RAP掺量对半柔性路面路用性能的影响

包惠明， 叶腾飞， 迟恩涛， 汤铭锋， 卢孙泉

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004)

截止2018年末,我国公路总里程已达到484.65万km，公路养护总里程占公路总里程98.2%[1]，在环境因素和交通荷载的综合作用下，沥青路面在使用一定年限后，容易出现车辙、坑洞、松散等病害.在维修、加固、改、扩建道路过程中，路面的铣刨料每年的产出量已经达到1.6 亿t[2].充分利用这些再生资源既能避免再生沥青混合料(RAP)堆放对环境的破坏，也能降低工程的造价.为充分利用RAP，我国开展了再生料再利用研究工作， 现行规范中推荐掺配比例一般为15%～30%， 而实际工程应用中仅为20%左右[3].过高的掺量使路面在使用初期就产生了较多的病害，使得“变废为宝”适得其反.厂拌热再生沥青路面实验研究表明[4-5]，RAP掺量与再生沥青路面高温稳定性成正相关,与低温抗裂性成负相关，且掺加RAP使得再生沥青路面长期抗水毁能力下降，当RAP掺量达到30%时，相关性能要求仍符合规范要求.

半柔性路面是一种双骨架结构(开级配沥青骨架和水泥骨架),在大空隙母体沥青混合料中灌注水泥砂浆，最终硬化形成的高性能路面[6-7].半柔性路面兼具混凝土路面和沥青路面的双重优势，混凝土路面的高温性能和水稳性能优于沥青路面，当在沥青路面中灌注水泥砂浆制备半柔性路面，砂浆的掺入可以提高半柔性路面路面的抗渗性、高温性.本文以体积法设计基体沥青混合料级配，灌注砂浆后养护7 d，进行不同RAP掺量的路用性能试验，确定不同RAP掺量对路用性能的影响.

1 原材料

1.1 沥青

实验沥青为中国石化茂名分公司生产的70号道路石油沥青，沥青主要检测指标，如表1所示.表1中：P为针入度(25 ℃，100 g，5 s)；θ1为环球法软化点；l为15 ℃的延度；w为蒸馏法的质量分数；θ2为开口闪点；S为溶解度；ρ为15 ℃时的密度.

表1 沥青主要检测指标Tab.1 Main detection indexes of asphalt

1.2 RAP

掺加的再生沥青混合料来源于安徽省高速改造工程路面铣刨料，选用10～17 mm单一大粒径RAP,经离心抽提：RAP油石比为2.74%；25 ℃的针入度为3.26 mm;环球法软化点为65.7 ℃.

1.3 砂浆

砂浆的性能较大程度决定了路面的性能[8-9]，国外的工程实践经验表明：半柔性路面灌浆料有足够的流动度，从而保证基体沥青混合料有较高的灌注率;灌浆材料有较高的强度，从而提高半柔性路面的承载能力[10].我国的交通运输部发布JT/T 1238-2019《半柔性混合料用水泥基灌浆材料》[11]，对水泥基灌浆料的技术要求如下：初始流动度为10～14 s;抗折强度≥2.0 MPa,7 d养生;抗压强度为15.0～30.0 MPa，7 d养生；凝结时间≥120 min.

灌浆料实验参照T/CECS G: D51-01-2019《道路灌注式半柔性路面技术规程》，材料简单环保：水泥为PC 42.5型复合硅酸盐水泥(广西桂林海螺水泥有限公司)；标准砂为中国ISO标准砂(福建省厦门市艾斯欧公司)，粒径范围为0.08～2.00 mm；粉煤灰、矿粉(河南省巩义市某净水材料公司).具体配合比如下：水胶比为0.5；矿粉掺量为10%；粉煤灰掺量为25%；砂掺量为26.7%.该配合比测试结果如下：流动度为11.5 s；抗压强度为18.6 MPa；抗折强度为3.7 MPa；凝结时间为176 min.半柔性灌浆料配合比参数设计测定结果符合JT/T 1238-2019《半柔性混合料用水泥基灌浆材料》的技术要求，且抗折强度远远超过技术的要求(2.0 MPa)，表明此配合比砂浆性能优良.

2 再生半柔性路面级配设计及路用性能

2.1 基体沥青混合料级配设计

灌注式半柔性路面基体沥青混合料为大空隙结构沥青混合料，设计空隙率为20%～30%，运用体积法对半柔性路面基体沥青混合料进行级配设计[12-13].在进行再生半柔性路面级配设计时，为形成大空隙骨架-密实结构,贴近工程实际应用，并减小细集料中大量老化沥青对基体沥青混合料的影响，仅掺加9.5～13.2 mm的单一粒径粗集料，空隙率设计为21%.半柔性路面基体沥青混合料级配，如表2所示.表2中：d为筛孔的边长.

表2 半柔性路面基体沥青混合料级配Tab.2 Gradation of semi-flexible pavement matrix asphalt mixture

半柔性路面基体沥青混合料属于骨架-密实结构，与普通沥青混合料的级配有较大的差异，若仍然采用传统的马歇尔试验法,所确定的最佳沥青质量分数(沥青用量)将超过裹附集料所需的沥青用量[14].因此，采用谢伦堡沥青析漏试验及肯塔堡飞散试验进行初步确定，最后，通过马歇尔试验进行验证及调整.以RAP掺量为30%时为例，设置5个梯度沥青用量，测定的肯塔堡飞散损失及谢伦保析漏损失，如图1所示.图1中：η1为飞散损失；η2为析漏损失；w(沥青)为沥青用量.

(a) 肯塔堡飞散损失 (b) 谢伦保析漏损失图1 最佳沥青用量实验Fig.1 Experiment on optimum amount of asphalt

从图1可知：曲线拐点处横坐标即为最大沥青用量或最小沥青用量，取其平均值，测定马歇尔稳定度，并验证稳定度指标是否符合要求.不同RAP掺量的最佳沥青用量,如表3所示.表3中：w(RAP)为RAP掺量；MS为稳定度；wb(沥青)为沥青的最佳用量.

表3 不同RAP掺量的最佳沥青用量Tab.3 Optimal amount of asphalt for different RAP dosage

由表3可知：再生料掺入能够降低基体沥青混合料的沥青用量，每掺加15%再生料约可减少基体沥青混合料0.9%沥青用量；再生料的掺入能够增大基体马歇尔稳定度，每掺加15%再生料可增大约13%的基体马歇尔稳定度.

2.2 再生半柔性路面路用性能

半柔性路面以基体沥青混合料为主体，灌浆养护后路面刚度稍大于普通沥青路面,远小于混凝土路面，偏柔性[15]，因此，采用沥青路面试验评价半柔性路面的相关路用性能.砂浆在常规条件下养护7 d,强度可达28 d的80%左右.

2.2.1 水稳定性能评价 由于半柔性路面中存在砂浆，使得其与普通沥青水稳定性能有较大的差异，当半柔性路面砂浆灌注率达到85%以上时，路面的渗水系数几乎为0.因此，半柔性路面的水稳定性能优于普通沥青路面.由于再生半柔性路面材料为三相非均质材料，通过对比浸水马歇尔试验、冻融劈裂实验评价方法确定最优评价方法.不同RAP掺量的再生半柔性路面水稳性能指标的影响，如图2所示.图2中：δ为冻融劈裂实验强度比；MS0为砂浆残留稳定度

(a) 冻融劈裂强度比 (b) 残留稳定度图2 不同RAP掺量对再生半柔性路面水稳性能指标的影响Fig.2 Influence of different RAP dosages on water stability performance index of recycled semi-flexible pavement

由图2可知：浸水马歇尔试验及冻融劈裂实验的水稳性能有较大的差异，从统计学规律看，砂浆残留稳定度随着RAP掺量增大而增大，这是由于砂浆在60 ℃恒温水浴箱中养护的强度增长大于砂浆在标准条件下养护；低RAP掺量中半柔性路面冻融劈裂强度比随着RAP掺量增大而提高，当RAP掺量超过15%时，冻融劈裂强度比逐渐下降，当掺量较高(超过30%)时，其冻融劈裂实验强度比不满足现行规范中指标规定(不低于80%).较低RAP掺量下，老旧沥青与集料结合得更紧密，增强了水稳定性能，随着RAP掺量的增加，RAP的材料变异特性使得再生半柔性路面中新老沥青融合程度下降，水稳性能也随之下降，综上，建议选用冻融劈裂实验测定半柔性材料的水稳定性能.

2.2.2 低温抗裂性能评价 我国大部分地区冬季漫长，平均温度较低，低温开裂是沥青路面主要病害之一，在半柔性路面中，集料、沥青及砂浆温缩系数不同.沥青和砂浆温缩系数对整体低温性能影响程度较大，未有统一的评价方法.低温弯曲实验、低温蠕变实验需切割车辙试件，由于灌浆及材料分布差异，半柔性路面小梁试件个体差异化较大，因此，对测试结果有较大的影响. 采用易于控制灌浆量和均匀性的低温劈裂实验测定低温性能.按规范成型的马歇尔试件灌浆养生7 d，实验温度为-10 ℃，加载速率为 50 mm·min-1.不同RAP掺量低温劈裂实验结果，如表4所示.表4中：F为劈裂值；εT为破坏拉伸应变；p1为劈裂抗拉强度；p2为弯曲劲度模量.

表4 不同RAP掺量低温劈裂的实验结果Tab.4 Low-temperature splitting experiment results of different RAP dosages

由表4可知：RAP掺量对抗弯拉强度与破坏拉伸应变影响表现出一致性，在低掺量时，RAP能够增强破坏拉伸应变，从而增强再生半柔性路面材料的低温抗裂性能；当掺量较高(超过30%)时，低温抗裂性能呈现下降趋势.RAP材料能够在低掺量条件下增强混合料的粘结性性能，提高低温抗裂性能，随着RAP掺量的增加，新旧沥青混合均匀性变差，融合紧密程度也随之下降，导致再生半柔性路面的低温抗裂性能随RAP掺量的增大而下降.

2.2.3 高温稳定性能评价 普通沥青路面的高温稳定性一般较差，高温时，路面经常出现车辙印迹，而良好的抗车辙性能是半柔性路面主要优点之一.以动稳定度(DS)和车辙位移(s)表征高温稳定性性能的优劣，标准车辙实验的车辙尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，进行3次平行试验.不同RAP掺量对再生半柔性路面高温稳定性能指标的影响，如图3所示.

(a) 动稳定度 (b) 车辙位移图3 不同RAP掺量对再生半柔性路面高温稳定性能指标的影响Fig.3 Influence of different RAP dosages on high-temperature stability performance index of recycled semi-flexible pavement

掺加RAP的试件细集料比例增大，细集料堵住了部分母体空隙，造成密闭孔隙的增大.由图3可知:车辙位移随掺量增大而增大，但总体位移较小且各RAP掺量的动稳定度均大于10 000次·mm-1，显著大于普通沥青路面的动稳定度指标，具有优良的抗车辙性能；动稳定度呈现先减小后增大的趋势，这是由于空隙的减小导致动稳定度的下降，当RAP掺量为30%时出现拐点，动稳定度出现最小值，后期空隙率降低放缓，动稳定度提升，老化沥青中重质成分的增加提升抗变形能力，导致动稳定度的增大.

综合车辙位移及动稳定度指标，从统计学角度可近似认为高温性能随RAP掺量增大呈线性降低.这与普通沥青混合料随着RAP掺量增加性能增强的结论相反，这是由于三相非均质性(材料性质在空间上的变化)的材料特性和联锁结构特征导致，在进行再生半柔性路面最佳RAP掺量设定时，高温性能可作为次要考虑因素，优良的高温抗车辙性能是半柔性路面最突出的特点.

3 RAP掺量与路用性能灰色关联分析

3.1 灰色关联分析理论

1982年，邓聚龙提出描述因素间关系强弱的灰色关联分析法，有如下4个求解步骤.

步骤1确定参考序列和比较序列.灰色关联分析以RAP的掺量为参考序列，以劈裂抗拉强度、动稳定度、车辙深度、残留稳定度、冻融劈裂抗拉强度比等路用性能指标为比较序列.

参考序列为X0={X0(1),X0(2),X0(3),…,X0(m)}.

比较序列为X1,X2,X3,X4,…,Xi;Xi={Xi(1),Xi(2),Xi(3),…,Xi(m)}，i=1,2,3,…,m.

步骤2数据无量纲处理.使用均值法对数据进行无量纲处理，即

(1)

(2)

步骤3参考数列与比较数列的灰色关联系数为

(3)

式(3)中：k=1,2,3，…，m；ρ1为分辨系数，取值范围为(0,1)，通常取0.5.

步骤4关联度的求解.关联度γi为

(4)

式(4)中：γi表示xi与x0的关联程度，数值越大，趋势越接近.

3.2 RAP掺量与路用性能灰色关联度分析

不同RAP掺量的半柔性路面路用性能指标灰色关联度，如表5所示.表5中：h为车辙深度.

表5 不同RAP掺量的半柔性路面路用性能指标灰色关联度Tab.5 Gray correlation degree of semi-flexible pavement performance indicators with different RAP dosages

由表5可知：灰色关联度值越大，RAP对路用性能影响越大；当0.600<γi≤1.000时,关联度为强度关联，当0.300<γi≤0.600时，关联度为中度关联.参数关联度由强到弱排序为h>p1>MS0>δ>DS，其中,h,p1，MS0为强度关联，δ,DS为中度关联.沥青路面在不同深度及不同部位回收的RAP材料存在较大的性能差异，因此，RAP材料存在较大的变异系数，使得RAP掺量与车辙深度的关联度强.老化沥青与新沥青的低温抗裂性能有较大差异，RAP掺量影响新旧沥青及集料的融合程度，进而影响沥青路面水稳性能.综合灰色关联度分析，RAP掺量对再生半柔性路面的基本路用性能影响较大.

4 结论

以体积法设计再生半柔性路面级配，在此基础上，探究不同RAP掺量的再生半柔性路面路用性能，并通过灰色关联分析，得出如下3个结论.

1) 掺加RAP能降低基体沥青混合料的沥青用量，每掺加15%再生料，约可减少基体沥青混合料0.9%的沥青用量；掺加RAP能够增大基体马歇尔稳定度，每掺加15%再生料，约可增大基体马歇尔稳定度约13%.

2) 低掺量下，随着RAP掺量的增加，水稳定性能及低温抗裂性能也得到显著提升；随着掺量的进一步增加，水稳定性能及低温抗裂性能则呈现下降趋势；RAP通过本身变异特性影响空隙变化及沥青重质变化，使得动稳定度呈现先降低后增加.综合车辙位移及动稳定度指标，从统计学角度，可近似认为高温性能随着RAP掺量增大呈线性降低.综合分析不同RAP掺量的路用性能，建议最佳RAP掺量为30%.

3) RAP掺量与路用性能灰色关联分析结果表明：RAP掺量对车辙深度、劈裂抗拉强度和残留稳定度影响较大.