盐冻融循环对热再生沥青混合料低温性能的影响

2022-06-27张智

交通节能与环保 2022年3期

张智

（宜春交通投资集团有限公司，江西宜春 336099）

0 引言

修建沥青路面时需要消耗大量的沥青和集料等不可再生资源，然而在沥青路面维修与养护过程中会产生大量的沥青路面旧料。据报道，我国每年约产生3亿吨旧料[1]，如果将这些旧料进行回收并再次用于铺筑沥青路面，可极大地减少不可再生资源的开发，达到节约、节能和环保的目的。因此，沥青路面旧料再生技术越来越受到人们的重视，而热再生技术生产的再生沥青混合料品质最好，是使用最为广泛的再生技术之一。然而，当热再生沥青混合料用于季节性冰冻地区时，由于季冻区冬季时间漫长，道路积雪和结冰严重，经常需要喷洒融雪盐除冰雪，保障道路的安全和畅通，而融化的冰雪在晚上等低温时段又重新冻结。因此沥青路面不仅承受长时间的低温环境，而且需要承受盐冻融循环破坏，因此，有必要研究盐冻融循环对热再生沥青混合料的低温耐久性的影响。

Ma等[2]研究了冻融循环对再生沥青混合料劈裂强度的影响，发现随着旧料掺量提高，再生沥青混合料的劈裂强度先增大后减小。许西淼等[3]的研究表明随着冻融循环次数的增加，再生沥青混合料的弯拉应变逐渐减小。姜严旭等[4]研究了冻融循环对再生沥青混合料水稳定性和疲劳性能的影响，发现随着冻融循环次数的增加，劈裂强度和疲劳寿命均逐渐降低。胡艳丽[5]采用劈裂试验研究了冻融循环对再生沥青混合料的影响，发现冻融之后再生沥青混合料的劈裂强度降低、破坏应变增大。

吴金荣等[6]研究了盐冻融循环下沥青混合料的疲劳性能，发现盐分能够加剧沥青混合料的疲劳破坏。常睿等[7]研究了盐冻融循环对沥青混合料低温性能的影响，发现盐冻融循环之后，沥青混合料的应变能密度显著减小，且盐溶液浓度越高，对低温性能影响越大。崔亚楠和王岚等[8-9]的研究表明盐冻条件下沥青混合料的低温蠕变性能下降。黄新颜等[10]发现盐分会降低沥青与集料面强度，从而降低沥青混合料的水稳定性。

目前，国内外的研究主要集中于冻融循环对再生沥青混合料影响的研究以及盐冻融循环对普通沥青混合料影响的研究，而研究盐冻融循环对再生沥青混合料低温性能的影响还鲜有报道。鉴于此，本文对盐冻融循环对再生沥青混合料低温性能的影响进行研究。首先设计七种再生沥青混合料，然后进行劈裂试验、低温弯曲试验和疲劳试验，对比分析不同旧料掺量、油石比、再生剂种类的再生沥青混合料经受盐冻融循环后的性能变化规律，为季冻区热再生沥青混合料的设计提供参考。

1 试验原材料和方法

1.1 试验原材料

（1）集料

试验中所用集料为石灰岩。由于试验所用混合料级配为AC-20，使用四种粒径范围的集料，按粒径大小分为0～3 mm、3～5 mm、5～15 mm和15～25 mm。经检验，集料的物理力学指标满足规范要求。

（2）旧料

为减小再生混合料级配的变异性，旧料分为粗细两档。经抽提试验后，检测得两档旧料的油石比如表1所示，旧料中集料的物理力学指标也符合规范要求。

表1 旧料残余油石比Tab.1 Binder-stone ratio of RAP

（3）沥青

所使用新沥青为70#基质沥青。新沥青与旧料中回收沥青的技术指标如表2所示。

表2 沥青技术指标Tab.2 Properties of asphalt binder

（4）再生剂与盐

所用再生剂为市面上常见的两种再生剂，再生剂一常温下为黑色固体，加热后为液体；再生剂二常温下为褐色液体，两种再生剂的推荐掺量均为旧沥青质量分数的8%。所使用的盐为国药集团生产的分析纯氯化钠。

1.2 试验方案和方法

共设计七种沥青混合料，其中包括六种再生沥青混合料和一种对照混合料，然后设计劈裂试验、弯曲试验和疲劳试验，研究其未经冻融、经受清水冻融循环与经受盐水冻融之后的低温抗水损害性能、低温抗裂性能和疲劳性能的变化规律。

1.2.1 沥青混合料组成

七种沥青混合料以规范中AC-20级配中值为目标级配，九种沥青混合料的组成如表3所示，其最佳油石比通过马歇尔法确定。编号中的数字表示旧料的掺量，R40RA1#和R40RA2#分别表示添加再生剂一和再生剂二的再生沥青混合料，其最佳油石比采用R40的最佳油石比，再生剂掺量为旧料中旧沥青的质量比；R40B0.3和R40B0.6分别表示在R40的最佳油石比基础上增加0.3%和0.6%的油石比。

表3 沥青混合料组成Tab.3 Composition of asphalt mixture

1.2.2 试验方法

（1）低温冻融劈裂试验

首先根据混合料的配合比成型马歇尔试件，随机选取三个标准的试件在清水或10%氯化钠盐溶液（质量比）中抽真空15 min，然后恢复常压浸泡30 min，取出试件放入注有10 mL清水或10%氯化钠盐水的塑料袋中，接着放入-18±2 ℃的冷箱中冷冻16 h，再放在60 ℃的恒温水浴环境中融化24 h，以此作为一个冻融循环，如此进行三次循环。最后，放入-10 ℃的冰箱中保温4 h，以1 mm/min的加载速率进行劈裂试验，以劈裂强度和冻融劈裂强度比作为再生沥青混合料低温抗水损害的评价指标。

（2）低温弯曲试验

首先根据轮碾法成型沥青混合料车辙板，然后切割成30 mm×35 mm×200 mm的小梁。随机选取三根小梁试件放入室温水槽中2 h作饱水处理，接着放入注有清水或10%氯化钠盐水的塑料袋中，再放入-18±2 ℃的冷箱中冷冻12 h，之后放入室温水槽中融化12 h，以此作为一个冻融循环，如此进行三次循环，最后在-10 ℃下进行弯曲试验，试验方法参照规范JTG E20—2011，以破坏应变比作为再生沥青混合料低温性能的评价指标。

（3）疲劳试验

采用三点弯曲疲劳试验评价盐冻融循环对沥青混合料的疲劳性能的影响。疲劳试验前先对试件进行三次清水或10%氯化钠盐溶液的冻融循环，冻融循环条件与弯曲试验相同。疲劳试验时采用应力控制模式，应力比为0.2、0.3和0.4，试验温度为15℃，加载频率为10 Hz，荷载形式为半正弦波形，不设置间歇时间，以试件断裂作为疲劳破坏标准，以疲劳寿命作为评价指标。

2 结果与讨论

2.1 低温抗水损害性能

2.1.1 不同旧料掺量对低温抗水损害性能的影响

不同旧料掺量再生沥青混合料的劈裂强度如图1所示。从图1可以看出，随着旧料掺量的提高，再生沥青混合料的劈裂强度逐渐提高，添加40%旧料之后，劈裂强度提高了20.7%，这是因为旧料中含有内聚力更强的老化沥青，致使旧料掺量高的再生沥青混合料劈裂强度更高；再生沥青混合料的冻融劈裂强度则随旧料掺量先增大后减小，说明旧料掺量存在一最佳用量，低于该掺量时添加旧料有利于提高其冻融劈裂强度，高于此掺量时则冻融劈裂强度会衰减；对比未冻融与经受冻融的劈裂强度可以发现，经过清水和盐溶液冻融循环后，再生沥青混合料的劈裂强度均下降，且经过盐冻融循环的强度下降幅度更大，这是因为混合料空隙中的水分和浸入到沥青-集料界面的水分在低温下结冰，在混合料内部产生冻胀应力并产生损伤，致使劈裂强度降低，而经受盐冻融循环的试件不仅会产生冻胀应力，还会产生盐结晶的膨胀应力，因此劈裂强度下降的幅度更多。

图1 不同旧料掺量再生沥青混合料的劈裂强度Fig.1 Splitting strength of recycled asphalt mixture with different RAP contents

以冻融劈裂强度比（TSR）评价再生沥青混合料的抗水损害性能，如图2所示。从图2可知，添加20%旧料之后，其抗水损害能力提高了4.1%，而添加40%旧料之后，其抗水损害能力降低了3.7%，说明旧料的最佳掺量在20%左右。当旧料掺量低于20%时，有利于沥青混合料的抗水损害能力，而当旧料掺量高于20%时，不利于沥青混合料的抗水损害能力。经受盐冻融后，TSR进一步降低，相比于清水冻融，R0、R20和R40的TSR分别降低了13.4%、15.7%和16.3%，说明添加旧料之后会损害沥青混合料的抗盐冻融损害能力，原因可能是添加旧料之后再生沥青混合料中的薄弱界面更多，在盐冻融循环下更容易损伤。由此也说明季冻区盐冻融循环对沥青混合料抗水损害的影响不可忽视。

图2 不同旧料掺量再生沥青混合料的劈裂强度比Fig.2 TSR of recycled asphalt mixture with different RAP contents

2.1.2 不同再生剂种类对低温抗水损害性能的影响

不同再生剂种类再生沥青混合料的劈裂强度如图3所示，添加再生剂后，再生沥青混合料的未冻融劈裂强度变化很小，但是经受冻融之后，其劈裂强度比未添加再生剂高，清水冻融时R40RA1#和R40RA2#比R40的劈裂强度分别提高了8.4%和7.0%，盐冻融时R40RA1#和R40RA2#比R40的劈裂强度均提高了约16%，其原因可能是再生剂促进了旧沥青与新沥青的融合，降低了再生沥青混合料的薄弱界面，因而劈裂强度提高。

图3 不同再生剂种类再生混合料的劈裂强度Fig.3 Splitting strength of recycled asphalt mixture with different rejuvenating agent

不同再生剂种类再生沥青混合料的冻融劈裂强度比（TSR）如图4所示，添加再生剂后，清水冻融时R40RA1#和R40RA2#比R40的TSR分别提高了3.8%和7.2%，盐冻融时R40RA1#和R40RA2#比R40的劈裂强度分别提高了10.5%和14.4%，说明添加再生剂不仅可以提高再生沥青混合料的抗水损害能力，还可以提高其抗盐冻融损害能力。

图4 不同再生剂种类再生混合料的劈裂强度比Fig.4 TSR of recycled asphalt mixture with different rejuvenating agent

2.1.3 不同油石比对低温抗水损害性能的影响

不同油石比的再生沥青混合料的劈裂强度如图5所示，增加油石比后，再生沥青混合料的劈裂强度提高，但进一步增加时其强度提高并不明显，原因可能是：当增加较小的油石比时，集料颗粒之间的润滑能力提高，成型时更密实，因而强度更大，当进一步增加油石比时，沥青主要填充于混合料内部空隙中，因而强度提高不明显；经过冻融之后，再生沥青混合料的强度也得到了提高，清水冻融时R40B0.3#和R40B0.6比R40的劈裂强度分别提高了7%和8%，盐冻融时R40B0.3#和R40B0.6比R40的劈裂强度分别提高了约10%和12%，这是因为增加油石比后有更多的沥青会在集料表面形成更厚的沥青膜，因而水分更不易浸入沥青与集料之间的界面，所以其冻融劈裂强度提高。

图5 不同油石比再生混合料的劈裂强度Fig.5 Splitting strength of recycled asphalt mixture with different binder-stone ratio

不同油石比的再生沥青混合料的冻融劈裂强度比（TSR）如图6所示，增加油石比之后，清水冻融时R40B0.3#和R40B0.6比R40的TSR分别提高了1%和2%，盐冻融时R40B0.3#和R40B0.6比R40的劈裂强度分别提高了5%和7%，说明增加油石比同样可以提高再生沥青混合料的抗水损害能力和抗盐冻融损害能力。

图6 不同油石比再生混合料的劈裂强度比Fig.6 TSR of recycled asphalt mixture with different binderstone ratio

2.2 低温抗裂性能

2.2.1 不同旧料掺量对低温抗裂性能的影响

以破坏应变评价再生沥青混合料的低温抗裂性能，如图7所示，随着旧料掺量的提高，再生沥青混合料的破坏应变逐渐降低，添加40%旧料之后，劈裂强度提高了36%，已不满足规范中不低于2 000 με的要求，这是因为旧料中的老化沥青模量变大、变形能力降低，致使再生沥青混合料的破坏应变减小；经受清水冻融循环后，再生沥青混合料的破坏应变均减小，R0、R20和R40的破坏应变相比于未冻融循环分别减小了12.4%、12.6%和25.1%，这是因为混合料空隙中的水分和浸入到沥青-集料界面、新沥青-旧沥青界面的水分在低温下结冰，在混合料内部产生冻胀应力并生产损伤，致使破坏应变减小，并且旧料掺量越多，新沥青-旧沥青的界面越多，破坏应变降低的幅度也越大；经受盐冻融循环后，再生沥青混合料的破坏应变会进一步减小，R0、R20和R40的破坏应变相比于未冻融循环分别减小了15.7%、22.2%和39.2%，这是因为在低温下混合料空隙、沥青-集料界面、新沥青-旧沥青界面不仅有冰的冻胀应力，而且有盐结晶的体积膨胀应力，并且旧料掺量越多，新沥青-旧沥青界面越多，产生的损伤也就越大，因而破坏应变下降幅度越大。因此，在季冻区设计混合料时，冻融循环和盐冻融循环对混合料低温抗裂性能的劣化也是需要慎重考虑的因素。

图7 不同旧料掺量再生沥青混合料的破坏应变Fig.7 Fracture strain of recycled asphalt mixture with different RAP contents

2.2.2 不同再生剂种类对低温抗裂性能的影响

不同再生剂种类再生沥青混合料的破坏应变如图8所示，添加再生剂后，再生沥青混合料的破坏应变增加，R40RA1#和R40RA2#比R40的破坏应变分别提高了10.6%和28.4%；经受清水冻融之后，R40RA1#和R40RA2#其破坏应变虽然有所减小，但是其相比于未添加再生剂的混合料R40分别提高了34.8%和53.2%；而经受盐冻融之后，R40RA1#和R40RA2#比R40的破坏应变分别提高了46.4%和60.1%，这是因为再生剂中的芳香分和胶质可软化老化沥青、提高老化沥青的变形能力，同时也可以促进旧沥青与新沥青的相容性，减小混合料内部的缺陷，进而减小应力集中，因此提高了再生沥青混合料冻融和盐冻融循环之后的破坏应变。由此也说明添加再生剂可以提高季冻区再生沥青混合料的低温抗裂性能。

图8 不同再生剂种类再生沥青混合料的破坏应变Fig.8 Fracture strain of recycled asphalt mixture with different rejuvenating agent

2.2.3 不同油石比对低温抗裂性能的影响

不同油石比再生沥青混合料的破坏应变如图9所示，增加油石比后，再生沥青混合料的破坏应变增加，R40B0.3#和R40B0.6比R40的破坏应变分别提高了3.2%和21.4%；经受清水冻融之后，R40B0.3#和R40B0.6的破坏应变虽然减小，但是其相比于R40分别提高了18.9%和39.7%；而经受盐冻融之后，R40B0.3#和R40B0.6比R40的破坏应变分别提高了25.2%和50.2%，这是因为增加油石比之后增加了集料的沥青膜厚度，有更多的沥青参与变形，因而提高了再生沥青混合料冻融和盐冻融循环之后的破坏应变。由此也说明可通过适当增加油石比提高季冻区再生沥青混合料的低温抗裂性能。

图9 不同油石比再生沥青混合料的破坏应变Fig.9 Fracture strain of recycled asphalt mixture with different binder-stone ratio

2.3 疲劳性能

由于疲劳试验时间较长，只选取了R0、R40、R40RA2#和R40B0.3#进行疲劳试验，结果如图10所示。对比四种混合料疲劳寿命可以发现，经过清水冻融和盐冻融后，混合料的疲劳寿命均下降，且盐冻融的疲劳寿命下降幅度更大，比如混合料R0，在0.2、0.3和0.4的应力比下，清水冻融后疲劳寿命分别降低了36.5%、31.2和13.8%，盐冻融后疲劳寿命分别降低了46.8%、37.9和23.0%，这是因为冰的冻胀和盐的结晶会对沥青混合料产生损伤。由此也说明季冻区沥青路面的盐冻融循环会降低沥青路面的抗疲劳能力。

图10 沥青混合料的疲劳寿命Fig.10 Fatigue life of asphalt mixture

对比图10（a）和图10（b）可知，添加40%的旧料后，在0.2、0.3和0.4的应力比下，疲劳寿命分别降低了48.0%、39.2%和23.9%；经过清水冻融以后，疲劳寿命分别降低了52.5%、54.4%和57.3%，经过盐冻融以后，疲劳寿命分别降低了61.9%、70.8%和64.1%，比R0的下降幅度更大，也就是说添加旧料之后，再生沥青混合料不仅疲劳寿命降低，经受冻融循环和盐冻融循环的寿命下降的幅度也更大。

对比图10（b）和图10（c）可知，添加再生剂后，再生沥青混合料的疲劳寿命增大，在0.2、0.3和0.4的应力比下，疲劳寿命分别提高了17.9%、26.7%和19.1%，经过清水冻融以后，疲劳寿命分别提高了30.7%、28.9%和54.7%，经过盐冻融以后，疲劳寿命分别提高了57.8%、27.4%和20.4%，也就是说添加再生剂之后，再生沥青混合料不仅疲劳寿命提高，其经受冻融循环和盐冻融循环的寿命也提高。

对比图10（b）和图10（d）可知，增加油石比后，再生沥青混合料的疲劳寿命增大，在0.2、0.3和0.4的应力比下，疲劳寿命分别提高了31.3%、25.9%和23.6%，经过清水冻融以后，疲劳寿命分别提高了45.9%、57.1%和53.8%，经过盐冻融以后，疲劳寿命分别提高了61.3%、84.0%和44.1%，也就是说增加油石比之后，再生沥青混合料的冻融循环和盐冻融循环的疲劳寿命也得到提高。