新旧沥青融合程度对热再生沥青混合料性能影响

2021-12-15郝培文李洪祥崔鹰翔徐金枝

硅酸盐通报 2021年11期

郝培文,李洪祥,崔鹰翔,徐金枝

(长安大学，道路结构与材料交通行业重点实验室，西安 710064)

0 引言

沥青路面再生技术因经济环保而被广泛应用于各等级公路的大中修工程及改、扩建工程中。再生技术按照拌和温度可分为冷再生和热再生，根据使用条件又可分为厂拌热再生、就地热再生、就地冷再生和厂拌冷再生等，其中厂拌热再生沥青混合料性能更优，适用范围更广，应用最多[1-4]。

目前的厂拌热再生沥青混合料在配合比设计过程中假定新旧沥青100%融合，但国内外众多研究[5-8]证明，当废旧沥青路面回收材料(recycled materials for waste asphalt pavement, RAP)掺量较小时该假设是可行的，当RAP掺量较大时，再生过程中旧沥青并非全部参与融合。Huang等[9]将 RAP细料、新粗集料及新沥青拌和，分层抽提回收RAP细料表面由外到内多层次的沥青并测定其劲度模量，结果显示新旧沥青并非完全融合，通过拌和只能使部分旧沥青转移到新集料上。Bowers等[10]采用红外光谱仪(FTIR)对分层抽提获得的结合料混合物进行研究，发现越接近于RAP集料表面的结合料层中羰基含量越高。张德鹏等[11]借助凝胶渗透色谱(GPC)观察发现，越靠近RAP集料颗粒表面的结合料大分子量百分率(large molecular size percentage， LSPM)越大，即沥青的老化程度越高。Jiang等[12]和Abdalfattah等[13]以TiO2为沥青示踪剂，采用钛硫元素质量比为融合程度的定量评价指标，通过扫描电子显微镜(SEM)和光谱仪(EDS)观察发现新旧沥青融合程度随RAP掺量的增加而减少。Xu等[14]使用原子力显微镜(AFM)对50%(质量分数)RAP掺量的再生混合料中分层抽提获取的结合料进行处理，结果也证实新旧沥青之间并非100%融合。此时旧沥青完全参与融合的假设与实际情况不符，假定新旧沥青100%融合与实际部分融合的差异必然对设计的热再生沥青混合料路用性能产生影响，但会有怎样的影响及影响程度尚待研究。

因此，本文在不同RAP掺量下，考虑常规融合和新旧沥青100%融合两种条件，拌制并成型热再生沥青混合料，同时对其高温性能、低温性能、水稳定性以及抗反射开裂性能展开研究，旨在分析新旧沥青融合程度对上述热再生混合料技术性能的影响以及两种拌和条件下的性能差异随RAP掺量的变化规律，在此基础上，提出需要考虑融合程度的界限RAP掺量，为合理设计热再生沥青混合料组成提供技术依据。

1 实验

1.1 试验材料

RAP来源于G65包茂高速公路陕蒙界至榆林段路面维修整治工程，是上、中、下三层面层结构的混合物，原路面使用时长为14年。通过变异性分析将RAP分为0～4.75 mm、4.75～13.20 mm和13.20～26.50 mm三档，通过抽提试验获取RAP矿料级配及旧沥青含量，RAP相关技术指标如表1所示。选用的新粗细集料均为闪长岩，矿粉母岩为石灰岩，新沥青为克拉玛依90号沥青，实测技术指标分别如表2～表4所示。

表1 RAP 技术指标Table 1 Technical indicators of RAP

表2 粗集料技术指标Table 2 Technical indicators of coarse aggregate

表3 细集料和矿粉技术指标Table 3 Technical indicators of fine aggregate and mineral filler

1.2 试验方案

为探究融合程度对热再生沥青混合料路用性能的影响，保持混合料级配、矿料种类、RAP种类、油石比及工艺等因素完全一致，考虑人为模拟新旧沥青100%融合以及未知融合程度的常规拌和两种工况，拌制并成型热再生沥青混合料。

常规拌制即直接将RAP加入拌锅中与新集料、新沥青拌和，确定最佳油石比(optimum asphalt content, OAC)后进行性能测试。

新旧沥青100%融合的混合料拌制过程为：首先按照不同RAP掺量下三档RAP比例称取所需旧料，对其进行抽提以分离RAP与旧沥青;将RAP装入铝锅,在拌制时全部加入，旧沥青则通过阿布森法获取，由于旧沥青在获取过程中必定有部分粘在蒸馏烧瓶中无法倒出，因此应根据三档RAP的质量及实测得到的各档旧料油石比计算所使用RAP中总的旧沥青质量，将相应质量的旧沥青与新沥青按比例在加热条件下提前混合均匀，在拌制混合料时全部加入，此时旧沥青全部发挥作用，可以认为新旧沥青100%融合。

选用的热再生沥青混合料级配类型为AC-20，RAP掺量为20%、30%、40%和50%(质量分数，下同)。参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40—2004)[15]推荐的级配范围，四种RAP掺量的混合料级配如表5所示，各档RAP比例、最佳油石比及最佳油石比下的新旧沥青含量如表6所示。

表5 不同RAP掺量下混合料的级配Table 5 Gradation of mixtures with different RAP content

表6 各档RAP比例、最佳油石比及新旧沥青含量Table 6 RAP ratios of different grades, OAC and the content of aged and virgin asphalt

2 两种拌制方式下热再生沥青混合料路用性能

众多规范对于沥青混合料路用性能的规定主要包括高温性能、低温性能、水稳定性等方面，但已有研究表明抗反射开裂性能也是影响其长期稳定性的主要因素之一[16-17]，因此本文对不同RAP掺量下两种拌制方式成型的热再生沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性以及抗反射开裂性能进行对比。

2.1 高温性能

采用标准车辙试验评价热再生沥青混合料的高温性能，两种拌和方式成型的混合料车辙试验结果如图1所示。

图1 车辙试验结果Fig.1 Rutting test results

由图1可知，随着RAP掺量的增加，两种拌制方式下混合料的动稳定度(dynamic stability, DS)逐渐增大，60 min平均车辙深度逐渐减小，说明混合料高温性能随RAP掺量的增大显著提高。常规拌制条件下，50%RAP掺量的混合料动稳定度达5 887.8次/mm，较20%RAP掺量时增长106.5%，且各掺量下的动稳定度均远大于规范要求值，可见热再生沥青混合料的高温性能极其优异。主要原因在于RAP中的沥青老化变硬，针入度降低，软化点升高，在高温作用下不易软化，温度敏感性增强，旧料掺量越大，再生混合料中旧沥青含量相应增加，使混合料在高温下不容易产生剪切变形，车辙深度随RAP掺量增大而减小的现象也能对此进行佐证。而新旧沥青100%融合拌制方式下，RAP掺量从20%增长到40%时，混合料的动稳定度由2 713.7次/mm提高至3 421.0次/mm，增长了26.1%，相比于常规拌制方式而言增幅大幅降低。RAP掺量从40%增长到50%时，动稳定度出现了小幅下降。

对比两种拌制方式下混合料的动稳定度指标可以发现，在各RAP掺量下新旧沥青100%融合拌制方式的动稳定度均小于常规拌制方式，且随着RAP掺量的增大二者之间的差异越大，在20%RAP掺量下两者仅相差4.8%，50%RAP掺量时两者的差值上升至46.6%，说明融合程度的提升降低了混合料的高温性能。究其原因为：常规拌制方式下RAP中的旧沥青只有部分转移到新集料表面，新沥青对于旧沥青流变性质的改善效果并没有充分发挥，旧集料表面未参与融合的旧沥青仍保持着原有脆硬的性质，因此其高温性能较好;其次，新旧沥青100%融合拌制方式下旧沥青全部参与融合，混合料中实际发挥粘结料作用的沥青量多于常规拌制的混合料，因此这种情况下热再生混合料动稳定度相对较小，RAP掺量从40%增长到50%时动稳定度出现的不符合趋势的小幅下降也可能是此原因造成的。

从动稳定度方差效应检验表(见表7)可以看出RAP掺量和融合程度所对应的概率F皆小于0.05，说明二者对混合料的高温性能均有显著影响，且RAP掺量的概率F值更小，说明其对动稳定度的影响更大。RAP掺量对动稳定度的影响本质上可以说是新旧沥青比例不同而对沥青流变性质产生的影响，可以通过选取合适的新沥青和添加适当的再生剂来解决。

表7 动稳定度方差分析效应检验表Table 7 Analysis of variance effect test of dynamic stability

2.2 低温性能

采用低温小梁弯曲试验评价热再生沥青混合料的低温抗裂性能。两种拌和方式成型的混合料试验结果如图2所示。

由图2可知，随着RAP掺量的增大，两种拌制方式下混合料的低温弯曲应变和弯曲应变能密度均逐渐减小，而抗弯拉强度无显著的变化，因此弯曲劲度模量不断增大，说明混合料的低温抗裂性逐渐变差。这是由于RAP中的旧沥青在长期服役过后变硬变脆，在低温环境下更容易产生开裂。常规拌制条件下，50%RAP掺量混合料的低温弯曲应变仅为1 822.65 με，较20%RAP掺量时降低了35.5%，此时混合料的低温性能已低于规范要求，原因可能是当RAP掺量达到50%时使用90号基质沥青已经不能满足新旧沥青调和要求，此时可通过适当添加再生剂和研究相应的施工工艺提升融合程度以改善再生混合料的低温性能。新旧沥青100%融合拌制方式下各RAP掺量的热再生混合料低温性能均符合规范要求。

对比两种拌制方式下混合料的低温试验指标可以发现，新旧沥青100%融合拌制方式下的低温弯曲应变和弯曲应变能密度在任意RAP掺量下皆大于常规拌制方式。随着RAP掺量的增大，低温性能差异也越大，在20%RAP掺量下弯曲应变相差4.89%，50%RAP掺量时两者的差值增长至28.52%，说明融合程度的提升能够改善再生混合料的低温抗裂性能。其原因同样是由于100%融合条件下，旧沥青被充分激活而发挥粘结料的作用，增加了再生混合料中有效沥青结合料的含量，且新旧沥青融合更加充分均匀，使旧沥青性质得到更好的改善，有利于增强再生混合料的柔韧性，进而提高其低温抗裂性能。陈静云等[18]及曹卫东等[19]对再生沥青混合料的性能进行了研究，结果显示适当增加新旧料拌和时间有助于提高混合料低温抗裂性能，而新旧料拌和时间的增加本质上是提高了新旧沥青之间的融合程度及混合均匀性。

从低温弯曲应变方差效应检验表(见表8)可以看出，RAP掺量和融合程度所对应的概率F皆小于0.05，可认为两种因素对混合料的低温弯曲应变都具有显著影响，且RAP掺量的概率F值更小，说明其对低温弯曲应变的影响更大。

表8 低温弯曲应变方差分析效应检验表Table 8 Analysis of variance effect test of low temperature bending strain

2.3 水稳定性

图3 冻融劈裂试验结果Fig.3 Results of freeze-thaw splitting test

采用冻融劈裂试验来评价热再生沥青混合料的水稳定性。两种拌制方式成型的混合料冻融劈裂试验结果如图3所示。

由图3可知，随着RAP掺量的增大，两种拌制方式下混合料的劈裂残留强度比都降低，说明其水稳定性逐渐下降。常规拌制方式下，50%RAP掺量混合料的劈裂抗拉强度比(tensile strength ratio， TSR)为77.45%，较20%RAP掺量时下降了13.42%；新旧沥青100%融合拌制方式下混合料的TSR由20%掺量时的89.97%降至50%掺量时的80.13%，下降了10.94%。但两种拌制方式的热再生沥青混合料的水稳定性均能满足规范要求。RAP材料的加入使混合料的水稳定性下降,可能存在两个原因：第一，RAP中的旧沥青在长期服役后与集料的粘附性下降，沥青在水和冻融双重作用影响下从矿料表面剥落从而影响沥青混合料的性能；第二，RAP中的旧沥青与新集料的配伍性或新沥青与旧集料的配伍性较差。

对比两种拌制方式下混合料的劈裂残留强度比可以发现:在各RAP掺量下新旧沥青100%融合拌制方式的TSR均略大于常规拌制方式，且随着RAP掺量的增加二者之间的差异也略微增大;在20%RAP掺量下两者相差0.21%，基本一致；50%RAP掺量时两者的差值上升至2.68%，说明融合程度的提升在一定程度上改善了混合料的水稳定性。常规拌制方式下，RAP中的旧沥青部分没有被激活发挥粘结料的作用，在旧沥青更为富集处，由于旧沥青与集料的粘附性下降，此处就会成为水温环境作用下的薄弱点，水分逐渐侵入沥青膜内部造成混合料逐渐松散，内部空隙增大，进而会使混合料的整体水稳定性下降。相比之下，混合料在100%融合条件下减少了可能存在的薄弱点，因此水稳定性在一定程度上得到了改善。

从TSR方差效应检验表(见表9)可以看出，RAP掺量对应的概率F值小于0.05，而融合程度的概率F大于0.05，说明RAP掺量对于热再生沥青混合料水稳定性的影响显著，而融合程度对于水稳定性虽然有影响但不显著。

表9 TSR方差分析效应检验表Table 9 Analysis of variance effect test of TSR

2.4 抗反射开裂性能

图4 OT试验结果Fig.4 Results of OT test

采用意大利MATEST公司生产的Overlay Tester (OT)试验机来评价热再生沥青混合料的抗反射开裂性能[20-21]，参照美国得克萨斯州颁布的OT试验标准化试验方法Tex-248-F[22]，OT试件为150 mm×75 mm×38 mm的长方体，试验温度25 ℃，试验前试件在恒温箱中保温至少4 h以使试件内部温度均衡。加载模式为循环三角形位移控制，峰值位移为0.625 mm，加载周期10 s，当荷载损失率达到93%或试验最大加载周期达到1 200次时停止试验。OT试验结果如图4所示。

由图4可知，两种拌制方式下1 200周期荷载损失率都随RAP掺量的增加而增大，说明混合料的抗反射开裂性能逐渐变差。常规拌制方式下，50%RAP掺量的混合料荷载损失率为84.4%，较20%RAP掺量时增大了4.38%，且任意RAP掺量下荷载损失率都超过80%，而新拌AC20混合料一般为60%～70%，说明热再生沥青混合料的开裂风险性较大。新旧沥青100%融合拌制方式下的荷载损失率由20%RAP掺量时的69.8%提升至50%RAP掺量时的72.2%，增大了3.38%。一方面，RAP的加入使混合料中的旧沥青和旧集料增多，老化后的旧沥青变硬对混合料的胶浆性能产生影响，同时也会影响胶浆与集料的界面粘附，对再生混合料的抗反射开裂性能不利。另一方面，在路面运营过程中，由于汽车荷载和环境因素的双重影响，旧集料的各项技术性能相较于新集料来说也有所下降，因此含旧集料的RAP掺量越大，再生混合料越容易开裂。图5所示的常规拌制方式下两种RAP掺量的再生混合料OT试验裂缝分布结果也佐证了这一点。由图5可以看出：RAP掺量为20%时，热再生沥青混合料的开裂类型包括胶浆开裂和胶浆与集料的界面开裂；RAP掺量为50%时，混合料中的开裂类型除胶浆开裂、胶浆与集料的界面开裂外，还增加了旧集料处的开裂。在OT试验条件下，混合料开裂主要是因为其承受的力超过了材料的抗拉强度，因此开裂面一般沿着混合料中抗拉强度最小的薄弱界面展开。而随着RAP掺量的增大，混合料中旧集料比例随之增大，相应增加了再生混合料中的薄弱面，从而降低了再生混合料的抗反射开裂性能。

图5 20%RAP掺量和50%RAP掺量下裂缝扩展路径Fig.5 Fracture propagation path under 20% RAP and 50% RAP content

进一步对比分析两沥青混合料OT试验结果可以发现，对于各RAP掺量，新旧沥青100%融合条件下混合料的1 200周期荷载损失率均小于常规拌制，说明融合程度的提升改善了混合料的抗反射开裂性能。已有研究显示，混合料中砂浆易产生较大水平拉应变，形成受力薄弱界面[23]，100%融合方式下拌制的混合料中新旧沥青之间混合更充分，沥青与集料间粘结力较强，有利于提高沥青胶浆性能，混合料抗反射开裂性能有所增强。但随着RAP掺量的增加，荷载损失率之间的差值变化不明显，20%RAP掺量下二者相差11.03%，30%掺量下相差10.93%，40%掺量下相差11.92%，50%掺量下相差12.21%，数值基本一致。

由荷载损失率方差效应检验表(见表10)可知，RAP掺量和融合程度对应的F值都小于0.05，说明两个因素对于混合料抗反射开裂性能的影响显著，对比二者大小可得融合程度的影响更大。

表10 荷载损失率方差分析效应检验表Table 10 Analysis of variance effect test of load loss rate

3 界限RAP掺量确定

综合分析以上试验结果，除抗反射开裂性能外，20%RAP掺量下两种方式拌制的热再生沥青混合料各项路用性能差异不大，新旧沥青融合程度对于再生混合料性能的影响较小；但在50%RAP掺量下，两种混合料性能差异较大。因此，热再生沥青混合料组成设计中必然存在一个界限RAP掺量:小于该掺量时可不考虑新旧沥青融合程度，即假设新旧沥青100%融合；大于该掺量时，则需要考虑新旧沥青融合程度对再生混合料组成设计及其性能的影响。

为确定界限RAP掺量，选取动稳定度、低温弯曲应变以及TSR三项指标，定义各项性能的差异为：

(1)

(2)

(3)

由于OT试验中荷载损失率差异随RAP掺量的变化并不明显，因此，在界限RAP掺量的研究中不考虑OT试验结果。

将上述各项性能差异随RAP掺量的变化进行多项式拟合，结果如图6所示。

图6 高温差异、低温差异和水稳差异变化Fig.6 Variation of high temperature difference, low temperature difference and water stability difference

在各性能差异图中连接RAP掺量为0%和50%的数据点，该线即为实测性能差异的平均增长线，其斜率为性能差异平均增长率。由图6可知各性能差异的拟合曲线均呈现严格单调递增规律，即随RAP掺量的增加，两种混合料之间的性能差异逐渐增大，说明常规拌和方式中新旧沥青的融合程度越来越低。因此，可以从曲线中找到一点使其对应的斜率与性能差异平均增长率相等且具有如下特征：RAP掺量大于该点时，性能差异的变化率大于平均增长率；RAP掺量小于该点时，性能差异变化率小于平均增长率。定义该点为该性能差异的界限点，该点对应的RAP掺量则为界限RAP掺量。

各项性能的界限RAP掺量计算过程见表11。

表11 界限RAP掺量计算过程Table 11 Calculation process of boundary RAP content

由表11可知各性能差异的界限点所对应的RAP掺量分别为：高温24.7%，低温26.1%，水稳24.9%。将三者取平均值得到需要考虑新旧沥青融合程度的界限RAP掺量为25.2%，考虑到界限掺量受RAP中老化沥青性质的影响，其应在20%～30%之间浮动，因此建议对RAP掺量大于30%的热再生沥青混合料进行配合比设计时应考虑新旧沥青融合程度的影响。