新旧料与温拌橡胶改性沥青的掺配比例对热再生混合料性能的影响

2021-06-12张梦齐

黑龙江交通科技 2021年5期

张梦齐

(1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

0 引言

废旧沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)是原沥青路面经专用机械铣刨、破碎产生的废弃材料。热再生作为一种环保可持续的技术不仅可将这种废弃材料充分利用，而且也会带来巨大的实用价值和经济效益。然而，由于高掺量的RAP热再生混合料在长期交通荷载和自然环境作用下会产生疲劳开裂和水损害等耐久性问题，再加上国内再生专用施工设备的不足等问题，沥青路面的再生技术受到一定的限制。

胶粉改性沥青具有优异的低温抗裂性能和抗疲劳性能。高掺量的胶粉在沥青中充分溶胀，颗粒表面可形成沥青质含量较高的凝胶膜，胶粉体积大幅增长以及沥青的粘度和弹性灰度明显提升致使混合料疲劳恢复效率提高，其疲劳性能较大提升。董瑞琨、梁文兵等使用废食用油预脱硫胶粉(WRO)加工生产预脱硫橡胶改性沥青，随着WRO掺量增加，改性沥青高温黏性降低，弹性增加。沥青质和WRO中的橡胶烃是影响WROMA高温弹性的主导因素，两者含量越高，改性沥青弹性越明显。洪峰，程培峰研究HDPE-橡胶粉复合改性沥青混合料疲劳性能发现HDPE-橡胶粉复合改性沥青的性质对沥青混合料疲劳特性具有显著的影响，性能良好的沥青使得混合料具有良好的抗疲劳能力，能有效延缓沥青路面反射裂缝的发生。Bennert，Thomas；Maher，Ali等对试验路进行跟踪观测发现，常规沥青混合料和掺量30%RAP在1～3年内开始开裂，但掺量30%RAP在裂纹开始后裂纹扩展速率较快。掺加30%RAP的热再生混合料较常规沥青相比，新旧沥青层间界面融合的程度不同，导致裂纹扩展速率较快。陈龙等通过构建沥青试样模型发现新-旧沥青界面相互作用状态将直接影响再生混合料及其路面的使用性能和服役寿命。热再生沥青混合料铺筑完成至通车运行，在交通荷载、环境因素的双重作用下，新旧沥青混溶扩散使沥青混凝土性能发生一定程度的增强。另外，就地热再生机组常采用160～240 ℃加热粑松原沥青路面，在110～140 ℃之间摊铺碾压。高温加热RAP导致RAP进一步老化，然而降低热再生混合料的温度，原路面的RAP的粑松受到极大限制，将会导致原路面厚度加热深度不足，病害处理不到位。

鉴于此，本研究采用美国Troxler公司的SGC旋转压实仪成型马歇尔试件、北京今谷神剑气动式压实机QCX-4成型车辙板，将温拌橡胶改性沥青作为热再生沥青混合的胶结料改善就地热再生混合料的疲劳性能。通过马歇尔体积参数试验、车辙试验、浸水残留稳定度和冻融劈裂试验，研究新旧料与温拌橡胶改性沥青拌合的掺配比例对热再生混合料性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料

RAP料来源于甘孜藏族自治州甘孜县G227大修养护工程中的面层铣刨，RAP的油石比为3.6%；新旧料掺配比例为20∶80，热再生混合料的级配类型选用ARAC-13。热再生改性沥青选用温拌橡胶改性沥青，外掺3.17%。温拌橡胶改性沥青加工采用90#基质沥青，40目胶粉掺量17%，剪切转速5 000 r/min，剪切时间60 min，剪切温度控制在190～200 ℃，发育时间60 min，发育温度控制在170～180 ℃，硫磺2%、温拌剂外掺0.6%。

表1 橡胶改性沥青技术性能试验结果

通过全自动沥青抽提仪器对RAP料旧沥青进行抽提回收，采用Buchi-R-215型旋转蒸发仪对混合液进行处理，将三氯乙烯蒸馏后得到的沥青进行性能检测，检测结果如下。

表2 RAP料旧沥青性能指标

石料及RAP料选用的技术指标选用满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》、JTGF80/1-2017《公路工程质量检验评定标准》。

表3 新旧集料性能

表4 热再生混合料的级配设计表

1.2 试验方案

热再生沥青混合料在铺筑完成后期，混合料的高温性能有明显的改善。新旧沥青之间的渗透扩散对混合料的性能有明显的影响。在探究温拌橡胶改性沥青同新旧料的掺配比例对热再生混合料高温性能和水稳性能的影响前期，作者将回收的RAP料，非改性热再生混合料，橡胶改性沥青热再生混合料采用旋转压实成型马歇尔试件，评价新旧沥青的混溶扩散对热再生沥青混合料的浸水残留稳定度的影响。

本文采用马歇尔体积参数测试试验、车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价温拌热再生橡胶改性沥青混合料的性能的影响。采用美国Troxler公司的SGC旋转压实法成型Φ100 mm×63.5 mm的圆柱形试件。采用北京今谷神剑气动式压实机QCX-4成型300 mm×3 000 mm×50 mm的车辙板。将温拌橡胶改性沥青的掺配比例按照0∶10、3∶7、4∶6、5∶5四种比例与新旧料分开拌和1 min，将拌和好的新沥青混合料和RAP料沥青混合料混合拌和2 min，沥青混合料的成型参照现行JTG E20-2011《公路工程沥青混合料试验规程》进行，热再生混合料的设计空隙率在5%～8%之间。

2 试验结果及分析

2.1 沥青混溶及渗透扩散

从表5看出，三种热再生沥青混合料的浸水残留稳定度均大于100%，经48 h浸水养生后，热再生混合料的强度均有明显的增强。橡胶改性沥青热再生混合料的浸水残留稳定度增幅最高。其中，橡胶改性沥青热再生混合料的增幅相对于基质沥青热再生混合料的残留稳定度大2.2%。由此可以推测，热再生沥青混合料中新旧沥青之间存在渗透扩散导致其48 h浸水养生后稳定度增加。热再生沥青混合料主要有新沥青、新石料和RAP料三部分，而沥青在混合料中有两种存在方式，一种为自由沥青，一种为结构沥青。其中，起粘附作用的主要为结构沥青。沥青的用量对沥青混合料的性能而言至关重要。较软沥青中的轻组分可使RAP中老化硬化的沥青得到一定程度的改善。当RAP料同新沥青拌和摊铺后，包裹在RAP料外的老化硬化沥青与新沥青有一定程度的渗透扩散使热再生沥青混合料的浸水残留稳定度提高。

表5 不同热再生混合料类型的浸水残留稳定度

2.2 马歇尔稳定度

从图1中可看出，热再生沥青混合料的马歇尔稳定度随着掺配比例的提高而增加。5∶5掺配比例的温拌橡胶改性沥青的热再生沥青混合料的马歇尔稳定度最大，较0∶10掺配比例的热再生混合料的性能高4.44%。这说明，随着新料裹覆温拌橡胶改性沥青含量增加时，新旧料间的粘结作用提升明显。特别是当温拌橡胶改性沥青与新旧料的掺配比例按照5∶5拌和混溶时，热再生沥青混合料的马歇尔稳定度值最大。

图1 不同掺配比例的热再生混合料的马歇尔稳定度

2.3 浸水残留稳定度

从表6可以看出，热再生沥青混合料的浸水残留稳定度随掺配比例的增加呈现逐渐上升的趋势。其中，5∶5掺配比例热再生沥青混合料的浸水残留稳定度最大，相比0∶10的掺配比例增9.3%。在60 ℃条件下经过24 h后的养生，未裹覆沥青的新料与全部裹覆沥青的旧料混合后的稳定度下降。随着新料裹覆沥青含量的增加，热再生混合料的稳定度均有明显的增强。

表6 不同掺配比例的热再生混合料的浸水残留稳定度

2.4 劈裂强度

从图2可以看出，热再生沥青混合料的劈裂强度随着掺配比例的增加，热再生沥青混合料的劈裂强度先上升后降低。其中，4∶6掺配比例的热再生沥青混合料的劈裂强度最大，0∶10掺配比例的热再生混合料的劈裂强度最小。这说明，随着新料同温拌橡胶改性沥青拌和的比例提升，即裹覆在新料表面的温拌橡胶改性沥青越来越多，充分裹覆在新混合料表面的沥青同RAP料拌和后能够更好的粘结在一起致使粘结力提升，粘结力的增强使得热再生沥青混合料的抗剪切能力提高。

图2 不同掺配比例的热再生混合料劈裂强度

2.5 劲度模量和冻融劈裂强度

从图3可以看出，未经冻融的沥青混合料劲度模量的随着掺配比例的增加，呈现先降低后增加的趋势。其中，5∶5掺配比例的沥青混合料的劲度模量最大。然而，经过冻融后按照4∶6掺配比例的沥青混合料的劲度模量最大。四种掺配比例的热再生沥青混合料的劲度模量经冻融后的增幅分别为16.67%、24.51%、21.02%、10.64%。3∶7的掺配比例的热再生沥青混合料的增幅最大，而5∶5的掺配比例的热再生沥青混合料的增幅最小。

图3 不同掺配比例的热再生混合料劲度模量

从图4看出，随着掺配比例的增加，热再生沥青混合料的冻融劈裂强度比呈现先上升后下降的趋势。4∶6掺配比例的热再生沥青混合料冻融劈裂强度比最大。这说明，不同的掺配比例对沥青混合料的抗水损害性能影响不一样。新料的温拌橡胶改性沥青一部分提供结构沥青，一部分作为自由沥青可以通过渗透扩散的方式同RAP料粘结在一起。该比例下的拌和方式对温拌橡胶改性沥青混合料的抗水损害性能起着促进作用。