大掺量RAP热再生沥青混合料路用性能研究

2022-11-17盘宇飞侯剑楠

西部交通科技 2022年9期

盘宇飞，侯剑楠

(1.广西壮族自治区公路发展中心，广西南宁 530029；2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

《2020年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2020年年底，我国公路养护总里程达514.40万km，占公路总里程的99.0%，我国公路建设行业逐渐由早年的建设为主转变为建养并重，大量早期修建的公路亟须进行养护维修。日益繁重的养护维修任务导致我国每年产生大量的旧沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)，若将其全部弃置，一方面会对环境造成污染，另一方面需重新开采大量土石资源用于生产新沥青混凝土，因此道路建设工作者基于绿色公路发展理念，提出采用沥青路面再生技术对RAP进行回收利用。

沥青路面再生技术一般可分为热再生与冷再生两类，其中热再生技术通过将RAP、再生剂、新沥青与新集料一同加热拌和均匀后摊铺碾压形成再生路面，实现对RAP的高效利用，其相对于冷再生技术，具有RAP再生效果较好、RAP掺量高、施工质量易于控制等优点，应用相对广泛[1]。目前我国实际工程中RAP掺量一般不超过40%，大掺量RAP热再生沥青混合料应用较少，因此本文基于正交试验设计，通过沥青混合料室内路用性能试验，研究加热温度、拌和时间、大掺量RAP对再生沥青混凝土性能的影响，以期为大掺量RAP热再生沥青混合料的应用提供参考。

1 原材料

1.1 新沥青

本文采用的新沥青为成品SBS改性沥青，其技术指标如表1所示。

1.2 新集料

本文采用玄武岩粗集料、石灰岩细集料作为新集料，其技术指标如表2、表3所示。

表1 SBS改性沥青技术指标表

表2 玄武岩粗集料技术指标表

表3 石灰岩细集料主要技术指标表

1.3 再生剂

本文所采用的再生剂技术指标如表4所示。

表4 再生剂技术指标表

1.4 RAP

本文采用的RAP来自旧沥青路面表面层AC-13铣刨料，沥青含量测定结果为4.7%，通过离析分离试验对其级配进行测定，结果如表5所示。

表5 RAP离析分离后级配测定结果表

2 再生沥青混合料级配设计

根据RAP-13级配组成与新集料级配范围，调整不同RAP掺量下的新集料比例，使其合成级配满足AC-13级配范围要求，合成级配结果如表6所示。

表6 AC-13热再生沥青混合料合成级配表

根据表6中不同RAP掺量下的再生混合料合成级配，参考《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521-2019)，采用式(1)、式(2)计算再生混合料中新沥青预估用量。

Pb=0.035a+0.045b+Kc+F

(1)

Pnb=Pb?傆bPab×n/100

(2)

式中：Pb——再生混合料中总沥青用量；

Pab——RAP内旧沥青含量，4.7%；

Pnb——再生混合料新沥青用量；

a——>2.36 mm集料含量；

b——0.075～2.36 mm集料含量；

c——<0.075 mm粉料含量；

K、F——常数，本文分别取0.12、0.7。

根据式(1)和式(2)可计算出70%RAP、80%RAP与90%RAP三个合成级配的新沥青用量分别为1.68%、1.21%与0.74%，然后分别以0.5%为间距上下各浮动两个油石比进行马歇尔试验，根据图解法得到70%RAP、80%RAP与90%RAP三个合成级配的最佳油石比分别为1.93%、1.29%与0.69%。

3 试验方案

热再生沥青混合料制备工艺参数的选择将直接影响再生路面的路用性能与施工质量，因此本文选取RAP掺量、拌和温度与拌和时间作为试验影响因素，采用正交试验设计法进行试验方案设计。正交试验设计法是一种利用正交设计表安排与分析多因素试验的设计方法，可均匀挑出代表性较强的少数试验方案，在各因素间进行多种可能的最佳搭配，从而提高试验效率、节省试验材料。本文结合国内外相关文献，确定各因素水平取值如表7所示。

表7 L9(33)正交试验因素及水平取值表

4 试验结果与分析

4.1 RAP掺量与制备工艺对再生沥青混合料性能的影响

基于表7中的影响因素与水平，对大掺量RAP热再生沥青混合料进行60 ℃车辙试验、低温弯曲试验及冻融劈裂试验，试验结果如表8所示。

表8 大掺量RAP热再生沥青混合料试验结果表

为评价不同水平对大掺量RAP热再生沥青混合料性能影响，以各因素相同水平下试验结果的均值作为纵坐标，以各因素水平作为横坐标，基于上页表8中的试验结果，绘出各因素与试验指标的关系，如图1～3所示。

图1 不同因素水平对动稳定度的影响曲线图

图2 不同因素水平对破坏应变的影响曲线图

图3 不同因素水平对冻融劈裂强度比的影响曲线图

由图1～3可知：

4.1.1 高温性能

随着RAP掺量增大，再生混合料动稳定度不断提高，表明RAP的掺入显著改善了再生沥青混合料的高温稳定性能。这是由于RAP掺量的增加，使再生沥青混合料中旧沥青含量增加，RAP中旧沥青经过老化后软化点提高、劲度增大，从而提高再生沥青混合料动稳定度，增强其抵抗高温剪切变形能力。

随着再生沥青混合料拌和时间延长与拌和温度增加，再生沥青混合料动稳定度逐渐增大，结果表明适当延长拌和时间、提高拌和温度可有效增强再生沥青混合料高温性能。这是由于温度提高和拌和时间延长有利于RAP中旧沥青的软化，促进新旧沥青的融合，使RAP中的旧集料与新集料充分混合均匀，从而提高RAP的再生效率，宏观表现为再生沥青混合料高温稳定性能明显提高[2]。

4.1.2 低温抗裂性能

随着RAP掺量增加，再生沥青混合料低温破坏应变大幅下降，表明大掺量RAP对再生沥青混合料低温抗裂性存在负面影响。这是由于RAP中旧沥青老化后，轻质组分含量降低，旧沥青低温延展性能下降，而RAP掺量的增加，使得再生沥青混合料中老化后的旧沥青含量显著提高，从而对再生沥青混合料的低温性能产生负面影响[3]。

随着拌和时间延长与拌和温度提高，再生沥青混合料低温破坏应变分别表现出单调递增与先增大后减少的变化趋势。这是由于提高拌和温度、延长拌和时间有利于RAP与新集料、新沥青的混合，消除RAP混合不均产生的薄弱界面，提高RAP的再生程度，从而提高再生沥青混合料的低温抗裂性能。当拌和温度过大时，导致新沥青短期老化，降低新沥青延展变形能力，一定程度上降低再生沥青混合料的低温性能。

4.1.3 水稳定性

随着RAP掺量增加，大掺量RAP再生沥青混合料冻融劈裂强度比大幅下降，表明大掺量RAP条件下，加大RAP掺量对再生沥青混合料水稳定性存在一定负面影响。这是由于过多的RAP掺量使再生混合料中旧沥青含量增加，旧沥青经过老化后，变硬变脆，与集料间的粘附性下降，导致再生沥青混合料的水稳定性能显著降低[4]。

随着拌和时间延长与拌和温度增加，再生沥青混合料冻融劈裂强度比分别呈现单调递增与先增大后降低的变化规律，与前文分析一致，这是由于延长拌和时间与提高拌和温度能促进新旧沥青融合再生，使新旧集料均匀分散，提高再生效率，从而明显提高再生沥青混合料的抗水损害能力，但过高的拌和温度将导致新沥青老化，对再生沥青混合料的水稳定性存在负面影响。

4.2 相关性分析

为分析RAP掺量程度、拌和温度与拌和时间对热再生沥青混合料性能的影响程度，采用SPSS软件对表8中的试验数据进行Pearson相关性分析，结果如表9所示。

由表9可知，对于再生沥青混合料高温稳定性能与低温抗裂性能影响因素相关性排序均为：RAP掺量>拌和温度>拌和时间，且RAP掺量分别与高温稳定性能、低温抗裂性能之间存在显著相关性(0.05水平上显著相关)。对于再生沥青混合料水稳定性能影响因素相关性排序为：RAP掺量>拌和时间>拌和温度，且RAP掺量与水稳定性能之间存在显著相关性(0.05水平上显著相关)。