影响。邓昌中[6]研究了温拌剂掺量对WRAM的高温、低温及水稳定性能的影响规律。刘振丘[7]通过试验研究了RAP掺量及RAP颗粒组成等单因素对HRAM路用性能的影响。针对RAP颗粒组成对WRAM各路用性能的影响以及关键因素 （温拌剂用量、RAP掺量及其颗粒组成）对WRAM各路用性能的交互影响研究鲜有报道。因此，本文采用正交试验进行WRAM路用性能关键因素影响分析。

1 原材料的选择与性能检测

1.1 集料

旧集料采用渝万高速重庆至万盛段上面层结构（AC-16）铣刨回收的石灰岩，新集料采用石灰岩。以 4.75 mm、9.5mm、19mm 为界限，将RAP 分为0～5mm、5～10mm、10～19mm三档，去除19mm以上超粒径集料。利用抽提法分离出沥青和旧集料，通过筛分得到各档级配。旧集料以4.75作为关键筛孔，分为小于4.75和大于4.75两档，采用四分法进行样本取样。按规定方法测定新旧集料各项指标，经测定，新旧集料的技术指标均满足规范[8]要求。

1.2 沥青及温拌剂

新沥青选择90#基质石油沥青，按规范测定新旧沥青的相关技术指标均符合规范[9-10]使用要求。温拌剂选用重庆某技术公司提供sasobit温拌剂[11]。

2 配合比设计

2.1 级配优选

选择AC-16结构型，初步拟定粗中细3种合成级配，选用旋转压实仪成型试样并参照superpave设计方法进行每种试拌合成级配的体积特征分析及级配评估[12]。级配设计如表1所示。

表1 AC-16型沥青混合料三种合成级配设计

采用的旧料掺量为30%（0～5mm、5～10mm、10～19mm各档比例为1∶1∶1），温拌剂掺量为3%。 通过superpave试拌沥青含量选择方法确定3种级配试拌沥青用量，拌合温度为140℃，试件采取旋转压实仪130℃温度成型试件，每种试拌级配制作两个试样，按照试拌合成级配评价方法预估混合料的体积特征和压实特性，通过综合分析和对照，选择合成级配2为最佳合成级配，其体积特征和压实特性如表2。

2.2 最佳沥青含量的确定

按照合成级配2进行沥青胶结料含量的选择，拟定沥青含量分别为3.6%、3.9%、4.2%、4.5%、4.8%。 根据superpave设计方法进行不同沥青胶结料含量的混合料体积特性及压实特性的对比分析，确定空隙率为4%时的沥青含量为最佳沥青含量，合成级配2的最佳沥青含量为4.12%。

3 试验方案制定

考虑到影响因素的多样性，采用正交试验方法进行WRAM路用性能影响因素主次关系及显著性分析，用于指导路面结构设计。

3.1 因素和水平的选取

试验拟定3个关键因素（RAP掺量、温拌剂用量、RAP颗粒组成）作为因素对象，每个因素选取3个水平，即三因素三水平的正交试验，如表3。

表3 因素水平表

3.2 正交试验方案

结合本研究内容进行三因素三水平正交设计，采用9种因素水平组合方案成型试件。试验方案如表4。

4 WRAM路用性能关键因素影响分析

4.1 不同影响因素对WRAM水稳定性影响分析

表4 正交试验方案

通过冻融劈裂试验评价WRMA的水稳定性。为保证每个劈裂试件达到7%的空隙率，提前按目标空隙率计算混合料密度并称料，旋转压实仪选择等高模式，按照正交试验的9组组合形式每组成型6个旋转压实试件，试件尺寸均为直径100mm×高63.5mm。

每组正交试件随机分成两组，每组3个。按照规范[13]中试验方法，第1组在常温下保存备用，第2组进行冻融循环。试验在25℃±0.5℃条件下，用50mm/min的加载速率进行冻融劈裂试验，通过计算得到各组劈裂强度得到冻融劈裂强度比，计算结果如表5所示。

表5 正交试验结果

采用方差分析法评价各因素显著性，根据F检验标准进行F值与F临界值的比较分析，得到各因素对WRAM水稳定性的影响程度，方差分析表如表6所示。

根据表5中冻融劈裂强度比TSR的计算结果，采用方差分析法进行A、B、C三种因素显著性评价，TSR F值与临界值的对比分析如图1所示。

表6 方差分析表

图1 TSR的F值与临界值

由表5及图1可知，当α=0.01时，FA=128.72＞F0.01(2,2)=99；当α=0.01时，FB=13.07＞F0.1(2,2)=9。 对照F检验规范，确定B因素对冻融劈裂强度比具有显著性影响，A因素对冻融劈裂强度比影响比较显著。当α=0.05时，FC=2.30，C因素对冻融劈裂强度比无显著性影响。即温拌剂用量对WRAM水稳定性影响显著，RAP掺量对其影响较显著，RAP颗粒组成对其无显著影响。同时根据F值的大小判定三因素对冻融劈裂强度比影响的主次关系是：B、A、C， 即温拌剂用量＞RAP掺量＞RAP本身组成。

通过对比分析进行不同因素水平的水稳定性能评价，得到最优水平组合，直观试验结果如表7所示，冻融劈裂强度比和值随因素水平的变化规律如图2所示。由表7及图2可知，温拌剂用量变化引起的冻融劈裂强度比变化情况为B1＞B3＞B2，即温拌剂用量为2%时水稳定性最好，温拌剂用量为3%时水稳定性最差。RAP掺量变化引起的TSR变化情况是A2＞A1＞A3，即RAP掺量为30%时水稳定性最好，RAP掺量为45%时水稳定性最差。基于RAP颗粒组成对冻融劈裂强度比无显著性影响，不进行RAP颗粒组成优选。综合分析图2及表7，得到建议的WRAM水稳定性最优组合为A2B1C2，最差组合为A2B1C2，A2B1C2较 A3B2C1冻 融 劈 裂 强度比提高了17.7%。

4.2 不同影响因素对WRAM高温稳定性影响分析

图2 冻融劈裂强度比和值随因素水平的变化规律

NCHRP 9-19项目的统计结果表明，线性范围无围压条件下动态模量|G*|和车辙因子|G*|/sinδ与车辙有较好的统计相关性。因此采用SPT试验装置以45℃、10Hz的条件进行动态模量试验， 选取|E*|和|G*|/sinδ的试验数据分析不同影响因素对WRMA高温稳定性的影响。试验结果如表5所示。

根据表5中动态模量|G*|和车辙因子|G*|/sinδ的计算结果，对A、B、C三种因素进行显著性分析，表6中动态模量及车辙因子F值与临界值的对比分析分别如图4、图5所示。由表5及图4、图5可知，当α=0.01时，FA=174.13＞F0.01(2,2)，FA=128.72＞F0.01(2,2)；当α=0.1时，FB=15.46＞F0.1(2,2)=9，FB=12.71＞F0.1(2,2)=9。 根据F检验标准，判定A因素对|G*|和|G*|/sinδ有显著性影响，B因素对|G*|和|G*|/sinδ影响较显著。 而FC=3.6，FC=6.88，C因素对|G*|和|G*|/sinδ无显著性影响。即RAP掺量对WRAM高温稳定性有显著性影响，温拌剂用量对其影响较显著，RAP颗粒组成对其无显著性影响，定三因素判定三种因素对|G*|和|G*|/sinδ影响的主次关系为RAP掺量＞温拌剂用量＞RAP颗粒组成。

表7 正交试验结果和值汇总

图3 动态模量的F值与临界值

图4 车辙因子的F值计算值与临界值

图5 动态模量和值随因素水平的变化规律

图6 车辙因子和值随因素水平的变化规律

不同因素水平的动态模量|G*|和值如图3所示，车辙因子和值如图4所示。由图3及图4可知，RAP掺量变化引起的|G*|和|G*|/sinδ变化情况是A3＞A2＞A1， 即高温 稳定性随RAP掺量增加持续增强。由表7及图5、6可知，温拌剂用量变化引 起的|G*|和|G*|/sinδ变化情况 是B3＞B2＞B1， 即高温稳定性随RAP掺量增加持续增强。基于RAP颗粒组成对|G*|和|G*|/sinδ无显著性影响，不对进行RAP颗粒组成优选。综合分析高温稳定性的关键影响因素可知，A3B3C2为最佳组合，A1B1C1为最差组合，A3B3C2较A1B1C1的|G*|提高了100.6%，|G*|/sinδ提高了119.1%。

4.3 不同影响因素对WRAM低温抗裂性影响分析

通过沥青混合料半圆弯拉(SCB)试验测定试件最大荷载、竖向位移和试件尺寸等参数，进而求得试件的抗弯拉强度（RT）、劲度模量（ST）和破坏应变（ετ）。 采用旋转压实方式成型直径150mm的圆柱体试件，并按规定将试件钻芯切割成双面平行的半圆试件，直径100mm，高度63.5mm。试验采用电子万能试验机连续加载至破坏，两圆棒支点的距离为80mm，加载速率为50mm/min，温度为-10℃，记录最大破坏荷载和位移。正交试验结果如表5。

根据表5中破坏应变ετ的计算结果，采用方差分析法进行A、B、C三种因素显著性评价，表6中F值与临界值的比较分析如图7所示。

由图7可知，当α=0.01时，FA=211＞F0.01(2,2)=99；当α=0.1时，FC=23.23＞F0.1(2,2)=9。 根据F检验标准，判定A因素对εT有显著性影响，C因素对εT影响较显著。 而FB=0.80，B因素对εT无显著性影响。即RAP掺量对WRAM低温抗裂性有显著性影响，RAP颗粒组成对其有较显著影响，温拌剂用量对其无显著性影响。三因素对εT影响的主次顺序是：A、C、B，即RAP掺量＞ RAP颗粒组成＞温拌剂用量。

图7 破坏应变的F值与临界值

图8 破坏应变和值随因素水平的变化规律

由表7和图8可知，RAP掺量变化引起的εT变化情况是A1＞A2＞A3，即随着RAP掺量增加，低温抗裂性不断降低。RAP颗粒组成变化引起的εT变化情况是C1＞C2＞C3， 即随着RAP中组成颗粒粒径增加，低温抗裂性不断降低。基于温拌剂掺量对εT无显著性影响，不对其进行优选。综合分析可知，考虑WRAM低温抗裂性时，A1B1C1为最优组合，A3B1C3为最差组合，A1B1C1较A3B1C3破坏应变提高了34.6%。

4.3 试验结果分析

温拌剂的用量和RAP掺量对WRAM的高温稳定性能和水稳定性影响显著，RAP掺量为45%时高温稳定性最优，RAP用量的增加能有效节约成本，因此建议RAP掺量为45%。温拌剂用量对水稳定性有显著性影响，对高温性能影响较显著。温拌剂掺量为2%时不能使高温性能达到最优，但是能使水稳定性最优，温拌剂用量减少利于节约成本，因此，建议温拌剂用量为2%。此时建议最佳组合为：RAP掺量45%、温拌剂用量2%、RAP的组成5～10mm。

RAP掺量对低温性能有显著性影响，对水稳定性影响显著；温拌剂用量对水稳定性有显著性影响，对低温性能无显著性影响；RAP组成对低温性能影响较显著，对水稳定性无显著性影响。因此，建议低温抗裂性和水稳定性最佳组合为：RAP掺量15%、温拌剂用量2%、RAP组成0～5mm。

5 结论

（1）通过正交试验和方差分析得知各因素对WRAM各路用性能的显著性影响。WRAM水稳定性影响因素的主次关系为温拌剂用量＞RAP掺量＞RAP颗粒组成，最优组合A2B1C2较最差组合A3B2C1的TSR提高了17.7%。

（2）WRAM高温稳定性影响因素的主次关系为RAP掺量＞温拌剂用量＞RAP颗粒组成，最优组合A3B3C2较最差组合A1B1C1，|G*|提高了100.6%，|G*|/sinδ提高了119.1%。

（3）WRAM低温抗裂性影响因素的主次关系为RAP掺量＞RAP颗粒组成＞温拌剂用量，最优组合A1B1C1较最差组合A3B1C3D，εT提高了34.6%。

（4）根据WRAM所应用的区域不同和关注的路用性能指标差异，建议RAP掺量为45%、温拌剂用量2%、RAP组成5～10mm时，WRAM高温稳定性能和水稳定性最优；建议RAP掺量为15%、温拌剂用量2%、RAP组成0～5mm时，WRAM低温抗裂性和水稳定性最优。

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