基于平衡设计的RAP最佳掺量确定方法研究

(广东晶通公路工程建设集团有限公司, 广东 广州 510635)

0 引言

随着我国交通事业的发展和环保理念的进步，沥青路面再生技术得到了越来越多的应用。沥青路面再生可分为热再生、冷再生和温再生；按照再生处理形式可分为厂拌式和就地式。厂拌热再生由于其将旧料重新筛分加入新沥青混合料中，再生沥青混合料的性能能够得到保证，在实际工程中取得了较好的应用效果，行业认可度较高[1-3]。现有研究表明，只要严格控制施工质量，高掺量回收沥青路面材料(RAP)再生沥青混合料也能取得良好的路用性能和耐久性。西班牙道路使用了60%RAP的再生沥青混合料，经过多年观测后，该段道路没有产生显著病害；而我国厂拌热再生沥青混合料使用中，业主出于耐久性考虑，实际工作中通常仅加入20%左右RAP。目前,对于厂拌热再生沥青混合料中RAP的掺量确定比例缺乏研究。

美国在1980年代末期实施公路战略研究计划时，发现最常见的路面损坏形式是车辙。但随着各种新技术的应用，路面损坏形式发生了较大变化，最常见的病害形式变为裂缝。基于该调查结果，美国联邦公路局提倡平衡的配合比设计(BMD设计方法)，该方法回归到Superpave系统的性能测试原则，在抗车辙和抗裂性能之间找到平衡点[4-6]。本文借鉴平衡设计的理念，以不同RAP掺量下再生沥青混合料抗裂性和抗车辙能力平衡点作为RAP最佳掺量，为科学确定RAP最佳掺量提供参考。

1 试验设计及原材料

1.1 原材料试验

新沥青采用的是中国石油化工股份有限公司茂名分公司生产的A级70#普通石油沥青，其主要技术指标如表1所示。

表1 70#沥青技术指标类别针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)针入度指数PI延度(5 cm/min)/cm15 ℃10 ℃软化点/℃60 ℃动力粘度/(Pa·s)腊含量(蒸馏法)/%闪点/℃溶解度/%25 ℃弹性恢复/%旋转薄膜加热后残留物质量变化/%25 ℃针入度比/%延度/cm10 ℃15 ℃15 ℃密度/(g·cm-3)25 ℃相对密度技术要求60～80-1.5～1.0≥100≥15≥46≥180≤2.2≥260 ≥99.5≥75-0.8～0.8≥61≥6 ———检测结果62-1.45>10021.248.52551.833099.82910.04482 6.4451.0451.036

旧沥青混合料采用1次铣刨方式铣刨，从现场取回后，实验室内采用26.5 mm和9.5 mm筛孔对其进行筛分，将旧沥青混合料分为0～9.5 mm和9.5～26.5 mm 2档，并分别对其抽提筛分，混合料级配如表2所示。采用阿布森法回收老化沥青，测试老化沥青的针入度，0～9.5 mm回收沥青针入度为20(0.1 mm)，9.5～26.5 mm回收沥青针入度为22(0.1 mm)，均可用于厂拌热再生工程。粗集料、细集料和填料经测试均满足规范要求，再生剂是荷兰Prephalt牌FBK型再生剂。

表2 RAP矿料检测结果RAP矿料规格/mm通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0759.5～26.5100.098.495.984.646.623.116.011.59.67.25.64.20～9.5100.0100.0100.0100.099.965.541.127.521.615.111.17.4

1.2 配合比设计

设计原则是改变RAP掺量的同时调整新集料配比，使得不同RAP掺量的再生沥青混合料级配曲线相当，设计了RAP掺量为20%、40%、60%和80%时的混合料级配，其各筛孔通过率见表3。再生沥青混合料实验室拌合流程为:先加入RAP和再生剂拌合90 s，再加入新集料干拌90 s，然后加入新沥青拌合90 s，最后加入填料拌合90 s，通过改变成型温度保证沥青用量和空隙率处在同一水平，马歇尔试验结果如表4所示。

表3 再生沥青混合料级配曲线设计混合料名称通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075GAC-25+20%RAP10099.287.580.370.255.335.025.516.013.89.57.95.6GAC-25+40%RAP10099.187.879.669.552.434.223.516.813.510.07.55.5GAC-25+60%RAP10099.087.980.672.757.436.126.517.914.310.28.05.7GAC-25+80%RAP10099.088.178.768.349.732.322.815.913.09.77.75.8

表4 再生沥青混合料最佳油石比马歇尔试验结果混合料类型最佳油石比/%试件密度/(g·cm-3)理论实测空隙率/%GAC-25+20%RAP3.602.5322.4403.6GAC-25+40%RAP3.602.5352.4423.7GAC-25+60%RAP3.602.5372.4443.7GAC-25+80%RAP3.602.5392.4453.7———(4～6) 注: 括号内为技术要求。

1.3 试验方法

1.3.1低温抗裂性能

评价沥青混合料的低温抗裂性能可采用半圆试验、间接拉伸试验或小梁弯曲试验。沥青路面在车辆荷载作用下，路面板呈现出上侧受压下侧受拉的弯拉状态。因此，本文抗裂性能以小梁弯曲试验评价。

1.3.2高温抗车辙性能

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)推荐单轴贯入试验评价沥青混合料的高温性能[7]。因此，本文采用单轴贯入试验评价再生沥青混合料的高温性能。

2 试验结果及分析

2.1 抗裂性能

室内成型小梁试件，测试其弯拉应变，试验结果如图1所示。

图1 RAP掺量和弯拉应变关系图

由图1可知，随着RAP掺量的增加，再生料的低温弯拉应变呈下降趋势。在较低RAP掺量时，再生沥青混合料的低温抗裂性能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)不小于2 000 με的要求；RAP掺量超过60%后，其低温性能低于规范要求，不适用于低温地区使用。主要是因为沥青老化后，低温性能变差，再生剂、旧沥青和新沥青融合不充分导致不能完全恢复旧沥青的性能，RAP掺量越高，融合程度越低，新、旧融合程度不够的结合处越多，非常容易产生薄弱点，在施加荷载时这些薄弱点成为应力集中处，从而造成破坏。因此RAP掺量越高，低温性能越差。

2.2 高温性能

将不同RAP掺量再生沥青混合料制成马歇尔试件，以60 ℃单轴贯入强度作为评价指标，测试得到的结果如图2所示。

图2 RAP掺量和单轴贯入强度关系图

由图2可知，随着RAP掺量的减少，单轴贯入强度逐渐减小，再生沥青混合料的高温性能逐渐减弱。RAP掺量从60%增加到80%,再生料单轴贯入强度增加了0.4 MPa；而掺加20%RAP的再生料比掺加40%RAP的再生料单轴贯入强度仅低0.23 MPa。说明随着RAP掺量减少，再生料的高温性能逐渐减弱，但减弱程度不同，掺量减小对高掺量RAP再生料的高温性能影响较大，对低掺量RAP再生料的影响较小。主要原因在于:再生剂加入后不能完全和旧沥青混合料中的旧沥青完全融合，RAP掺量越高，再生剂与旧沥青融合程度越低，形成的再生沥青针入度越小，从而使得高RAP掺量再生料的单轴贯入强度较高；RAP掺量较低时，新沥青含量高，未完全与旧沥青融合的再生剂跟新沥青发生作用，这部分再生剂和新沥青融合，增加新沥青的针入度，使得低RAP掺量再生沥青混合料的高温性能减弱变慢。

2.3 确定最佳掺量

再生沥青混合料的高温抗车辙系数为：

式中：Ai表示不同掺量下再生沥青混合料的单轴贯入强度;A为20%～80%单轴贯入强度的均值，即：A=∑Ai/4，其中i取20%、40%、60%、80%。

再生沥青混合料的低温抗裂系数为：

式中：Bi表示不同掺量下再生沥青混合料的低温弯拉应变；B表示20%～80%的低温弯拉应变均值,即:B=∑Bi/4，其中i取20%、40%、60%、80%。

不同RAP掺量再生沥青混合料的高温车辙系数和低温抗裂系数变化如图3所示。随着RAP掺量的增加，高温抗车辙系数Di逐渐增加，低温抗裂系数Fi逐渐减小。因此，随着掺量的增加，抗车辙系数和抗裂系数存在一个交叉点，认为此处能较好地平衡再生沥青混合料的高温性能和低温性能，并以交叉点处的RAP掺量作为再生沥青混合料最佳掺量。

图3 RAP掺量与均值比关系图

由于加入了再生剂和RAP，因此掺加RAP后再生沥青混合料的高温性能优于普通沥青混合料，同时低温性能满足规范要求。由图3可知，抗车辙系数和抗裂系数在RAP掺量为52%处交叉，所以认为RAP掺量为52%时能够较好地平衡再生沥青混合料的高温和低温性能，实际操作中为了施工方便，取50%RAP掺量作为最佳掺量。

3 工程应用

广州市机场高速公路是连接机场的一条重要干道，也是广州市对外交流和展示的重要形象。经过十几年运营后，大多数路段已经超过了设计年限，

道路服务水平和整体形象受到了较大影响，为了提高路面的使用功能，更好地展现广州的良好风貌，2018年在广州市机场高速公路上应用了厂拌热再生技术，对旧沥青路面铣刨后重新加入部分新沥青和新集料拌合成再生沥青混合料，重新铺筑在原路段。本次厂拌热再生技术中应用了平衡设计的理念，在GAC-25再生沥青混合料中，确定了RAP最佳掺量为50%，然后再进行配合比性能验证，其路用性能如表5所示。

表5 再生沥青混合料路用性能类别动稳定度/(次·mm-1)残留稳定度/%劈裂抗拉强度比/%试验结果5 92793.189.7技术要求≥1 000≥80≥75

由表5可知，再生沥青混合料路用性能符合要求，可以用于指导生产，现该段路经过1 a使用后，未发现车辙、裂缝和坑槽等早期损害，因此基于平衡设计的RAP最佳掺量确定方法可以用于实际生产。

4 结论

本文提出了一种基于平衡设计的RAP最佳掺量确定方法，研究发现再生沥青混合料随着RAP料的增加，高温抗车辙性能逐渐增强，低温抗裂性能逐渐减弱，以20%、40%、60%和80%RAP掺量的再生沥青混合料抗车辙性能和抗裂性能均值比交叉点作为平衡点，平衡考虑抗裂性能和抗车辙性能，推荐50%RAP掺量作为最佳掺量，并在广州市机场高速公路中应用，取得了良好的效果，为确定再生沥青混合料的RAP最佳掺量提供了科学依据。