再生沥青掺量对混合料耐久性影响的试验研究

赵梓伶

Experimental Study on Effect of Reclaimed Asphalt Proportion on Durability of Mixture

摘要： 为了研究再生沥青掺量对混合料耐久性的影响，对等级为PG67-22的新沥青中添加含量为10%、25%、50%的再生沥青，对等级为PG67-22新沥青在最佳沥青用量基础上掺加温拌添加剂，对等级为PG58-28新沥青在最佳沥青用量等组合情况下，对混合料的水敏感性、抗疲劳性、抗裂性、抵抗表面自上而下的开裂能力及抗车辙性能进行测定。试验结果表明，使用软一级的沥青粘结料PG58-28能提高再生沥青混合料的疲劳寿命，但会降低抗车辙性能，不过能满足规定的要求。对于高比例再生沥青混合料，使用软一级新沥青PG58-28能有效增加再生沥青混合料的疲劳寿命和抗裂性能；掺加温拌添加剂能提高再生沥青混合料抵抗自上而下的表面开裂性能。

Abstract： In order to study the influence of reclaimed asphalt proportion on the durability of the mixture， the water sensitivity， fatigue resistance， crack resistance， resistance to surface cracking from top to bottom and rutting resistance of the mixture is determined under the conditions that the new asphalt graded PG67-22 was added with 10%， 25% and 50% reclaimed asphalt， the new asphalt graded PG67-22 was mixed with warm mix asphalt additives under the best amount of asphalt， and the the new asphalt graded PG58-28 was mixed with best amount of asphalt. The test results showed that the use of soft grade asphalt binder PG58-28 could improve the fatigue life of reclaimed asphalt mixture， but it could reduce the anti-rutting performance， but it could meet the requirements. For a high proportion of reclaimed asphalt mixture， the use of soft grade asphalt binder PG58-28 could effectively increase the fatigue life and crack resistance of the reclaimed asphalt mixture； warm mix asphalt additives could improve the resistance to surface cracking from top to bottom of reclaimed asphalt mixture.

關键词： 道路工程；再生沥青混合料；耐久性；应用评价

Key words： road engineering；reclaimed asphalt mixture；durability；application evaluation

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0107-04

0 引言

众所周知，使用再生沥青路面（Reclaimed Asphalt Pavement 简称RAP）不仅可以节约造价，降低粘结料和骨料的用量，还能防止污染、保护环境。研究表明，在沥青混合料中使用25～50%的RAP可以降低沥青路面20～35%的材料成本[1]，但目前对于大部分使用RAP的公路而言，RAP的掺量比例均低于25%，其原因在于RAP混合料相比沥青混合料而言，强度降低且更容易老化、变硬，这就导致了路面使用寿命缩短，养护成本增加。

近来，美国各州公路与运输工作者协会（AASHTO）提出，可在高比例RAP混合料中通过调整新沥青的性能等级来满足混合料耐久性的要求。即将原来常用的PG67-22粘结料的临界高温值和临界低温值均降低一级成为PG58-28。与此同时，美国一些研究机构也提出，可采用温拌（Warm Mix Asphalt简称WMA）辅助技术来改善高比例RAP混合料的耐久性。

本文根据AASHTO R 35标准，分别采用旋转压实仪（SGC）、线性振幅扫描法（LAS）、Overlay Tester（OT）、能量比（ER）和路面分析仪（APA）等方法对沥青等级为PG67-22的新沥青添加含量分别为10%、25%、50%的RAP；对PG67-22在最佳沥青用量的基础上掺加Evotherm 3G（热集料涂覆乳化沥青降粘剂）WMA添加剂及对沥青等级为PG58-28沥青在最佳用量时的水敏感性、抗疲劳性、抗裂性及抵抗表面自上而下的开裂能力和抗车辙能力分别进行试验研究来评价各种组合下RAP混合料的耐久性。

1 原材料测试

1.1 旧沥青性能等级评价

根据美国试验与材料协会（ASTM） D 2171方法对旧料经破碎后用三氯乙烯抽提，高速离心去矿粉，回收等工序后，得到旧沥青。按照AASHTO M 320对旧沥青性能等级进行评价，经测试旧沥青等级为PG94-4。

1.2 RAP混合料性能评价

本研究所用的新集料的公称最大粒径均为13.2mm，分别为碎石A、碎石B、碎石C、碎石D、砂（各集料均来源于云南省本地）及未加工的RAP，为满足级配要求，对单一的铣刨料筛分成（0～2.36）细型和（2.36～13.2）粗型两种规格，具体筛分情况见表1。10%RAP掺量的混合料采用集料A、B、D、砂及未处理的RAP混合料；25%RAP掺量的混合料采用集料A、B、C、砂及未处理的RAP混合料；50%RAP掺量的混合料采用集料A、B、砂、细RAP及粗RAP混合进行混合。混合料的设计空隙率为4%，各含量RAP的合成级配见图1。

表2为RAP掺量分别为10%、25%、50%的混合料的设计属性。根据我国现行国标《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求，对于公称最大粒径为13.2mm[2]，设计空隙率VV为4%的矿料间隙率VMA不小于14%，沥青饱和度VFA应在65～75%之间。从表2可以看出，当沥青为最佳用量时，均能满足VFA和VMA的要求。

2 RAP混合料耐久性测试

2.1 RAP混合料水敏感性测试

根据AASHTO T 283要求对RAP混合料水敏感性进行测试。规定采用SGC旋转压实仪测得的间接抗拉强度比（TSR）≥80%作为沥青混合料水敏感性评价指标。从表3可以看出三种混合物均满足要求。

2.2 线性振幅扫描（The Linear Amplitude Sweep简称LAS）

线性振幅扫描是一种通过加速粘结料疲劳老化来测试粘结料疲劳性能的一种测试方法。目前我国采用的是动态剪切流变仪（DSR）中的疲劳因子G*sinδ来量化粘结料的疲劳性能。G*sinδ参数是假设混合料为线弹性体，但这假设一直备受争议，特别是现已证明改性沥青路面的抗疲劳性能已越来越好，可改性沥青混合料本身却是非线弹性的。按照美国ASTM D 2171和ASTM D 5405规定的方法，用LAS循环加荷的方式测定其达到破坏时的循环周期数，以此来预测粘结料的疲劳寿命，该法就目前而言是比较科学的方法。LAS测试方法的最终结果是得到粘结料的疲劳性能参数Nf，Nf值随应变值的大小的变化而改变，应变值的大小可根据路面结构的差异来调整。如大应变值适合薄的和重交通路面，反之，小应变值适合厚的和轻交通道路[3]。

该项主要研究新沥青PG67-22分别掺加了含量为10%、25%、50%的RAP及掺加了添加剂后混合料的抗疲劳性能。表4是各组合LAS测试结果，该试验采用平行试验，两试验之差不超过平均值的15%。

从试验结果可以得到，PG67-22新沥青与RAP混合后，其抗疲劳性能降低，对于10%、25%含量的RAP混合料与没掺加前相比，降低了约80%；而50%含量的RAP则降低了约75%。从表中可以看出，在高比例RAP混合料中，掺加WMA添加剂对提高沥青混合料的抗疲劳性能比低比例含量的更有效。RAP掺量为10%时，掺加WMA添加剂对疲劳寿命的提高几乎没什么帮助，但在25%掺量的RAP中，低水平应变疲劳寿命提高了约15%，高应变水平提高了约20%；而在50%的RAP中就更明显了，两种应变水平下，疲劳寿命均提高了近32%。总的来说，使用温拌辅助技术对RAP混合料的疲劳性能是影响较大的，尤其是在高比例RAP中就更为明显。从表中还可以看出，PG58-28新沥青与RAP混合后的疲劳性能优于PG67-22新沥青。

2.3 能量比测试（Energy Ratio Testing 简称ER）

能量比测试法可以评估沥青混合料抵抗自上而下发生表面开裂的能力，此法是弗罗里达大学综合了实验室和现场的研究成果。该测试法已在美国国家沥青技术中心（NCAT）进行了周期性的验证[4]。能量比由三种高性能间接拉伸试验（间接拉伸强度、回弹模量和蠕变试验）决定，它能得出一条基于粘弹性断裂力学的裂缝扩展规律，此外，还引出了两个临界值，即耗散蠕变能（DSCE）界限和断裂能（FE）（应力应变下达到断裂应变的面积）界限，DSCE值或FE值越高，则混合料的疲劳寿命越长。ER值为DSCE与DSCEmin（最小耗散蠕变能）的比值。ER值越大，表明混合料抵抗自上而下发生表面开裂的能力越强。该试验在10℃条件下进行。试验结果见表5。

将表5中的FE值绘于图2可以得到，在最佳沥青用量下，含量分别为10%和50%的RAP混合料，用PG58-28新沥青得到的FE值要高于使用PG67-22的沥青。特别是10%RAP提高了近300%，在50%RAP中提高了近87%，但在25%含量的RAP中FE值却稍有降低，有可能是样本徐变造成的。10%RAP掺加了WMA添加剂后，FE值随之增加，增加量约140%。而对于25%含量的RAP混合料，无论是掺加WMA添加剂，还是使用PG58-28，对混合料的FE值几乎没什么影響。50%RAP混合料使用PG67-22新沥青，相比10%和25%而言，FE值是最低的。在最佳沥青用量的基础上使用WMA添加剂FE增加了100%；而使用软一级的沥青PG58-28仅提高了57%。

将表5中的ER值绘于图3可以得到，PG67-22新沥青对于10%RAP混合料在最佳沥青用量时，ER值是最小的。而对于10%RAP混合料提高ER值最有效的方法就是掺加WMA添加剂了。从图中可以看出，所有25%RAP混合料的ER值均很大，以致能承受每年近1000000当量标准轴载，同时在最佳沥青用量情况下，PG67-22新沥青，25%RAP混合料相比于其他两个含量的RAP混合料，ER值也是最大的一个。从图表中可以看出25%RAP混合料的ER值相对较大，而蠕变量相对较小，这就意味着，25%RAP混合料抵抗自上而下表面开裂的能力要优于其它两组含量的RAP混合料。50%RAP混合料使用PG58-28能增加ER值，且能承受的交通量也有所增加。而对交通量承受能力影响最大的莫过于掺加WMA添加剂，从表中可以看出，路面在不开裂的情况下，每年能承受1000000当量标准轴载。

2.4 Overlay Tester（OT）测试

OT试验是一种简单、快捷、有效的测试沥青混合料抗裂性能的方法。该法已由美国德克萨斯州交通委员会（TXDOT）制定了试验标准，即TXDOT 248-F，近年来已全世界范围内逐步推广。该试验将样本制成长150mm、宽75mm、高38mm的试件，在25℃条件下，将试件置于试验台上，使滑动钢板按10秒一个周期的循环运动进行加载，最大张开位移为0.33mm时[5]，记录试件破坏时滑动板运动的循环次数，评价沥青混合料的抗裂性能。

图4为掺量分别为10%、25%、50%的RAP混合料的OT试验结果。从图中可以看出，在PG67-22新沥青最佳用量时，10%RAP混合料达到破坏时的循环周期数远高于其他两个含量的RAP混合料，当RAP含量超过10%时，将大大降低试件的抗裂性能。25%RAP混合料使用PG58-28新沥青及掺加WMA添加剂得到了试件破坏时所能承受的周期数的最大值。50%RAP混合料，使用WMA添加剂对OT试验周期数的影响是最小的，而使用PG58-28新沥青与PG67-28相比，周期数提高了近326%。

2.5 抗车辙能力测试

根据AASHTO TP 63-09的要求，采用沥青路面分析仪（APA）来评估沥青混合料的车辙能力。标准规定，当混合料承受五百万次的当量标准轴载，其车辙深度不能超过5.5mm[6]。本试验在64℃温度下进行，试样分别施加100磅（45.36kg）和100psi（689.7kPa）的力，试验结果见图5。

从图5中可以看出，对于10%RAP混合料车辙深度最大的发生在PG58-28新沥青上，在掺加了WMA添加剂后对车辙深度的影响都不是很明显。25%RAP混合料，使用了PG58-28新沥青后产生的车辙深度值较大，但在掺加了WMA添加剂后产生的车辙深度是最小的。50%RAP混合料，各组合车辙深度值相差不大。值得注意的是，所有各组混合料的车辙深度值均未超过5.5mm，也就是说，各组混合料均能满足抗车辙能力的要求。

3 结论

根据实验室研究数据，得出以下结论：

①掺量为10%、25%、50%的RAP混合料的水敏感性均能满足要求。

②使用温拌辅助技术对RAP混合料的疲劳性能是影响较大的，尤其是在高比例RAP中提高混合料的抗疲劳性能的作用就更为明显。同时PG58-28新沥青与RAP混合后的疲劳性能优于PG67-22新沥青。

③在最佳沥青用量基础上掺加WMA添加剂能有效提高10%和50%RAP混合料抵抗自上而下表面开裂的能力，但采用软一级的新沥青PG58-28会使25%RAP混合料的抗表面开裂的能力降低。

④RAP的掺量越小，混合料的抗裂性越好。相比掺加WMA添加剂，使用软一级PG58-28新沥青能更有效提高RAP混合料的抗裂性能。

⑤掺加添加剂能有效提高25%RAP混合料的抗车辙能力。使用软一级的PG58-28新沥青会降低10%RAP混合料的抗车辙能力，但能满足标准规定的要求。

4 建议

①本文的试验数据是在实验室通过试验得到的，试验数据值往往可变性很大，在实际运用中应根据实际情况进行设计，本文所给出的结论仅作为参考。

②本文研究掺加的WMA添加剂为热集料涂覆乳化沥青降粘剂，当采用不同的添加剂或发泡技术对RAP混合料的性能造成的影响是不一样的，在施工应用中应根据具体的粘结料等级和集料类型合理选取添加剂的种类。

参考文献：

[1]Willis， J.R.， P. Turner， G. Julian， A. Taylor， N. Tran， and F. Padula. Effects of Changing Virgin Binder Grade and Content on RAP Mixture Properties. NCAT Report 12-03. National Center for Asphalt Technology， Auburn， Alabama， 2012.

[2]JTGF40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[3]聂晓青，李雨舟.回收沥青混合料疲劳性能的室内试验评价“全国特种混凝土技术及工程应用”学术交流会暨2008年混凝土质量专业委员会年会，2008（9）.

[4]Roque， R.， B. Birgisson C. Drakos， and B. Dietrich. Development and Field Evaluation of Energy-Based Criteria for Top-down Cracking Performance of Hot Mix Asphalt. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists， Vol. 73， 2004， pp. 229-260.

[5]葛折圣，閻肖宇.基于Over Laystester的沥青混合料抗裂性能试验方法分析[J].山东交通科技，2014（5）.

[6]Tran， N.， R.C. West， R.B. Powell， and A.N. Kvasnak. Evaluation of AASHTO Rut Test Procedure Using the Asphalt Pavement Analyzer. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists， Vol. 78， 2009， pp. 1-24.