高RAP掺量的再生沥青混合料路用性能研究

2022-07-13史大运

交通世界 2022年14期

史大运

（涿州市交通运输局公路工程管理站，河北涿州 072750）

0 引言

早期建设的沥青路面由于使用年限的增加以及交通量、车辆载重的不断增大，已出现大量病害，需要进行翻修重建。翻修重建过程中产生的大量沥青混合料废弃物（Reclaimed Asphalt Pavement,RAP）如何处理成为亟待解决的问题。再生沥青混合料是指将RAP破碎处理后作为骨料与天然骨料、新沥青、矿粉混合搅拌形成的沥青混合料。再生沥青混合料的应用不仅为大量RAP的处理提供了新方案，解决了环境问题，同时还可以降低施工成本，带来经济效益。但是目前再生沥青混合料中RAP的掺量不是很高，仅为20%～30%。本研究设计了一种高RAP掺量的再生沥青混合料，通过检测其路用性能，分析不同橡胶粉掺量的改性沥青对再生沥青混合料路用性能的影响。

1 原材料

1.1 旧沥青混合料

试验所用的沥青混合料废弃物取自南京某高架桥路面翻修时产生的废弃旧料，将其加热分散后进行筛分，筛分结果见表1。测得其表观密度为2.8g/cm3，吸水率为1.2%。采用离心分离法对RAP进行抽提蒸馏，测得RAP中的沥青含量为4.9%。

表1 RAP的筛分结果

1.2 沥青

试验所用的沥青是实验室自制的橡胶粉改性沥青，采用市售的壳牌70#基质沥青与8%掺量的橡胶粉在转速200r/min的搅拌机中混合而得。该橡胶粉改性沥青的技术指标见表2。

表2 橡胶粉改性沥青技术指标

1.3 天然骨料

试验所用的天然骨料选用玄武岩碎石，共有4个粒径区间：0～3mm,3～5mm,5～10mm,10～15mm。天然骨料筛分结果见表3。

表3 天然骨料筛分结果

1.4 矿粉

试验所用的矿粉为石灰岩矿粉，表观密度为2.7g/cm3，含水率为0.4%，粒度均在0.15mm以下，符合规范要求。

2 配合比设计

2.1 矿料级配设计

混合料的矿料级配设计会直接影响混合料的性能。选用抗车辙变形能力较为优异的级配super-13进行设计。根据天然骨料及RAP的筛分结果，调节各档骨料的用量，进行级配合成，结果见表4。合成级配的各档骨料比例为：RAP∶0～3mm天然骨料∶矿粉=83∶14∶3。

表4 合成级配数据

2.2 最佳沥青用量设计

由于RAP中原本含有4.9%的沥青，说明旧沥青路面在服役过程中沥青的损耗量并不多，根据经验选取0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%等5种沥青用量制备马歇尔试件，制得的马歇尔试件的性能指标如表5所示。

表5 马歇尔试件的性能指标与沥青用量

由表2可知，当沥青掺量为1%时，空隙率最大为5.3%。对曲线进行拟合，计算得到空隙率为4.0%对应的沥青掺量为1.7%，此掺量下对应的流值、稳定度度分别为1.53mm和71.2%，均满足规范要求，因此确定最佳沥青用量为1.7%。

3 路用性能分析

根据设计好的矿料级配以及最佳沥青用量进行沥青混合料的路用性能试验。由于地处沿海地区，基本无严寒或冰冻现象，但雨水丰富，所以路用性能分析以高温性能和抗水损害性能为主。为了比较不同的橡胶粉掺量对沥青混合料路用性能的影响，共制备8%、12%、16%等3种不同橡胶粉掺量的改性沥青。同时成型一组不掺RAP的天然骨料沥青混合料作为对比组。各组沥青混合料的制备方法见表6。

表6 沥青混合料制备方法

3.1 再生沥青混合料的高温性能

沥青混合料的高温性能是指混合料在高温下承受外界荷载时抵抗变形的性能。车辙试验可以很好地模拟真实路面受车辆碾压之后沥青混合料的变形情况。试验温度设定为60℃，轮压固定为0.7MPa。需要注意的是，在开始试验之前，需要将车辙试块置于60℃恒温环境下保温4h。用动稳定度来表征车辙试验的结果。动稳定度的计算见式（1）：

式（1）中：DS为动稳定度（次/mm），动稳定度越大，说明沥青混合料的抗车辙性能越优异，即高温下抗变形性能越好；d1,d2分别为145min和260min时对应的变形量（mm）；C1,C2为试验参数，取值均为1.0；N为轮碾行进的速度，取值为42次/min。

沥青混合料车辙试验结果见表7。由表7可知，高RAP再生沥青混合料的动稳定度显著高于天然骨料的沥青混合料，比对比组高47.5%。这是因为RAP在自然条件下长期服役的过程中，不断遭受车轮碾压以及紫外线照射，其中包含的地沥青已经发生了老化。而沥青的老化是一个油分减少、沥青质增加、低分子组分向高分子组分转变的过程，该过程会导致沥青变脆、变硬。再生沥青混合料中含有大量的RAP，从而导致了其动稳定度增大，因此高温性能更为优异。

表7 沥青混合料的车辙试验结果

观察表7中3组再生沥青混合料的动稳定度数据可以发现，新沥青中的橡胶粉含量增大，沥青混合料的动稳定度也随之提高。ZJ-12组的动稳定度比ZJ-8组提高了10.9%，ZJ-16组比ZJ-8组提高了15.5%。在橡胶粉掺量大于8%以后，增大橡胶粉掺量对提高动稳定度带来的效果并不显著。

3.2 再生沥青混合料的抗水损害性能

沥青混合料的抗水损害性能用冻融劈裂强度比表征。冻融劈裂试验使用马歇尔试件进行，分为两组，其中一组在真空饱水之后在-18℃的环境中冷冻16h，之后取出在60℃水中浸泡24h，最后将两组试件同时置于25℃水域中浸泡2h后进行劈裂试验。冻融劈裂强度比的计算公式见式（2）：

式（2）～式（4）中：RT1,RT2分别为未经冻融和经过冻融的劈裂抗拉强度（MPa）；PT1,PT2分别为未经冻融和经过冻融的劈裂时荷载值（N）；h1,h2分别为未经冻融和经过冻融的马歇尔试件高度（mm）；TSR为冻融劈裂强度比。

沥青混合料的冻融劈裂试验结果见表8。由表8可知，高RAP掺量的再生沥青混合料冻融劈裂强度比相较于天然骨料的沥青混合料低一些。说明高RAP掺量会导致沥青混合料抗水损害性能下降。这是因为：①RAP中的旧沥青老化严重，黏度下降，与骨料的黏结性变差，导致再生沥青混合料的空隙率增大；②一部分旧沥青与新沥青发生胶结，导致混合料中的有效沥青含量降低。这两个因素导致了再生沥青混合料的水稳定性较差。橡胶粉掺量在8%～16%的范围内变化时，冻融劈裂强度比随橡胶粉掺量的增大而增大。