不同掺量细RAP的厂拌热再生AC-13路用性能研究

2022-12-10何书进黄哲骁屈庆余包广志

建材世界 2022年6期

何书进，黄哲骁，屈庆余，刘进，蔡平，包广志

(1.葛洲坝湖北襄荆高速公路有限公司，荆门 448000；2.葛洲坝集团交通投资有限公司，武汉 430000；3.中南安全环境技术研究院股份有限公司，武汉 430000)

我国公路建设，尤其是高速公路的大规模建设经历了30多年的发展，高速公路总里程已超过16万km，其中90%以上的路面为沥青混凝土路面。目前，已建设的高速公路陆续进入大、中修期，每年产生大量的废旧沥青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)。在资源匮乏的全球背景下，沥青路面再生技术是公路建设可持续发展战略的重要组成部分，在我国现阶段尤其具有重要的现实意义[1-3]。

厂拌热再生技术是将沥青铣刨料运至拌合站与新集料和新沥青/再生剂拌和而成具有良好路用性能的沥青混合料，进而重新铺筑使用[4,5]。实践证明，沥青混合料厂拌热再生技术施工质量易于把控，如果采用完善的设计和正确的施工方案，热再生沥青混合料的性能可达到甚至超过普通热拌沥青混合料。但在实际工程应用过程中，受旧料加热温度、级配等因素影响，RAP掺配比例提升后再生混合料路用性能难以达到预期。该文采用襄荆高速公路实际养护过程中产生的上面层细废旧沥青混合料作为研究对象，通过室内试验研究不同RAP掺量下的再生混合料马歇尔体积参数、高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性的变化规律，以期为工程应用提供参考[6，7]。

1 试验

1.1 试验材料

试验用铣刨料均来自于襄荆高速公路某路段上面层。原混合料类型为Sup-13，经预处理破碎、筛分后分为0～8 mm、8～26 mm两档，破碎筛分后0～8 mm档占比超过70%。主要原因是沥青混合料经长期荷载碾压，集料不同程度受到粉化，经铣刨、破碎后，废旧料进一步粉化。为提升废旧料整体利用率，对0～8 mm档细RAP进行再生研究，再生时仅掺配细RAP进行使用。0～8 mm档RAP抽提后筛分结果见表1。

表1 0～8 mm RAP抽提筛分试验结果 /%

试验用改性沥青为SBS(I-D)型，各项指标满足使用要求，检测指标见表2。试验用再生剂各项技术指标见表3，满足使用要求。

表2 改性沥青各项指标检测结果

表3 再生剂技术指标

试验用新的粗、细集料均采用辉绿岩，填料采用石灰岩矿粉，各项参数均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的相关要求。

1.2 试验方案

试验首先根据RAP中沥青老化程度确定再生剂掺配比例，接着基于马歇尔试验方法分别进行0、20%、30%、40%共计4个不同RAP掺配比例的混合料配合比设计，确定合适矿料级配和最佳沥青用量。最后对比4种RAP掺量下的再生混合料马歇尔体积参数、高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性[8]。

2 结果与分析

2.1 再生剂掺量确定

试验选用0、2%、4%、6%、8%、10%共6个掺量的再生剂与回收的旧沥青进行调和，通过测定调和后的旧沥青三大指标和135 ℃布氏黏度确定再生剂最佳掺配比例，试验结果见表4。

表4 不同再生剂掺量下的旧沥青部分技术指标

通过表4可以看出，随着再生剂掺量的增加，针入度和延度随之增大，软化点和布氏黏度降低，表明旧沥青中的轻质组分得到补充，黏弹特性得到恢复，但原再生剂无法修复原SBS的黏弹特性。当再生剂掺量达到6%时，调和的旧沥青接近于70#基质沥青各项参数。因此，该试验确定6%为再生剂掺量进行使用。

2.2 配合比设计

通过马歇尔设计方法对RAP掺量0、20%、30%、40%的AC-13混合料进行配合比设计，各档矿料占比见表5。根据经验分别预估不同掺量RAP的新沥青用量进行马歇尔试验，对比不同新沥青下的马歇尔体积参数，最终确定0、20%、30%、40%RAP掺量的最佳新沥青用量分别为4.9%、3.3%、2.7%、2.4%。

表5 不同RAP掺量的混合料矿料掺配比例

试验基于上述不同RAP掺量的配比，通过马歇尔试验、60 ℃动稳定度试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验研究不同RAP掺量对再生料路用性能的影响。

2.3 路用性能

2.3.1 马歇尔体积参数

马歇尔试验涉及的再生沥青混合料性能主要参数有空隙率、马歇尔稳定度、流值等，不同RAP掺量的部分马歇尔体积参数见表6。

表6 不同RAP掺量的混合料马歇尔体积参数

从表6中可以看出，不同RAP掺量下的再生混合料空隙率、马歇尔稳定度、流值均满足技术要求。随着RAP掺量的增加，再生混合料的空隙率出现变大，马歇尔稳定度降低，流值增大，主要原因是0～8 mm档RAP中存在较多沥青和细集料或矿粉形成的“油团颗粒”。这些“油团颗粒”的尺寸通常在2.36 mm以上，外表皮上包裹了一层厚厚的沥青胶浆。在拌和时由于加热温度受限，“油团颗粒”未散开而是充当粒径更大的集料进行使用，更细的2.36 mm以下粉料缺失，随着RAP掺配比例增加粉料缺失也会更多，所以空隙率增大。

2.3.2 高温稳定性

由于沥青路面直接接受车辆荷载和环境因素的影响，且沥青混合料的强度和抗变形能力随温度的升降而产生变化，从而导致沥青路面的稳定性和工作状态变差。沥青混合料高温稳定性通常采用60 ℃动稳定度进行评价，试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)(T0719)进行车辙试验。不同RAP掺量的动稳定度见图1。

根据试验结果可以看出，不同RAP掺量的厂拌热再生混合料动稳定度均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中≥2 800次/mm的要求，与未加废旧料相比，20%、30%、40%RAP掺量的动稳定度分别提升17%、40.6%、65.3%。表明随着RAP掺量的增加，60 ℃动稳定度随之增加，再生混合料的高温稳定性得到提升。上面层沥青混合料在长期服役过程中，沥青在自然环境下经温度、光照、雨水及交通荷载各种因素作用出现老化，轻质组分丢失，高温黏度增加，进而导致混合料高温稳定性得到一定提升。

2.3.3 水稳定性

沥青路面在雨水冰雪作用下往往会出现脱粒、松散，病害进一步延伸会出现坑洞，出现这一现象的原因是沥青混合料在水的浸蚀下，沥青从集料表面出现剥落，使集料颗粒失去黏结而松散，这就是沥青路面的水损害现象。目前，《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中评价沥青混合料抗水损害的试验方法，主要有残留马歇尔试验、冻融劈裂强度比试验，不同RAP掺量下的再生混合料浸水马歇尔残留稳定度比、冻融劈裂强度比见图2、图3。

从图2、图3中可以看出，随着RAP掺量增加，浸水马歇尔残留稳定度比和冻融劈裂强度比随之降低。当RAP掺量达到40%时，浸水马歇尔残留稳定度比和冻融劈裂强度比不满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对于AC-13浸水马歇尔残留稳定度比≥85%、冻融劈裂强度比≥80%的技术要求。主要原因是矿料与沥青的粘附性不足导致，加入RAP后，新沥青用量降低，而“油团颗粒”中的旧沥青在拌合中完全熔融，无法与新沥青实现较高程度融合，导致集料表面新、旧沥青的黏结强度降低。

2.3.4 低温抗裂性

上面层沥青路面在冬季气温较低时，在车辆荷载作用下，混合料柔韧性不足会因收缩导致横向裂缝的产生。如果沥青路面在低温条件下能够保证足够的柔韧性，在短时间内可以将混合料产生的收缩应力松弛消失，进而避免裂缝的产生。《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中以30 mm×35 mm×250 mm的混合料小梁在-10 ℃、加载速率50 mm/min条件下的极限破坏应变作为沥青混合料低温抗裂性能评价指标。不同RAP掺量下的低温小梁弯曲应变见图4。

由图4试验结果可以看出，随着RAP掺量增加，低温小梁弯曲应变降低，表明RAP掺量增加不利于再生混合料的低温抗裂性能。在RAP掺量为0、20%、30%时，低温小梁弯曲应变能够满足≥2 500×10-6的技术要求，但RAP掺量达到40%时低温抗裂性能不能满足技术要求。在生产时基于调和沥青的再生机理，再生剂的加入能够一定程度的改善旧沥青的黏弹性，但并不能使全部旧沥青的轻质组分得到补充。尤其是废旧料表面的结构沥青，与新沥青混合料相比废旧料的脆性依旧较大，RAP的加入降低混合料的低温柔韧性。