不同工况对温拌再生沥青混合料性能的影响

2022-06-27吴志刚

交通节能与环保 2022年3期

吴志刚

（福建省高速公路养护工程有限公司，福建福州 350000）

0 引言

温再生技术是将温拌沥青混合料技术与沥青混合料再生技术相结合形成的技术。它以一个较低的温度拌和再生沥青混合料，避免了沥青短期老化，还对沥青废物进行了二次利用。然而温拌沥青混合料在加工中是否比热拌沥青混合料在加工中具有更好的稳定性与和易性，是否更容易被压实，仍然还需要经过试验来加以验证[1]。

围绕温再生沥青混合料的性能研究，Guo等[2]研究发现温拌再生沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性较不含有RAP的温拌沥青混合料低。Marisa等[3]研究发现100% RAP的温拌再生沥青混合料可用于替代热拌沥青混合料用于路面铺筑。姜轩等[4]研究了不同沥青混合料回收料掺量的再生沥青混合料性能。韩永强等[5]设计不同RAP掺量的温拌再生沥青混合料，并研究了再生混合料的最佳沥青用量、拌和压实温度以及路用性能，分析了温拌再生混合料的性能变化规律。左锋等[6]使用沥青路面性能试验评价了不同RAP掺量的再生沥青混合料性能的变化趋势。李达[7]采用冻融劈裂试验、水损害敏感试验评价了RAP掺量对温拌再生沥青混合料水损害的影响，发现RAP掺量增加在一定程度上降低了沥青混合料的抗开裂能力。季节等[8]研究发现温拌再生沥青混合料水稳定性较热拌再生沥青混合料低，且热拌及温拌再生沥青混合料水稳定性随RAP掺量的增加而降低。朱小刚[9]探究了高RAP掺量的再生沥青混合料性能的变化趋势。

为此，本研究设计正交试验，研究不同RAP掺量、不同压实温度以及不同温拌剂掺量对温再生沥青混合料性能的影响，并采用极差与方差分析，研究各影响因素对性能的影响程度。

1 原材料试验

再生沥青混合料使用的新集料为石灰岩，并采用水洗分档筛分的方法分别测试新集料的基本性能指标，结果见表1。

表1 新集料性能指标Tab.1 Performance indexes of new aggregate

再生沥青混合料中使用的新沥青为SBS改性沥青，而RAP中的老化沥青则采用阿布森法将其与三氯乙烯溶剂分离，并测试老化沥青的基本性能，得到新老沥青的性能试验结果见表2。温拌剂采用Evotherm温拌添加剂，再生剂采用RA-102型，再生剂用量为RAP质量比的0.1%，温拌剂用量为沥青的质量比。

表2 沥青性能指标Tab.2 Performance indexes of asphalt

RAP来自福建省福银高速将乐段，对路面进行铣刨处理，将铣刨出来的RAP进行筛分分别得到0～6 mm、6～12 mm、12～16 mm三种粒径规格，并采用抽提仪对不同粒径的RAP进行抽提得到沥青含量与级配，结果见表3。

表3 RAP级配与沥青含量Tab.3 RAP gradation and asphalt content

2 试验设计

2.1 正交试验设计

采用正交试验设计方法，选取RAP掺量（A）、压实温度（B）、温拌剂掺量（C）作为影响因子，选取合适的水平进行三因素三水平正交试验，研究不同压实温度（100℃、120℃、140℃）、不同RAP掺量（0、20%、40%）以及不同温拌剂掺量（0、2%、4%）对温再生沥青混合料的水稳定性的影响。正交试验的因素水平见表4，具体正交试验方案见表5。

表4 因素水平表Tab.4 Factors level

表5 正交试验方案Tab.5 Orthogonal test scheme

2.2 级配设计

为尽量避免不同RAP掺量的再生沥青混合料级配对性能产生影响，研究设计三种RAP掺量的再生沥青混合料的级配基本一致，结果如图1所示。

图1 设计级配曲线Fig.1 Design grading curve

2.3 试件制备与测试方法

再生沥青混合料在拌和过程中，首先将RAP及再生剂预拌60 s，然后添加新集料及新沥青拌和60 s，最后添加矿粉拌和60 s。不同阶段的再生沥青混合料材料组成按照设计方案进行拌和，并采用马歇尔击实法制备再生沥青混合料试件。根据规范中的测试步骤测定不同设计方案的再生沥青混合料试件的空隙率、稳定度、劈裂抗拉强度，计算残留稳定度及冻融劈裂抗拉强度比，评价再生沥青混合料的水稳定性。此外，采用极差与方差分析法评价测试指标。

3 结果分析与讨论

采用上述方法测试不同方案的再生沥青混合料空隙率（VV）、稳定度（MS）、浸水稳定度（MS1）、劈裂抗拉强度（RT1）、冻融劈裂抗拉强度（RT2），计算残留稳定度（MS0）、冻融劈裂抗拉强度比（TSR）指标，得到试验结果见表6。

表6 试验结果Tab.6 Test results

3.1 极差分析

根据表6试验结果，分别进行RAP掺量（A）、压实温度（B）、温拌剂掺量（C）与再生沥青混合料空隙率（VV）、稳定度（MS）、浸水稳定度（MS1）、残留稳定度（MS0）、劈裂抗拉强度（RT1）、冻融劈裂抗拉强度（RT2）、冻融劈裂抗拉强度比（TSR）指标的极差分析，结果如表7～13所示。其中，因素极差越大，说明该因素对试验结果的影响越大，反之则越小。

表7 空隙率极差结果Tab.7 Range results of air voids

表8 稳定度极差结果Tab.8 Range results of stability

表9 浸水稳定度极差结果Tab.9 Range results of immersion stability

表10 残留稳定度极差结果Tab.10 Range results of residual stability

表11 劈裂抗拉强度极差结果Tab.11 Range results of splitting tensile strength

表12 冻融劈裂抗拉强度极差结果Tab.12 Range results of freeze-thaw splitting tensile strength

表13 冻融劈裂抗拉强度比极差结果Tab.13 Range results of freeze-thaw splitting tensile strength ratio

由表7可知，再生沥青混合料的空隙率会随着RAP掺量的增加呈现先减小后增大的趋势；随着压实温度的升高，空隙率降低以及随着温拌剂用量的增加空隙率减小。计算各个影响因素的极差并比较它们的大小得到各因素对试件空隙率影响程度顺序为：压实温度＞RAP掺量＞温拌剂掺量。

再生沥青混合料稳定度变化趋势方面，由表8可知，再生沥青混合料的稳定度随着RAP掺量、温拌剂掺量的增加而增加，随着压实温度的升高而先降低后增加。各因素对试件稳定度的影响程度基本一致。由表9可知，再生沥青混合料的浸水稳定度随着RAP掺量、温拌剂掺量的增加而增加，随着压实温度的升高而降低。各因素对试件浸水稳定度的影响程度为：温拌剂＞RAP掺量＞压实温度。由表10可知，再生沥青混合料的残留稳定度与RAP掺量、温拌剂掺量相关较低，说明RAP掺量、温拌剂掺量对残留稳定度的影响不明显。然而，残留稳定度随着压实温度的升高呈先增加后减小的趋势，说明适宜的碾压温度将有利于改善再生沥青混合料的水稳定性。不同因素对再生沥青混合料的残留稳定度的影响程度为：压实温度＞温拌剂掺量＞ RAP掺量。

再生沥青混合料劈裂抗拉强度方面，由表11可知，再生沥青混合料的劈裂抗拉强度受到温拌剂掺量影响较小；随着RAP掺量及压实温度的升高呈增加的趋势。不同因素对再生沥青混合料劈裂抗拉强度的影响程度为：RAP掺量＞压实温度＞温拌剂掺量。由表12可知，再生沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度受到温拌剂掺量影响较小；随着RAP掺量及压实温度的升高呈增加的趋势；不同因素对再生沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度的影响程度为：压实温度＞RAP掺量＞温拌剂掺量。由表13可知，再生沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比会随着RAP掺量、压实温度的增加呈先增大后减小的趋势，随着温拌剂用量的增加而增加，说明较低的RAP掺量将有利于改善再生沥青混合料的冻融抗水损性能，而较低的碾压温度将会降低沥青混合料中的沥青老化程度，增强沥青混合料之间的黏结性。然而，较高的RAP掺量以及碾压温度将会导致再生沥青混合料中老化沥青含量/沥青混合料中的沥青老化，降低再生沥青混合料的抗冻融水损性能。此外，不同因素对再生沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比的影响程度为：压实温度 = RAP掺量＞温拌剂掺量。

3.2 方差分析

为进一步判断影响因素对再生沥青混合料性能的影响程度，采用软件计算不同设计方案的再生沥青混合料的方差，结果见表14。此外，为判断影响因素的显著性，根据各因素的显著性水平，采用F0.1（n1，n2），F0.05（n1，n2），F0.01（n1，n2）划分显著性水平（n1，n2分别为各个影响因素以及误差的自由度，本次研究的影响因素和误差的自由度均为2）。因此，若F＞F0.01（2，2），认为该因素对结果影响极为显著，记为“+++”；若F0.01（2，2）＞F＞F0.05（2，2），认为该因素对结果影响较为显著，记为“++”；若F0.05（2，2）＞F＞F0.1（2，2），则认为该因素对结果影响显著，记为“+”；若F＜F0.1（2，2），则认为该因素对结果影响不显著，记为“-”。其中F0.01（2，2） = 99.01，F0.05（2，2）= 19.0，F0.1（2，2） =9.0。若R2＜ 0.90，则认为这个模型的拟合程度较差，计算出来的方差结果参考意义较小[10]。

表14 水稳定性方差分析Tab.14 Variance analysis of moisture stability

由表14可知，浸水稳定度、浸水稳定度残留、冻融劈裂抗拉强度比的R2均小于0.95，拟合效果较差，不具备参考价值；压实温度对温再生沥青混合料的空隙率影响较为显著，而RAP掺量以及温拌剂掺量对其影响显著；三种因素对稳定度影响都不显著。然而，RAP掺量、压实温度对未冻融及冻融劈裂抗拉强度影响极其显著，温拌剂用量对冻融劈裂抗拉强度影响较为显著，说明温拌再生沥青混合料在设计过程中需要重点关注其受冻融影响导致其性能不足的情况。