RAP掺量对热再生沥青混合料水温耐久性能的影响

姜严旭, 顾兴宇, 周 洲

(东南大学 交通学院, 江苏 南京 210096)

目前,沥青路面再生技术被广泛地运用于路面养护与维修工程中.然而,在沥青混合料中使用高掺量旧料(RAP掺量大于25%),尤其是在高速公路表面层混合料中使用高掺量旧料的情况仍然较少[1],主要原因在于使用高掺量旧料的热再生沥青混合料在车辆荷载和自然环境长期作用下的疲劳开裂、低温断裂和水损害等耐久性能存在疑问[2-3].RAP在多年的路面使用中经受了长期的自然环境及行车荷载的作用,材料老化严重,对再生混合料的耐久性能有着显著的影响.

国外学者对通过铺筑试验路进行跟踪观测,发现相比于新沥青路面,再生沥青路面有着更多的疲劳裂缝、纵缝、横缝及更快的开裂速率[4-8].由于热再生技术在国内使用时间不长,国内学者主要研究热再生沥青混合料的基本性能,但结论并不一致,且尚未有学者研究再生沥青混合料在荷载和水温共同作用情况下的耐久性能.为此,本研究考虑在荷载和水温共同作用条件下,研究不同RAP掺量热再生沥青混合料的耐久性能,以期为热再生工程设计中选择合理的RAP掺量提供参考.

1 试验方案

本研究主要分析热再生沥青混合料在不利自然环境影响下的性能退化,评价荷载作用下抵抗水损害、车辙和开裂(低温开裂和疲劳开裂)等病害的能力.考虑的不利自然环境为水温循环作用,因此,在室内采用冻融循环来模拟水温作用,通过多次冻融循环来体现长期水温作用对再生混合料的影响.冻融循环的养生条件按照JTG E20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》要求,采用以下3种方案，即不经过冻融循环、冻融循环1次和冻融循环3次.然后,将试件分别进行劈裂试验、动态蠕变试验、半圆弯曲试验和间接拉伸疲劳试验来评价再生混合料的水损害、高温变形、低温开裂和疲劳开裂的耐久性能.试验均在UTM-25试验机上完成.

2 试验材料

RAP掺量分别为0,15%,30%,40%和50%等5种.RAP来源于江苏省某高速公路养护工程中面层铣刨料,级配类型为AC-13.RAP油石比为4.7.对于高旧料掺量(掺量≥30%)沥青混合料,使用再生剂将老化沥青恢复至新沥青的性能水平,再生剂掺量根据试验结果确定,为旧料沥青质量的2%.新集料中的粗集料为玄武岩,新沥青为SBS改性沥青,材料的技术指标及实测结果如表1所示,均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求.使用马歇尔设计方法进行沥青混合料设计,得到的再生沥青混合料和新沥青混合料的级配组成如表2所示.全新料的最佳油石比为5.0%,其他4种掺量的热再生沥青混合料的最佳油石比依次为4.9%,4.9%,5.0%和5.0%.采用旋转压实仪成型试件,试件的设计空隙率为5%.

表1 试验材料技术指标及实测结果

表2 沥青混合料级配组成

3 试验结果与讨论

3.1 水稳定性

将所有试件在25 ℃水槽中养生3 h,然后测试劈裂强度,即间接拉伸强度(IDT),以未冻融试件的IDT为基准,分别计算1次和3次冻融循环的冻融劈裂强度比(TSR),用以评价混合料的抗水损害性能,每组试验采用4个平行试件,取平均值作为试验结果,如表3所示.

表3 冻融循环下劈裂试验结果

由表3可知:0次和1次冻融循环后,再生混合料劈裂强度比新沥青混合料大,这主要是因为再生混合料内层老化沥青在矿料表面形成了黏度较大的强作用界面,使得水分很难渗入而导致的;但是经3次冻融后,再生混合料的劈裂强度均出现了大幅度下降,明显低于新沥青混合料,说明3次冻融循环对再生混合料中沥青与集料的黏结有较大的损害作用.对比1次冻融循环后5种混合料的TSR,发现TSR均大于0.8,且再生混合料的TSR大于新料;但是3次冻融循环后,发现再生混合料的TSR均小于新料,可能是由于老化沥青与集料的黏附性不如新沥青,在多次冻融循环下,再生混合料中沥青与集料之间黏结力的下降幅度比新沥青大,从而导致再生混合料的水稳定性明显低于新沥青混合料.同时,也说明采用1次冻融循环后的TSR来评价再生混合料的水稳定性具有一定的局限性.

3.2 冻融后高温性能

采用动态蠕变试验评价在水温循环条件下不同RAP掺量的混合料的高温变形耐久性能.动态蠕变试验的试验温度为60 ℃,轴向压力为0.7 MPa,采用直径100.0 mm、高100.0 mm的圆柱体试件.试验终止条件为荷载作用达到10 000次、轴向累积微应变达到50 000或蠕变曲线进入第3阶段.每组试验采用2个平行试件,取平均值作为试验结果.动态蠕变试验以累积永久变形曲线第2阶段的斜率、流变次数(FN)及对应的累积永久应变εp(FN)为评价指标,结果如表4所示.

由表4可知:0次冻融循环后,15%RAP掺量混合料的高温性能好于未掺RAP的混合料,说明一定量的RAP对沥青混合料的高温性能有提升作用;当RAP掺量进一步提升时,再生混合料的高温性能比新沥青混合料差,这是因为再生剂的加入起到软化效果造成的.

表4 冻融循环下动态蠕变试验结果

经过冻融循环后,所有混合料的流变次数都表现出下降,说明再生混合料和新沥青经水温循环作用后抗车辙性能下降.以未冻融混合料的试验结果为基准, RAP掺量分别为0,15%,30%,40%和50%的沥青混合料,经过1次冻融循环后的流变次数下降幅度分别为21.0%,25.5%,28.6%,38.1%和40.0%,经过3次冻融循环后分别为56.0%,59.8%,63.3%,66.0%和71.1%.再生混合料在1次和3次冻融后流变次数的下降幅度均比新沥青混合料大,随着RAP掺量增加,下降幅度越大.相应地,累积永久应变也出现了大幅增加,且RAP掺量越大,增加幅度也越大.根据以上分析可以看出:多重冻融循环作用对再生混合料的抗车辙性能影响更为显著,考虑到水温循环作用,再生混合料的高温性能反而弱于新料.因此,在评价再生混合料的抗车辙性能时,应从长期耐久性能的角度进行考虑更为合理.

3.3 冻融后低温性能

半圆弯曲试验具有操作简便快捷、结果重复性高等优点,其对再生混合料的低温抗裂性能评价也有不错的效果[9-10].本研究采用该试验评价不同RAP掺量沥青混合料的低温抗裂性能,以断裂能密度作为试验评价指标.试验温度为-10 ℃,加载速率为50 mm·min-1,采用直径150.0 mm、高50.0 mm的半圆形试件,试件底部2个支点的间距为试件直径的0.8倍.每组试验采用4个平行试件,取平均值作为试验结果,如表5所示.

表5 冻融循环下半圆弯曲试验结果

由表5可知:未冻融循环时,试件的断裂能密度从大到小依次为未掺RAP,15%RAP,30%RAP,40%RAP和50%RAP,说明RAP的掺入对沥青混合料的低温抗裂性能不利,且RAP越高,低温性能越差;经过冻融循环后,再生混合料和新沥青混合料的抗拉强度和断裂能密度均有较大幅度的下降,说明沥青混合料的低温抗裂性能有较大程度的衰减;1次和3次冻融循环后,新沥青混合料仍具有最大的断裂能密度,表明经过长期水温作用后,新沥青混合料相比再生沥青混合料仍具有较高的低温抗裂性能.以未冻融试件的断裂能密度为基准,计算得到5种沥青混合料1次冻融循环后断裂能密度下降幅度分别为10.3%,10.8%,14.3%,16.7%和25.4%,3次冻融循环后分别为 28.2%,32.1%,41.5%,43.7%和52.4%.再生混合料在1次和3次冻融后断裂能密度都有较大幅度的下降,而新沥青混合料的断裂能密度下降相对较小,说明与新料相比,冻融作用对再生沥青混合料低温抗裂性能的损害作用更大,再生混合料在长期水温作用下的低温耐久性能较差,且RAP掺量越高,低温耐久性能越差.

3.4 冻融后疲劳性能

采用间接拉伸试验评价不同RAP掺量沥青混合料在水温循环作用下的疲劳耐久性能.间接拉伸疲劳试验采用应力控制模式,应力比为0.20,0.25,0.35和0.45,试验温度为15 ℃,加载频率设为10 Hz,采用半正弦波形的荷载形式.考虑到疲劳试验时间较长,不设间歇时间,以试件断裂作为疲劳破坏标准,试验取疲劳寿命作为评价指标进行分析.试件采用直径100.0 mm和高度63.5 mm的圆柱体试件,每组试验采用2个平行试件,取疲劳寿命平均值.试验结果见表6.

表6 冻融循环下间接拉伸疲劳寿命结果 次

由表6可知:相同的应力水平及冻融循环作用次数下,新沥青混合料具有最大的疲劳寿命;随着RAP掺量增加,沥青混合料疲劳寿命减小,表明沥青混合料的疲劳抗裂性能随RAP掺量的增加而降低;经过冻融循环后,再生混合料和新沥青混合料的疲劳寿命均大幅度下降,说明沥青混合料的疲劳抗裂性能有较大程度的衰减;经1次和3次冻融循环后,新沥青混合料仍具有最大的疲劳寿命,表明经过长期水温作用后,新沥青混合料相比于再生混合料仍具有较高的抗疲劳性能.因此,为了保证再生沥青混合料的疲劳耐久性能,应对其中的旧料掺量作出限制.

4 结 论

1) 再生混合料在1次冻融循环劈裂试验中表现出比新沥青混合料高的间接拉伸强度和冻融劈裂强度比,但3次冻融循环劈裂试验中间接拉伸强度和冻融劈裂强度比都比新沥青混合料低,显然再生沥青混合料的水稳定性能不如新沥青混合料.因此,采用1次冻融循环后的冻融劈裂强度比评价再生混合料的水稳定性具有一定的局限性.

2) 动态蠕变试验、半圆弯曲试验和间接拉伸疲劳试验结果表明:在多重冻融循环作用下,再生混合料的水稳定性低温性能、高温性能与疲劳性能都有了较大的下降,与新沥青混合料相比,再生混合料在长期水温作用下的耐久性能较差.

3) 再生混合料中旧料掺量越高,混合料在多重冻融循环作用下耐久性能衰退得越快,因此,为保证再生沥青混合料的耐久性能,应对其中的旧料掺量作出限制.

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