大掺量厂拌热再生沥青混合料路用性能研究

陈 波

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司 国家山区公路工程技术研究中心特殊铺装技术研究所，重庆 400067)

0 引言

随着我国交通建设的发展和公路绿色养护需求的不断上升，废旧沥青路面材料(RAP)作为一种重要的、可循环再生利用的自然资源，在道路建设和养护工程中发挥着巨大作用。在RAP的再生利用过程中，再生沥青混合料(Recycled Asphalt Mixture)存在低温性能、水稳定性能、抗疲劳性能不足的问题[1]。

Mogawer等[2]研究了40%RAP掺量的再生沥青混合料路用性能，结果表明再生沥青混合料的强度大于新料，低温性能与新料相当。陈龙等[3]考察了RAP掺量为10%～50%的再生沥青混合料的低温和水稳定性，结果表明再生沥青混合料的低温和水稳定性随RAP的加入而降低。董玲云等[4]针对不同老化程度的RAP，采用马歇尔方法进行配合比设计，测试RAM的疲劳性能，结果表明RAM的疲劳寿命随RAP老化程度的提高而降低。李泉等[5]研究RAP材料变异性对RAM性能的影响，结果表明减少RAP的材料变异性可以提高RAM的路用性能。

RAP的循环再利用具有广阔的应用前景，目前国内外学者针对低掺量(<50%)的再生沥青混合料路用性能进行了大量实验研究，RAM的各项路用性能均可以满足要求，对高掺量的RAM路用性能研究较少。本文基于马歇尔方法设计了AC-13，AC-16两种再生沥青混合料，采用室内试验研究再生沥青混合料的高温、低温、水稳定性和疲劳特性，分析RAP掺量、再生剂和级配对再生沥青混合料路用性能的影响规律，为大掺量RAP再生沥青混合料的生产与应用提供参考。

1 原材料

再生剂ZZ为重庆交通大学研制的沥青再生剂，其主要成分包括高芳烃含量的石油提取物、韧性恢复材料和抗老化剂，掺量为老化沥青质量的7%[3]，其技术指标如表1所示。

RAP取自贵阳毕节高速公路中面层，原沥青路面胶结料为70号基质沥青，沥青含量为4.8%，RAP中沥青的性能指标见表2，集料物理指标见表3。

表1 ZZ再生剂基本性能指标

表2 RAP中沥青的性能指标

表3 回收集料物理指标

2 再生沥青混合料配合比

由RAP与70号基质沥青配置AC-13和AC-16型再生沥青混合料(RAM)，根据马歇尔设计方法，计算了RAM的最佳沥青用量、新沥青用量，并测试了混合料的空隙率，实验结果见表4。

表4 再生沥青混合料的配合比

分析表4可知，再生沥青混合料的总沥青用量随RAP掺量的增大而提高，RAP掺量增加10%，RAM总沥青用量增加0.2%～0.3%。分析其原因是：随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料中旧沥青含量提高，旧沥青在自然条件下老化，其中部分沥青与集料形成嵌固结构，通过回收拌和无法实现完全再生，导致马歇尔方法确定的沥青含量偏高。对比掺入再生剂前后沥青混合料沥青用量可知，RAP掺量相同时，加入ZZ再生剂后，RAM的最佳沥青用量降低0.2%～0.3%，新沥青用量降低0.2%～0.4%，表明再生剂能够提高老化沥青的再生性，分析其原因是再生剂使部分老化沥青的路用性能得到恢复，提高了老化沥青的利用率[4,5]。

3 再生沥青混合料路用性能

3.1 高温性能

按照JTG E20—2011公路工程沥青和沥青混合料试验规程T0703—2011的方法成型车辙试件，采用车辙实验研究RAM的高温抗变形能力，实验条件为：轮压0.7 MPa±0.05 MPa，实验温度为60 ℃±1 ℃，实验结果如表5，图1所示。

表5 再生沥青混合料车辙试验结果

动稳定度能够表征沥青混合料抵抗高温变形的能力，我国《公路沥青路面施工技术规范》要求基质沥青混合料的高温性能应大于800次/mm。分析再生沥青混合料的高温性能可知，RAM的动稳定度随RAP的掺量变化明显，提高RAP掺量能够改善沥青混合料高温条件下的抗变形能力。RAP掺量相同时，使用再生剂的再生沥青混合料动稳定度较低，表明再生剂对沥青混合料的高温性能有不利影响。其主要原因是ZZ再生剂富含芳香分、饱和烷烃等化合物，对沥青的胶体结构和力学性能有显著影响，降低沥青的粘度和模量，导致RAM的动稳定度下降。此外，AC-16型再生沥青混合料的动稳定度高于AC-13型，表明采用较大公称粒径的级配能够提高沥青混合料抵抗高温变形的能力。

3.2 低温性能

沥青混合料是典型的柔性路面结构，具有良好的低温变形能力，本文采用低温小梁弯曲实验，测试不同RAP掺量的RAM在-10 ℃、加载速率50 mm/min条件下的抗弯拉强度、破坏应变、弯曲劲度模量，评价沥青混合料的低温抗裂性能,实验结果见表6。

低温弯曲实验表明，随着RAP掺量比例的增加，再生沥青混合料的抗弯拉强度RB无明显变化规律，最大弯拉应变εB逐渐降低，弯曲劲度模量SB逐渐增大。表明，RAP提高了沥青混合料低温下的塑性变形能力和应力耗散能力，对再生沥青混合料的低温抗裂性能有不利影响。再生剂对沥青混合料的低温应变特性影响显著，掺加再生剂后，再生沥青混合料的抗弯拉强度RB和最大弯拉应变εB增大，弯曲劲度模量SB减小，再生剂提高了再生沥青混合料的柔性变形能力，对低温性能有改善作用。当RAP掺量在40%～70%之间时，AC-13和AC-16型RAM的低温性能均满足JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范中εB>2 000 με的技术要求。此外，AC-16型RAM的弯拉应变大于AC-13型，劲度模量小于AC-13型，说明AC-16型再生沥青混合料的抗裂性能优于AC-13型，从低温性能考虑，AC-16型级配更适合用于高掺量的再生沥青混合料。

表6 再生沥青混合料低温弯曲试验结果

3.3 水稳定性

水损害是沥青混合料最显著的早期病害形式，根据《规程》中沥青混合料水稳定性评价方法，本文测试不同RAP质量分数、掺加再生剂前后的RAM冻融劈裂残留强度比TSR，评价RAM的水稳定性能，实验结果见表7。

表7 再生沥青混合料水稳定实验结果

由劈裂实验结果可以看出，对于AC-13与AC-16两种级配，冻融劈裂残留强度比TSR均随着RAP掺量的增加而降低。掺加再生剂后，沥青混合料的残留强度比增大，表明再生剂对沥青混合料的水稳定性有改善作用。这主要是因为再生剂所含的轻质组分与老化沥青融合，降低了老化沥青的粘度，提高了老化沥青在集料表面的铺展、浸润程度；同时，再生剂使老化沥青的轻质组分(芳香分、饱和分)比例上升，沥青质、胶质的含量降低，改善了老化沥青的分子极性，从而提高沥青与集料的粘附能力[11]。

3.4 疲劳特性

本文使用万能材料试验机UTM对RAM进行间接拉伸疲劳试验，研究RAP掺量、应力水平、再生剂对再生沥青混合料疲劳特性的影响。试件采用标准马歇尔试件，以试件竖向应变达到6%为疲劳破坏标准，荷载加载模式为应力控制，加载波形为半正矢波,加载频率为10 Hz，试验温度为15 ℃，应力水平为0.3，0.4，0.5，0.6。按照JTG E20—2011公路工程沥青和沥青混合料试验规程T0716—2011的方法测试RAM在15 ℃的劈裂强度，确定疲劳试验的荷载值，劈裂强度试验结果见表8。

由表8可见，对于AC-16与AC-13型RAM，随着RAP掺量的增加，其劈裂强度呈增大趋势，这主要是因为RAP中老化沥青的劲度模量高于普通沥青，使RAM的强度高于普通沥青混合料，变形能力下降。对于同种级配的RAM，RAP掺量相同时，ZZ再生剂的加入降低了劈裂强度，其主要原因是再生剂能够调节老化沥青的组分和胶体结果，具有软化沥青的作用，改善了老化沥青的流变性能，宏观表现为RAM的劈裂强度降低。

表8 再生沥青混合料劈裂强度试验结果

研究表明，应力比与疲劳寿命的对数呈线性关系，其方程形式为：

logNf=k-nσ

(1)

其中,σ为应力水平；Nf为疲劳寿命；k为沥青混合料的疲劳寿命初值；n为沥青混合料疲劳寿命对应力比的敏感度[10]。

本文对AC-13与AC-16两种级配的RAM进行间接拉伸疲劳试验，按照式(1)对数据进行线性回归，结果见表9，图2，采用最小二乘法对回归方程进行参数估计，结果表明：线性回归方程的R2>0.95,回归效果显著。

根据图2可知，随着RAP掺量的增加，疲劳方程的k与n均减小，表明随着RAP掺量的增加，RAM的疲劳寿命降低，疲劳寿命对应力比的敏感程度也降低。在相同级配和RAP掺量条件下，加入再生剂后，n与k增大，表明再生剂能够提高RAM的疲劳寿命，同时RAM对应力的敏感程度提高。AC-13型RAM的疲劳寿命大于AC-16型，随RAP掺量增加AC-13型RAM的疲劳寿命降幅低于AC-16型，因此，从再生沥青混合料的长期性能考虑，使用公称最大粒径较小的级配更适用于大掺量再生沥青混合料。

表9 再生沥青混合料劈裂强度试验结果

4 结论

1)RAP掺量增加10%，RAM的总沥青用量增加0.2%～0.3%；RAP掺量相同时，加入ZZ再生剂后，RAM的总沥青用量降低了0.2%～0.3%，新沥青用量降低了0.2%～0.4%，再生剂能提高老化沥青的利用率。2)随着RAP掺量的增加，RAM高温性能提高，低温性能、水稳定性能均下降，再生剂降低了RAM的高温性能，对低温性能、水稳定性能有明显改善作用。3)随着RAP掺量从40%增加到70%，AC-13与AC-16型RAM的15 ℃劈裂强度分别从2.51 MPa，3.17 MPa增加到2.96 MPa,3.66 MPa，增幅分别为18%，15.5%，劈裂强度与RAP掺量具有显著的相关性。4)RAM的对数疲劳寿命与应力比具有显著的线性关系，随着RAP质量分数的增加，拟合方程的截距减小，RAM的抗疲劳性能降低，加入ZZ再生剂后，RAM的疲劳寿命增大，应力敏感度升高。5)对比AC-13和AC-16两种再生沥青混合料的路用性能可知，使用较小粒径的级配能够提高沥青混合料的疲劳性能和水稳定性。