基于RAP料级配变异性的再生沥青混合料路用性能评价

钱 钧，孙 浩，张国春，王 晨

(1.无锡市市政设施建设工程有限公司，无锡 214000；2.东南大学交通学院，南京 211189)

从2021年开始我国每年大约有12%的沥青路面需要翻修，翻修的主要方式主要是通过铣刨重铺的方式完成的，会产生大量的废旧沥青混合料。据测算，我国仅干线公路大中修工程，每年产生的沥青路面旧料已达1.6亿t[1]。如此丰富的废旧沥青混合料，如若不循环、再生利用，不仅造成能源和资源的极大浪费、消耗，还需要占用宝贵的国土资源放置，甚至会引起当地环境污染。

由于RAP料级配的变异性、旧沥青的性能变异性和其他厂拌热再生设备及生产工艺等原因，目前国内外厂拌热再生沥青混合料RAP的掺配比例多数为25%以下。

以AC-13C型再生沥青混合料为研究对象，以细度模数的变化为评价RAP料级配变异性的指标，介绍了不同细度模数再生沥青混合料的制备方法，介绍了以车辙试验、IDT间接拉伸疲劳试验、低温SCB断裂试验为评价再生沥青混合料多种性能的试验方法。针对多种路用性能试验所得指标进行分析，评估多来源RAP料级配变异性对再生沥青混合料路用性能的影响，对于实际工程应用中降低多来源RAP料变异性、进一步优化高RAP掺量厂拌热再生沥青混合料材料设计有着重要意义。

1 材料与试验

1.1 材料

1.1.1 沥青材料选择

考虑到江苏等长江流域地区的市政公路较常使用70#基质沥青进行混合料级配设计，为保证沥青砂浆路用性能尽量贴近长江流域市政公路实际情况，该文使用70#基质沥青作为原材料进行再生沥青砂浆材料制备[2]。

1.1.2 矿料的选择

该文在制备沥青混合料时选用玄武岩细集料和粒径小于0.075 mm的石灰岩颗粒矿粉作为填料，选用玄武岩作为粗集料。

1.1.3 旧料的选择

该文所用回收旧料取自无锡市城市道桥科技有限公司拌合楼存储的旧料，命名为RAP-1，其具体性质及变异系数如表1所示。

表1 RAP-1旧沥青各项技术指标及变异系数

如果使用不经过处理的RAP-1制备再生沥青混合料可能会造成再生沥青混合料级配波动较大，最终导致路用性能试验结果出现波动。为了防止这种现象出现，采用对RAP-1进行分档的工艺手段，在关键筛孔4.75 mm处进行RAP-1分档以减小变异性。

1.1.4 再生沥青混合料级配确定

考虑到该文主要针对AC-13型热再生沥青混合料，对于旧料而言，该公式中缺少的0.075 mm及0.075 mm以下集料筛余是关注重点，所以需要对ASTMC136中的细度模数予以修正，修正公式如式(1)所示[3]。

(1)

经过筛分的RAP-1的级配变异性、旧沥青含量变异性、旧沥青性值变异性均处于较低水平。为体现级配波动，该文通过控制各档位新集料的量，将之与RAP料充分拌和，最终得到细度模数明确、可控的RAP料。

新沥青添加量与RAP-1的油石比相同，所以最终再生沥青混合料的油石比也为5.57%。结合我国高速、市政道路路面上面层常用沥青混合料级配设计方案与高RAP掺量的定义，因此文中选择公称最大粒径为13.2 mm、RAP掺量为50%的AC-13型厂拌热再生沥青混合料作为研究对象。根据《沥青路面施工技术规范》和《高性能沥青路面(Superpave)基础参考手册》的要求，结合RAP料变异性的研究结果，根据集料及RAP料的颗粒筛分结果，最终确定了3条AC-13C型再生沥青混合料目标级配曲线，依次命名为AC-13a、AC-13b、AC-13c型，其级配曲线设计结果如图1所示。

1.1.5 再生沥青混合料制备

采用70#基质沥青调和再生并成型制备试验所需厂拌热再生沥青混合料，所有沥青混合料试件均采用室内旋转压实的方式进行成型，不同级配的再生沥青混合料对应的具体体积参数平均值如表2所示。

表2 不同级配热再生沥青混合料体积参数表

1.2 试验

1.2.1 车辙试验

车辙试验是评价沥青混合料抗车辙能力的较简单和有效的试验方法。该试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求，将沥青混合料成型为300 mm×300 mm×50 mm的板式试件，在同一轨道上60 ℃温度下，以轮压为0.7 MPa的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压，形成辙槽。 最后以辙槽深度(总变形量)RD和动稳定度DS(每产生1 mm辙槽所需的碾压次数)作为沥青混合料的抗车辙能力的评价指标[4]。

沥青混合料试件的动稳定度按式(2)计算

(2)

式中,DS为沥青混合料的动稳定度，次/mm；d1为对应时间t1的变形量，mm；d2为对应时间t2的变形量，mm；C1为试验机类型修正系数；C2为试件系数；N为试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。

1.2.2 低温SCB试验

半圆弯曲试验(Semi-Circular Bending Test，简称SCB)原常用于岩石力学性能研究，现被引入道路工程的沥青混合料抗裂性能评价之中[5]。SCB试验试件通常为直径100 mm、高度为30～60 mm的半圆形试件，该试验通过圆棒对试件顶部施加荷载的方式来进行。

参照AASHTO TP105规程进行低温SCB试验。为研究级配变异性对于再生沥青混合料低温性能的影响，采用低温下的单次加载SCB试验。该次试验采用前文所提尺寸与级配的半圆试件进行-12 ℃的单次加载SCB试验，采用控制位移加载的方式，加载速率为50 mm/min，评价指标为SCB试验得到的竖向荷载-位移曲线计算得到的断裂能，计算公式如式(3)所示

(3)

式中，Gf为试件断裂能，J/m2；Wf为断裂功，J，及SCB试验中竖向荷载-位移曲线下方的面积；Alig为SCB断裂面的面积，mm2，Alig=b×(d-ND)，b为试件厚度，mm；d为SCB试件半径，mm；ND为切缝长度，mm。

2 试验结果与分析

2.1 车辙试验结果及分析

将AC-13a、AC-13b、AC-13c三种车辙板放置在同一轨道60 ℃下，以轮压为0.7 MPa的实心橡胶轮做1 h的反复碾压，形成辙槽。最后测量得到车辙板的动稳定度和总变形量如表3所示。

表3 热再生沥青混合料车辙试验结果

从表3中不难得出，随着热再生沥青混合料的细度模数减小，整体级配变细，其动稳定度开始下降，而变形量逐步上升。这是因为随着细集料的含量增大，混合料内部粗集料含量减少，尽管变得密实，但是由粗集料构成的骨架结构缩减，承载强度降低，所以在高温情况下动稳定度下降，变形量增加。需要注意的是，细度模数在减小到一定程度的时候，动稳定度的下降幅度和变形量的增长幅度增大，这是因为细集料的含量过高，在相同压实次数的情况下压实程度不足，这也导致在接受车辙试验时受到压实程度不足与骨架结构缩减的双重作用，以动稳定度和变形量为指标的高温稳定性能出现进一步下降。

2.2 低温SCB试验结果分析

表4为3种热再生沥青混合料的-12 ℃单次荷载加载SCB试验的峰值力荷载、破坏位移及断裂能指标结果。

表4 热再生沥青混合料-12 ℃单次荷载加载SCB试验评价指标结果

为了更好研究级配对于低温性能的影响，额外增添了两种不同类型的混合料：一种是以规范中明确规定的AC-13C型沥青混合料中值级配为级配，以最佳油石比5.0投入新沥青进行拌和所得的AC-13C型沥青混合料(为方便表述成为全新料)，另一种则是投入50%掺量的RAP料、按照最佳油石比5.0投入高胶沥青进行调和再生、级配选用AC-13中值级配为级配的AC-13C型热再生沥青混合料(后续为方便表述称为高胶再生料)，其对应指标如表4所示。

从表4可以看出：以全新料的结果为界，可以将几种热再生沥青混合料分为两组：① 细度模数较小的、混合料整体级配偏细的热再生沥青混合料低温抗裂性较差；② 细度模数较大、使用高性能沥青进行调和再生的热再生沥青混合料低温抗裂性较强。

通过AC-13a、AC-13b、AC-13c三种热再生沥青混合料与全新料相比，发现再生料相较于全新料的破坏位移出现明显降低，峰值力荷载也出现了小幅地降低，这也说明RAP料的加入使得再生混合料在低温下脆性破坏更快，且低温抗裂性更差；断裂能则出现了一些变化，细度模数较小的AC-13a、AC-13b档再生料断裂能较全新料显著降低，而随着细度模数的增大，其断裂能也在增长甚至会超过全新料。可以推测随着集料变粗，骨架强度提升，抵抗SCB单次荷载的粘结力与石料承载力均得到了增强，再生混合料的断裂能增加。当然考虑到AC-13a、AC-13b、AC-13c三挡油石比均大于全新料油石比，也可以认为断裂性能是高沥青含量和粗集料的共同结果。但在级配较细时，仅凭借高油石比依旧无法取得较好的抵抗低温开裂的效果。上述的试验现象也说明在低温下SCB试验对于新沥青的用量较为敏感，且在再生混合料中添加相较于最佳沥青用量更多的新沥青也有利于提升再生混合料低温抗裂性能。

通过高胶再生料与其他四种再生料相比，发现添加相较于基质沥青品质更高的高胶沥青对于其峰值力荷载、断裂位移、断裂能三个指标都有着较大幅度的提升，根据上述现象可以得出：对于高RAP掺量(≥50%)而言，在选择较为合理的级配情况下，高胶沥青能够大幅提升热再生沥青混合料的低温抗裂性能。

通过观察表4的混合料抗裂指标变异性结果，考虑到混合料断裂能是由两者共同作用的结果，两者之间任何一个出现较大扰动都会对断裂能的变异性产生较大影响。在脆性破坏模式下峰值力荷载的变异性在5%～15%之间，而脆性破坏位移值在5%～10%之间，这也说明混合料断裂能的变异性是由峰值力荷载起主导作用。

3 级配变异性对再生沥青混合料的路用性能的影响

采用断裂能作为评价再生沥青混合料低温抗裂性能的评价指标[6]。以变异系数为评价RAP料变异性的指标，计算级配扰动引起的再生沥青混合料路用性能变异结果如表5所示。从表5中可以看出，随着RAP料的级配出现波动，路用性能也随之波动。其中评价再生沥青混合料高温性能的动稳定度随着细度模数波动其变异系数达到了22.49%，变异性最大。SCB断裂能变异系数达到了20%左右。这说明级配的变化对再生沥青混合料高温稳定性、疲劳性能和低温抗裂性能都有着较大影响。

表5 细度模数与再生沥青混合料路用性能变异系数表

4 结 论

针对RAP料中集料级配的变异性对再生沥青混合料路用性能的影响进行研究。以AC-13C型高掺量热再生沥青混合料为研究对象，首先提出用细度模数作为衡量RAP料细化程度指标；其次，以车辙试验动稳定度、低温SCB断裂试验断裂能作为衡量再生沥青混合料高温性能、低温抗裂性能的指标；最后，以变异系数为指标，得出级配变异性对再生沥青砂浆路用性能的进行评价。

a.以车辙试验获得的动稳定度为衡量再生沥青混合料高温稳定性的指标。试验结果表明随着旧料的细度模数减小，再生沥青混合料骨架强度变弱，动稳定度变小，车辙变形增大，高温抗变形能力降低。

b.在-12 ℃的低温条件下，随着RAP料细度模数增大，对应的再生沥青混合料断裂能也增大，但相较于高品质沥青调和再生沥青混合料及AC-13新沥青混合料，其断裂位移较短，整体呈现更脆的状态。在细度模数较大的情况下，高油石比的再生沥青混合料断裂能甚至高于新料，这也证明沥青对于低温抗温缩开裂性能的影响要大于级配对低温抗温缩开裂性能的影响。