就地热再生沥青混合料的动态力学特性

2022-02-05高学凯贺文栋周新星

科学技术与工程 2022年35期

高学凯，贺文栋，周新星,2

(1.山西省交通科技研发有限公司，黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，太原 030032；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

随着公路建设的不断推进，中国沥青路面已迈入“建养并重”时代[1]。就地热再生技术作为沥青路面新兴的养护手段，可以100%利用旧料资源、降低工程造价、保护生态环境[2]，并且在响应中国“十四五循环经济发展规划”与“碳达峰碳中和”战略目标中优势突出，因而得到了道路专家学者的广泛关注。

文献[3-5]研究了碾压温度、再生剂掺量、级配组成等对就地热再生沥青混合料体积参数及路用性能的影响规律。文献[6]对四种不同结构形式的就地热再生罩面工程使用性能进行了对比评价。单岗等[7]研究了就地热再生路面高温加热对不同深度老化沥青的流变特性影响。文献[8-9]研究了不同加热方式对就地热再生路面性能的影响。不难看出，目前沥青路面就地热再生技术的研究以施工应用为导向，主要聚焦于施工工艺优化、材料组成设计及性能提升。然而，由于就地热再生沥青路面结构设计理论尚不完善，即使就地热再生沥青混合料各项路用性能满足规范要求，施工完成的再生路面仍然在早期出现车辙、裂缝等病害[10-11]。

在沥青路面结构设计过程中，动态模量是尤为重要的力学参数之一。中国《公路沥青路面再生技术规范》(JTG T 5521—2019)尚未提出就地热再生沥青混合料动态模量的建议取值范围，若直接取用《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中对于普通热拌沥青混合料的动态模量进行路面结构验算，显然存在一定的安全隐患。

基于此，动态剪切流变试验和弯曲流变试验确定了再生剂最佳掺量，并对就地热再生混合料(RAC-13)及SBS改性沥青混合料(AC-13、SMA-13)在不同温度及频率下进行单轴压缩动态模量试验研究，以期提出就地热再生沥青混合料动态模量的发展规律，试验结果可为就地热再生路面结构设计提供借鉴与参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 旧路面材料

从某高速公路维修路段铣刨回收旧路面材料(reclaimed asphalt pavement,RAP)并对其相关指标进行检测，结果如表1所示。可以看到，原路面材料的沥青针入度、延度较低且已不满足规范使用要求，表明该路面经长期行车荷载及环境作用下沥青老化程度较高，因而需要添加再生剂恢复其路用性能。

表1 RAP技术指标

1.1.2 再生剂

所用再生剂为市购维特根再生剂，其技术指标如表2所示。

1.1.3 SBS改性沥青

所用RAC-13新加沥青、AC-13及SMA-13拌合沥青均采用SBS改性沥青，其技术指标如表3所示。

表2 再生剂技术指标

表3 SBS改性沥青技术指标

1.1.4 玄武岩纤维

SMA-13沥青混合料中需添加纤维以起到加筋、分散、稳定等作用[12]，本文中用为玄武岩纤维，其技术指标如表4所示。

表4 玄武岩纤维技术指标

1.2 试验方法

1.2.1 再生沥青流变性能试验

以9%、12%、15%再生剂掺量制备再生沥青(原沥青记为AA，再生沥青记为RA)，分别进行动态剪切流变(dynamic shear rheological，DSR)试验与弯曲梁流变(bending beam rheoological, BBR)试验以确定其高、低温流变性能及再生剂最佳掺量。其中，动态剪切流变试验条件为：试验温度46～82 ℃(间隔6 ℃)，应变控制水平12%。弯曲梁流变试验条件为：试验温度-12～-24 ℃(间隔-6 ℃)，980 mN 加载240 s，卸载10 s。

1.2.2 再生混合料动态模量试验

(1)配合比设计。沥青路面在长期运营及就地热耙松的过程中不可避免地造成集料级配细化，因而再生沥青混合料需添加新集料对级配进行优化，所有用就地热再生混合料合成级配为90% RAP+10%新料(记为RAC-13)。同时，以普通热拌连续级配AC-13和间断级配SMA-13作为参照，三种类型沥青混合料设计级配如表5所示。

(2)动态模量试验。采用马歇尔试验确定RAC-13、AC-13、SMA-13的最佳油石比分别为5.1%、5.0%、5.9%，在此基础上使用UTM-130设备进行沥青混合料动态模量试验。试验温度为5、20、35、50 ℃，加载频率为0.1、0.5、1、5、10、25 Hz。试验按照温度由试验按照温度由低到高、频率由高到低进行，试验具体步骤可参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTG E20—2011)T 0738进行，试验过程示意图如图1所示。

表5 沥青混合料设计级配

图1 动态模量试验示意图Fig.1 Schematic diagram of dynamic modulus test

2 结果与讨论

2.1 再生沥青流变性能

2.1.1 再生沥青高温性能

DSR试验可以获得沥青动态剪切模量G*与相位角δ两个黏弹性参数，SHRP(strategic highway research program)规范中采用车辙因子G*/sinδ评判沥青高温等级，并要求G*/sinδ不小于1.0 kPa[13]。本研究不同温度及再生剂掺量下沥青的车辙因子计算结果如图2所示。从图2中可以看出，沥青车辙因子随着温度升高、再生剂掺量增加而降低，温度与再生剂对沥青动态剪切流变性能的影响相类似。按照SHRP规范评级标准，原老化沥青高温等级为PG76，当再生剂掺量为9%～15%时，沥青高温等级为PG70～PG64，再生剂掺入降低沥青高温等级6～12 ℃。

图2 车辙因子-温度变化曲线Fig.2 Rutting factor-temperature curve

2.1.2 再生沥青低温性能

BBR试验可以得到不同时刻沥青小梁弯曲劲度模量S与蠕变速率变化率m。SHRP规范针对沥青低温等级要求60 s时S≤300 MPa且m≥0.3[14]。不同温度t及再生剂掺量下再生沥青BBR试验结果如图3所示。从图3可以看到，随着再生剂掺量的增加，沥青劲度模量降低而蠕变速率变化率升高。根据SHRP分级标准，原老化沥青低温等级为PG-16，当再生剂掺量为9%～15%时，再生沥青低温等级均为PG-28，再生剂掺入提高沥青低温等级 12 ℃。综合考虑其高、低温使用性能，选择12%掺量作为最佳掺量进行下述试验研究。

图3 再生沥青PG分级Fig.3 Recycled asphalt PG classification

2.2 再生混合料动态力学特性

不同试验条件下沥青混合料的动态模量与相位角试验结果如图4所示。其中，动态模量表征了沥青混合料抗变形能力的大小，其值越大则抗变形能力越强[15]。从图4可以看到，三种沥青混合料的动态模量随着频率增加而增大，随温度的升高而减小，此种趋势与沥青混合料级配或胶结料类型无关，但在相同试验条件下三种沥青混合料动态模量大小均为：RAC-13>SMA-13>AC-13，这表明就地热再生混合料抗变形能力要优于普通热拌沥青混合料。中国沥青路面设计规范采用沥青混合料在20 ℃、10 Hz下的动态模量作为设计值进行路面结构计算，在该试验条件下，RAC-13的动态模量达到8 002 MPa，分别为AC-13、SMA-13的1.6、1.1倍。这主要与就地热再生沥青混合料中高RAP掺量相关，一方面RAP中的沥青在老化过程与集料的黏附性进一步提高，另一方面RAP中的沥青虽与再生剂、新沥青调和软化，但其黏结力依然优异。

另一方面，沥青混合料作为一种黏弹性材料，相位角可以反映其内部的黏弹比例，相位角越大则表明其黏性成分越高[16]。从上述试验结果可以看出，在相同频率下，三种沥青混合料的相位角随温度升高先增大后减小；当温度高于20 ℃时，沥青混合料的相位角随频率增加而增加，当温度低于20 ℃则相反。同时可以观察到，在相同温度及频率条件下，三种沥青混合料的相位角大小并未呈现出一致性，这是因为沥青混合料受自身材料与结构组成的影响，在相同试验条件下其黏性与弹性的贡献比例并不相同，譬如在高温时SMA-13的抗变形能力主要依赖其骨架级配，而RAC-13和AC-13的抗变形能力则更多借助于沥青胶结料的黏度。

图4 动态模量试验结果Fig.4 Dynamic modulus test results

2.3 再生混合料动态模量与相位角主曲线

沥青路面的实际工作状态处于更宽广的温度及荷载频率下，将所有的温度与频率进行试验研究其工作量无疑是巨大的，且室内难以满足一些极端条件状况。因此，可以利用时温等效原理将不同温度下沥青混合料的动态模量或相位角进行平移，并结合数值模型拟合以得到任意频率下沥青混合料的力学响应。

将20 ℃设为标准温度，利用时温等效原理计算位移因子，将其他温度条件下的动态模量和相位角进行平移后，采用CAM模型拟合得到三种沥青混合料动态模量与相位角主曲线，该模型中动态模量和相位角的表达式[17]为

(1)

(2)

图5和表6分别为沥青混合料动态模量主曲线及其拟合参数。可以看到，三种沥青混合料的动态模量随频率呈现出“S”形特征，即当频率趋于无限大或无限小时，其动态模量趋于固定值，分别对应表6中的拟合参数Gg与Ge。在10-4～102Hz荷载频率范围内，三种沥青混合料的动态模量大小为：RAC-13>SMA-13>AC-13。根据时温等效原理，低频(高频)与高温(低温)对沥青路面具有相同的力学响应[18]，这说明就地热再生沥青混合料在中高温范围内具有出色的抗变形能力。当f<10-4Hz 时，三者动态模量大小为：SMA-13>RAC-13>AC-13，这说明随着温度的进一步升高，RAC-13的抗变形能力要差于SMA-13，且逐渐接近于AC-13，这与文献[10]的调研结果相吻合。表6的拟合参数fc为沥青混合料弹性阈值，fc越高其抗裂性越好[17]，三种沥青混合料fc大小为AC-13>SMA-13≈RAC-13，这说明AC-13的低温抗裂性最好而RAC-13与SMA-13相当。

图6和表7分别为沥青混合料相位角主曲线及拟合参数。可以观察到，三种沥青混合料相位角随频率呈现出钟形曲线关系。当频率小于0.01 Hz时，三者相位角大小为：AC-13>SMA-13>RAC-13；当频率高于0.01 Hz时，三者相位角大小为：AC-13>RAC-13>SMA-13。说明在全温度范围内AC-13沥青混合料黏性比例最高，RAC-13在低温时黏性比例高于SMA-13而在高温时则相反，就地热再生沥青混合料内部黏弹性可以恢复到普通热拌沥青混合料相当的水平。