低RAP掺量沥青混合料冻融性能试验*

张敏江， 李正楠， 方竹胜， 赵 爽

(沈阳建筑大学 交通工程学院， 沈阳 110168)

掺加RAP热拌沥青混合料技术是将旧料再利用的技术之一，但过度强调沥青路面的高温和疲劳性能，对水稳定性没有进行过多考虑，会使路面出现过多水毁现象.国内外对于水损害的探索多数从矿料的级配调整、沥青与集料的粘附性机理以及微观特性等方面来研究.赵永利等[1]指出，真空饱和条件下测试沥青混合物的水稳定度高于马歇尔残余稳定度；冯俊领等[2]指出高温多雨地区的水温稳定指标，探索在室温水浴中进行全温高温循环一个月后，在冻融劈裂强度试验条件下，对不同标本进行混合料抗水毁能力评估；Edith等[3]开发了水分感应模拟试验(MIST)装置，可以模拟不同温度下的水压循环，结果可以很好地辨别不同沥青混合料抗冻能力的原因.

本文在研究大量国内外研究成果基础上，分析我国沥青混合料水稳定性的特点，从混合料的抗冻融性能角度出发，在不加再生剂的情况下，分别加入RAP(加热和不加热)含量为0%、10%、20%的混合料，进行劈裂试验来分析其抗冻性能.

1 原材料及混合料配合比设计

1.1 RAP材料

RAP取自抚顺市普通公路大中修工程中回收的材料，经过破碎处理及筛分后运回实验室进行自然风干，通过燃烧炉烧热后，对RAP中的沥青开展抽提试验.旧沥青性能指标如表1所示.

表1 旧沥青指标检测结果Tab.1 Test results of old asphalt indexes

试验测得RAP中旧沥青含量为3.82%.考虑到具体取料和粗细集料的分布问题，以及RAP中本身的含水量问题，测得的旧沥青含量略微有些偏差.

1.2 新沥青

试验使用抚顺地区提供的沥青，通过试验检测，其材料指标如表2所示.

表2 新沥青指标检测结果Tab.2 Test results of new asphalt indexes

1.3 新旧集料

表3、4为新旧粗细集料性能.由表3、4可知，试验中需要的混合料为AC-10和AC-13两种类型，其主要成分为石灰岩材料，所选用集料为针片状，其压碎值等多个指标均在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)范围内.

表3 新旧粗集料性能Tab.3 Performances of new and old coarse aggregates

表4 新旧细集料性能Tab.4 Performances of new and old fine aggregates

1.4 沥青混合料配合比设计

试验中RAP材料加入量分别为0%、10%、20%，其中，RAP含量为其占混合料的百分比.混合料中的配合比具体要求如表5所示.

2 冻融试验与结果分析

沥青路面的抗冻性是指抵御因水的侵害导致出现沥青膜破损、松垮、粘附性不强而毁坏的能力.为了探究低RAP对混合料抗冻能力的影响，本文采用两种类型沥青混合料，在不同掺量RAP情况下，通过对比试验来进行研究.

表5 沥青混合料配合比设计Tab.5 Design of mix proportion of asphalt mixtures %

2.1 试验方案及步骤

为了确保试验的精确性，规范要求每组平行试件不少于3个，本次每组取4个.针对AC-10、AC-13两种类型混合料，在3种RAP掺量下(0%、10%、20%)进行10组冻融劈裂试验，其中RAP料分为采用加热处理和未采用加热处理的情况，各4组合计8组，不添加RAP料的沥青混合料合计2组.将成型后的试件放在(-18±2) ℃恒温箱中，并且持续(16±1) h的养生.养生后对不同RAP掺量的沥青混合料进行冻融劈裂试验，按照《沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行操作.

通过一系列的试验，对冻融前后不同掺量RAP进行对比.冻融劈裂强度比公式为

2.2 试验结果分析

根据规范操作要求，对加入RAP的沥青混合料开展冻融试验，统计结果如表6所示.

表6 多种RAP掺量下沥青混合料的冻融劈裂检测Tab.6 Freezing-thawing splitting determination of asphalt mixtures with various RAP contents

表6数据为试验结果的均值，可以看出，在排除试验误差的情况下，对于AC-10和AC-13两类混合料而言，随着RAP的不断增加，试件的劈裂抗拉强度也不断增大，在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的冻融劈裂强度比(TSR)大于二级及二级以下道路的要求范围.图1、2为在RAP料加热和未加热情况下，AC-10与AC-13随RAP料变化的冻融劈裂强度变化情况.

图1 加热的RAP冻融劈裂强度Fig.1 Freezing-thawing splitting strength of heated RAP

由图1可知，AC-10与AC-13冻融强度随RAP掺量的增加而增加，并且呈现线性增长趋势.这是由于在RAP比例变多的过程中，细料不断增多，两种混合料的强度均增加.AC-10的细料多于AC-13，因此，AC-10在冻融后的强度损失低于AC-13.对于未加热的RAP而言，其强度略高于加热的RAP混合料，因为未加热的RAP在搅拌过程中细料分离得更多.加热的RAP中老化沥青有一部分与新沥青进行了交融，使得拌合后的调和沥青偏向老化.而未加热的RAP可以作为新集料的性质，其调和沥青的老化状态低于加热的RAP.但未加热的RAP在与新料融合过程中不是很均匀，其强度变化的规律性不强.

图2 未加热的RAP冻融劈裂强度Fig.2 Freezing-thawing splitting strength of unheated RAP

冻融劈裂强度比(TSR)是衡量沥青混合料抗冻性的关键指标.图3为冻融劈裂强度比变化图.由图3可以看到，RAP含量在0%～20%时，其劈裂强度比在《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)标准的范围内.AC-10的冻融劈裂强度比远远大于AC-13，这是因为AC-10的细集料较多，从而能够提高抗冻性.随着RAP的增加，结合料中老化沥青所占比例增多，粘结性能不如新的沥青好，使得其劈裂强度比下降[4].对于加热或者不加热的RAP，随着RAP掺量不断增多，其与新旧沥青、矿料等结合都会出现不均匀的问题，从而导致粘附性下降.

图3 冻融劈裂强度比Fig.3 Freezing-thawing splitting strength ratio

3 低RAP掺量混合料冻融性能

3.1 界面接触与冻融性能

通过对RAP沥青混合料开展扫描电镜(SEM)观察，研究接触面的连接情况，判定其与水稳定性的关联.图4、5为加热与未加热两种情况下无尘电镜扫描图像.

图4 加热RAP与集料形貌图Fig.4 Morphologies of heated RAP and aggregates

由于RAP原料经多年使用，其集料被老化的沥青包裹，吸收沥青能力下降，RAP掺量增多，其总体的油石比不断增加，所以沥青用量减少.由于RAP集料中旧沥青与新沥青存在不完全结合与交融作用，导致其抗冻性能略低于新集料.但混合料中老化的沥青较硬，破坏强度比无RAP沥青混合料小[5].图4中旧集料沥青受热后融化，从而粘附住旧料中的细料部分，细集料和新沥青形成的结合沥青增加了其强度，使得粗细粒料之间发生更好的嵌挤.而在未加热的RAP中，由于长期受荷载以及紫外线影响，旧料变得更为脆硬.在未加热情况下，旧沥青不会形成裹附，因此，图5中出现RAP与集料的不完全融合，导致未加热的RAP混合料融合性较低.

图5 未加热RAP与集料形貌图Fig.5 Morphologies of unheated RAP and aggregates

沥青混合料主要分为沥青和骨料两部分，一般而言，沥青和粒料中的细料或者所掺加的矿粉在结合中起到粘附性作用.而沥青在混合料中主要有两种存在方式，一种为自由沥青，一种为结构沥青，起到粘附作用的主要为结构沥青.因此要对沥青的最佳用量进行一个合理定位，达到一个饱和状态.该粘附性作用可对抗冻性能起到决定性作用[6].

3.2 老化沥青对冻融性能的影响

对于沥青质而言，其许多极性分子，如—OH、—NH2和—COOH等会引发沥青质向沥青与水分子界面处活动，在表面形成强的结构膜[7].沥青质分子结构产生位移倾向.为了具体研究集料与沥青之间的界面变化，采用超景深显微镜在放大300倍条件下进行逐层扫描，并将每一次扫描进行合并[8]，得到的平面图和3D海拔图如图6、7所示.

随着时间的延长，混合料中沥青部分发生上移，显示出矿料与沥青部分呈现高度差.图7中红色区域代表海拔升高地带，该地带多为沥青，绿色和蓝色区域代表集料及界面位置.通过上述图片能够看到融合情况，以及自由沥青因集料之间的挤压而发生位移[9]，由于多余的沥青而使得混合料的结构发生变动.RAP不断增加使得细料含量变多，会导致沥青量增加，其在混合料中总体的比例发生变化.从针入度角度出发，RAP通过加热后沥青有部分融化，与新沥青进行融合，融合后沥青的老化程度升高，因此在劈裂强度试验中混合料会变得脆硬.

图6 混合料微观平面扫描Fig.6 Micro plane scanning of mixture

3.3 冻融强度因素的因子分析

沥青混合料劈裂强度由很多因素决定，例如AC-10和AC-13两种不同类型的粒径、RAP所掺加的比例、矿料的级配、油石比、空隙率等.通过引入IBM SPSS进行回归分析来研究影响因素，对冻融劈裂前后的强度值，多种不同影响因素与冻融劈裂抗拉强度比进行拟合，找到主要影响因素.含低RAP掺量的材料合成后的级配以及混合料粒径通过的百分率如表7所示.

图7 混合料界面3D海拔扫描Fig.7 3D elevation scanning of mixture interface

表7 不同混合料的级配合成Tab.7 Synthesis of mixtures with different grading types %

由于不同档料的粒径很多，将其按照粗细划分，主要对其细料粒径进行划分，分为>4.75 mm，1.18～4.75 mm，0.3～1.18 mm，<0.3 mm四档不同类型，分别用矿料1～4来表示，其空隙率、矿料粒径、油的含量、TSR平均值如表8所示.

表8 不同混合料的影响因素指标Tab.8 Influencing factor indexes of different mixtures

利用SPSS软件进行多元回归分析，逐步分析各个影响因素，对次要影响因素进行一一排除，对主要影响因素建立回归分析，在置信区间大于等于95%的情况下，排除粒径为1.18～4.75 mm及4.75 mm以上两档混合料的影响，对其他5个影响因素进行诊断，从而得出影响因素之间的相关性表达.提取主要作用的成分，令y1、y2为AC-10和AC-13中劈裂强度的因变量，x1、x2、x3、x4分别为油石比、矿料3、矿料4以及RAP掺量.

AC-10与AC-13表达式分别为y1=189.7-6.197x1-5.984x2-4.427x3-26.358x4，y2=292.89-26.044x1-2.049x2-5.839x3-112.59x4，从而确定了劈裂强度比与因变量的多元线性联系.在降维因子分析中，首先开始KOM和Bbartlett检测，按降序第一因子进行排序，获得旋转后的因子载荷，从而得到旋转前后的主成分系数[10].

表9为采用Kaiser旋转前后计算得到的成分矩阵，由因子的得分情况及旋转前后的数值变化，找出影响劈裂强度比的关键因素.

表9 旋转前后的因子荷载矩阵Tab.9 Factor loading matrix before and after rotation

4 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) AC-10混合料的抗冻性能优于AC-13，因为AC-10的细集料部分较多，能够充分填充骨架孔隙.

2) 随着RAP掺量的增加，劈裂强度比主要呈现下降趋势.通过微观扫描分析形貌结构可知，加热的RAP融合性能更好，但是加热后整体沥青老化程度较高，对RAP是否进行加热对劈裂强度比变化影响不明显.因此，在工程实际中考虑到经济需要时可以不对旧料进行加热.

3) 通过因子分析确立因变量与主要自变量间的关联，找到主要因素，在荷载矩阵中进行旋转.