不同工况对再生沥青混合料压实特性的影响

2021-11-22余森开仰建岗黄锦化

科学技术与工程 2021年30期

余森开，仰建岗，黄锦化，张伟

(1. 中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500； 2. 华东交通大学交通运输与物流学院，南昌 330013; 3. 江西省道路与铁道工程重点实验室，南昌 330013)

厂拌热再生技术可以充分利用原路面沥青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement, RAP)，设计的再生沥青混合料可以用于各路面结构层，具有良好的节能、减排、经济效益，使其在沥青路面预防性养护中得到了广泛的应用[1-2]。然而，厂拌热再生沥青混合料在设计施工过程中常会面临级配、RAP掺量、沥青含量、摊铺碾压温度等因素的影响，出现设计施工后的再生沥青混合料性能与设计性能之间的存在偏差，并影响再生沥青混合料的压实特性，进而引发再生沥青混合料的施工质量问题[3-4]。

再生沥青混合料是一种多相复合材料[5-6]，在压实特性研究方面，汪水银等[7]研究了集料级配、沥青含量和压实温度对沥青混合料压实特性的影响。Hervé等[8]采用三轴试验研究了沥青混合料的压实度对疲劳损伤和强度破坏准则的影响。Delrio等[9]研究了沥青混合料在压实过程中的体积特性、空隙率及所需的剪切力和压实能，发现沥青混合料的压实特性与集料球度、沥青标号和沥青含量有关。Dessouky等[10]采用旋转压实试验分析了沥青混合料的和易性能和压实性能，评价了沥青混合料内部结构对压实特性的影响。延西利等[11]采用3种品牌的温拌沥青与2种品牌的热拌沥青对比研究了不同击实次数与击实温度条件下温拌沥青混合料的压实特性与难易系数。张琛等[12]采用旋转压实仪研究了不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料和易性与压实特性之间的相关性。综上所述，级配、RAP掺量、沥青含量以及压实温度影响沥青混合料压实特性，且与施工质量相关。然而，在压实特性研究方面关于再生沥青混合料的研究较少。

现依托福建省福银高速三明段厂拌热再生沥青路面养护工程，采用正交试验法研究再生沥青混合料设计施工过程中级配、RAP掺量、碾压温度与空隙率、压实能量指数、压实速率、锁点之间的关系，并基于极差分析、方差分析研究因素对压实特性指标的影响显著性。同时，采用回归分析法建模分析因素与压实特性指标之间变化规律，并采用实体工程论证因素对压实特性指标的影响。研究成果有望为再生沥青混合料配合比设计以及现场施工质量控制提供参考。

1 原材料检测与方案设计

1.1 原材料检测

再生沥青混合料原材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene triblock copolymer, SBS)改性沥青、石灰岩集料、矿粉、再生剂、RAP。SBS改性沥青技术指标如表1所示。石灰岩集料规格分别为0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm，其与矿粉技术指标如表2所示。再生剂技术指标如表3所示。

表1 SBS改性沥青技术指标Table 1 Physical indexes of SBS modified asphalt

表2 石灰岩集料技术指标Table 2 Physical indexes of limestone aggregate

表3 再生剂技术指标Table 3 Physical indexes of rejuvenator

RAP采用铣刨、破碎、筛分的方法将原路面AC20沥青混合料分为0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm三种类型，并采用离心分离法分离RAP中的集料与沥青，测算0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm RAP的沥青含量分别为6.66%、3.14%、2.23%，级配如图1所示。此外，并采用4.75 mm筛孔将RAP中的集料划分为粗、细集料两种类型。采用阿布森法将离心分离得到的沥青溶液中的老化沥青与溶剂分离，测定老化沥青以及RAP集料的基本性能指标，结果如表4所示。

图1 三种规格的RAP级配Fig.1 Gradation of the aggregates in the three RAP classications

表4 RAP技术指标Table 4 Physical indexes of RAP

1.2 试验方案设计

根据工程经验，设计AC20再生沥青混合料级配，分布如图2所示，并根据分形理论计算不同级配曲线的分形维数的数值，用n表示。之后，对级配、RAP掺量、压实温度因素分别设计三种水平，结果如表5所示。并根据表5设计正交试验方案，结果如表6所示。根据设计试验方案，分别采用旋转压实仪制备马歇尔试件，每组试验方案制备试件4个，各组再生沥青混合料的沥青含量均为4.50%。

图2 设计级配曲线Fig.2 Design grading curve

表5 因素水平Table 5 Different levels of different factors

表6 正交试验方案Table 6 Orthogonal test scheme

试件制作过程中，石灰岩、矿粉、SBS改性沥青的加热温度分别为180、180、160 ℃，加热时间为2 h；RAP的加热温度为130 ℃，加热时间不超过2 h；再生剂常温添加，并以老化沥青针入度指标恢复到新沥青针入度范围时的用量作为设计用量，得到再生剂用量为老化沥青含量的3%[13]。

1.3 研究指标

采用空隙率(void ratio, VV)、压实能量指数(compaction energy index, CEI)、压实速率(slope of accumulated compaction energy,K)、锁点(lock point, LP)指标表示再生沥青混合料压实特性[11,12]。

(1)空隙率。空隙率(VV)的测算方法可按照规程中T0705中的步骤执行。

(2)压实能量指数。旋转压实的过程中的沥青混合料密实曲线图3计算压实能量指数(CEI)。CEI表示再生沥青混合料压实到92%压实度所需功，采用压实曲线92%以下所围成的面积计算。压实过程中CEI的值越小，再生沥青混合料越容易压实。

图3 沥青混合料压实曲线Fig.3 Compaction curve of asphalt mixture

(3)压实速率。压实速率(K)表示再生混合料的可压实性能，计算方法如式(1)所示。压实速率K越大表示沥青混合料压实过程中压实一次密度上升速率越快。

(1)

式(1)中：G1为初始8次压实次数对应的压实度，%；G2为设计压实次数的压实度，%；n为压实度首次到达94%时压实次数。

(4)锁点。锁点(LP)为再生沥青混合料在压实过程中第2次出现连续两个相同高度时的压实次数，表示混合料中骨架的形成程度。

1.4 研究方法

(1)极差分析与方差分析。采用极差与方差分析法分析因素对压实特性的影响程度与影响规律，计算方法参考文献[14]。

(2)回归分析。采用回归分析法建立因素与压实特性指标的二次回归模型探究因素对压实特性的影响，模型如式(2)所示，并采用拟合优度R2评估模型的拟合程度[4]。

(2)

式(2)中：b0、bj、bij、bjj为各项回归参数；Xj为模型中的一次项；XiXj为模型中的交叉项；Xj2为模型中的二次项；ε为模型误差。

(3)工程实证分析。根据实体工程，验证因素变化对压实特性的影响，用于论证室内研究的可靠性。此外，采用无核密度仪PQI 380测试现场再生沥青混合料的压实度，试验段施工后的压实度测点分布如图4所示。

图4 压实度检测Fig.4 Compactness test

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

根据设计试验方案测算压实特性指标，结果如表7所示。

表7 试验结果Table 7 Test results

2.2 极差与方差分析

根据表7试验结果，计算不同因素对压实特性指标极差，结果如表8所示。由表8可见，空隙率(VV)、压实能量指数(CEI)、锁点(LP)极差分析结果基本一致，因素的影响程度均表现为级配>压实温度 >RAP掺量。然而，因素对压实速率(K)的影响程度略有不同，表现为级配>RAP掺量>压实温度。分析因素对压实特性指标的影响程度，级配的影响程度最高。

表8 极差分析结果Table 8 Results of range analysis

根据极差分析结果可知，再生沥青混合料压实特性指标受级配影响程度最高，这可能是因为级配构成再生沥青混合料骨架，越细的级配骨架之间的空隙也就越小，引起混合料的空隙率降低、压实越容易、骨架结构越容易形成。压实温度对再生沥青混合料影响次之，这可能是因为压实温度影响再生沥青混合料中沥青的粘聚力，根据摩尔-库伦理论，再生沥青混合料的破坏过程满足库伦公式关系[15]，库伦公式中抗剪强度的大小与内聚力有关，沥青混合料的内聚力与沥青以及集料表面粘附性相关联。然而，较高的碾压温度将会降低沥青的粘聚力，导致抗剪强度的降低，使再生沥青混合料更容易碾压，引起空隙率(VV)、压实能量指数(CEI)的降低。RAP掺量对再生沥青混合料压实特性影响最小，这可能是因为RAP掺量的改变影响再生沥青混合料中老化沥青含量以及矿料级配，然而，相较于再生沥青混合料级配以及沥青含量来看，RAP掺量、级配占再生沥青混合料总体级配与沥青含量总体比例较小，所以影响程度较低。

采用方差分析判断影响因素与压实特性指标的影响程度的显著性，显著性大小采用F表示，F值越大表明因素对指标影响越显著，并结合文献[4]中显著性水平判断方法，评估影响影响因素的显著程度，结果如表9所示。

表9 方差分析结果Table 9 Analysis of variance results

由表9可见，方差计算过程中R2>0.95，说明方差计算结果可靠。从方差计算结果可知，级配是影响再生沥青混合料空隙率(VV)、压实能量指数(CEI)、压实速率(K)、锁点(LP)指标的关键因素，RAP掺量影响程度相对最低。此外，极差分析结果基本与方差分析结果基本一致，而方差分析结果进一步说明了再生沥青混合料级配、RAP掺量、压实温度是影响再生沥青混合料配合比设计的重要因素，级配是最显著的影响因素。

2.3 再生沥青混合料压实特性变化规律分析

一般地，再生沥青混合料在设计、施工过程中，主要考虑的压实特性指标是空隙率、压实能量指数。这主要是因为空隙率影响再生沥青混合料压实度，而压实能量指数影响再生沥青混合料的碾压和易性。因此，仅讨论空隙率指标以及压实能量指数指标与级配、RAP掺量、压实温度因素之间的变化规律。

在实际工程中，再生沥青混合料配合比设计在级配、RAP掺量因素对压实特性指标影响考虑较少，且在施工过程中常会遇到施工温度不稳定的问题，引发施工质量问题。因此，有必要考虑压实特性指标进行再生沥青混合料级配、RAP掺量、压实温度与压实特性指标之间变化规律分析，探讨变化规律，以期为再生沥青混合料配合比设计以及现场施工提供参考。

采用二次回归模型建立影响因素与压实特性指标(空隙率、压实能量指数)之间的回归方程，结果如式(3)、式(4)所示，回归方程的拟合优度R2分别为0.970、0.927，模型拟合程度较高。

VV=29.458 0+33.851 5X1+0.031 8X2-

(3)

CEI=8.341 8+18.924 5X1+16.349 7X2+

93.802 8X3+0.429 5X1X2-

36.841 8X1X3-0.136 5X2X3

(4)

式中：X1为级配分形维数，取值[2.479,2.529]；X2为RAP掺量，取值[10,50]，%；X3为压实温度，取值[120,160]， ℃。

根据式(3)、式(4)可以得到不同碾压温度下(120、140、160 ℃)再生沥青混合料空隙率、压实能量指数与级配、RAP掺量之间的变化趋势如图5、图6所示。由图5可见，相同压实温度下，再生沥青混合料空隙率随级配分形维数的增加而降低，即级配越细的再生沥青混合料空隙率越小；随RAP掺量的增加而降低，说明RAP的存在可以降低再生沥青混合料的空隙率；再生沥青混合料空隙率总体随压实温度的增加而降低，说明较高的碾压温度将更容易达到设计空隙率。此外，从空隙率的衰减幅度看，分形维数增加时的再生沥青混合料空隙率衰减幅度较RAP掺量增加时高，说明级配对再生沥青混合料空隙率影响更显著，这与方差分析结果一致，即级配极为显著影响空隙率指标。由图6可见，相同压实温度下，级配越细的再生沥青混合料所需压实能量指数CEI越低，越容易压实；RAP掺量越高的再生沥青混合料所需压实能量指数越低，RAP掺量越高的再生沥青混合料越容易压实；再生沥青混合料的压实能量指数CEI总体随压实温度的增加而降低，说明压实温度越高的再生沥青混合料达到相同的压实度所需的压实功就越小。此外，从压实能量指数CEI的衰减幅度看，分形维数增加时的再生沥青混合料CEI衰减幅度较RAP掺量增加时高，说明级配对再生沥青混合料CEI影响更显著，这与方差分析结果也一致，即级配极为显著影响CEI指标。

图5 不同压实温度的VV随RAP掺量、级配的变化趋势Fig.5 The change trend of VV with RAP content and grading at different compaction temperatures

图6 不同压实温度的CEI随RAP掺量、级配的变化趋势Fig.6 The change trend of CEI with RAP content and grading at different compaction temperature

2.4 工程实证分析

为进一步论证再生沥青混合料级配显著影响压实特性指标，依托福建省福银高速三明段预防性养护工程，现场比较不同级配情况下的再生沥青混合料压实度、压实能量指数的变化。分别选择两段进行30%RAP掺量的AC20再生沥青混合料现场施工压实度、压实能量指数CEI监测，两段施工时的压实温度均为150～155 ℃，压实厚度均为6 cm。两段施工均采用钢轮初压2遍，胶轮复压5遍，终压3遍的压实工艺。所得到的两段施工后压实度分布如图7所示，具体试验结果如表10所示。

图7 两个试验段压实度分布云图Fig.7 Cloud chart of compactness distribution of two test sections

表10 试验段施工结果Table 10 Construction results of test section

由表10可知，分形维数越大(级配越细)的试验段2较试验段1的压实度高0.9%，说明试验段2的空隙率越低。同时，试验段2的压实能量指数CEI较试验段1降低45.3。由此可知，再生沥青混合料的空隙率、压实能量指数CEI受级配的影响，极差分析、方差分析、回归分析的结果一致，级配是设计再生沥青混合料材料组成中的重要因素，需要考虑级配、RAP掺量、压实温度因素对再生沥青混合料的压实特性的影响进行混合料的材料组成设计。