含高掺量沥青混合料回收料的高模量沥青混合料性能研究

吴文信

（广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001）

0 引言

近年来，沥青混合料回收料（RAP）被广泛用于沥青路面再生，节约了大量的自然资源和施工成本。当RAP 的掺量控制在30%以下时，再生沥青混合料具有较好的性能［1］；但是，当RAP 掺量高于30%时，就会对再生沥青混合料的各项性能产生影响［2］。随着沥青路面材料成本控制和环保意识的不断提高，RAP 在沥青路面施工中的应用范围不断扩大。尽管RAP 料的使用能减少天然骨料的使用量，但RAP 的加入被认为是导致沥青路面热裂、疲劳开裂和水损害的潜在影响因素［3］。以上问题的出现主要是由于沥青结合料暴露在环境中，随着轻质组分的挥发和氧化，导致老化后沥青结合料的流变性能下降［4］。为解决RAP 中的沥青混合料老化问题，传统的解决方案是使用再生剂或较高标号的沥青结合料掺入RAP中［5］。然而，再生剂和高标号沥青结合料的加入可能会导致沥青混合料的抗车辙性能降低，并且使用再生剂或高标号沥青结合料对再生沥青混合料的抗裂性和水分稳定性的改善作用有限。因此，受当前再生技术的限制，大掺量RAP 的应用尚未实施。现有的大掺量RAP 再生沥青混合料的应用多处于实验室阶段，投入工程实践的较少［6］。高模量沥青混合料（HMAC）于20 世纪80 年代初起源于法国，最初是用于降低沥青层的厚度。随后，HMAC 被普遍用于重载交通、高温地区、长大纵坡路段及机场道面，主要解决路面强度不足、沥青混合料高温性能不良造成的车辙等变形类病害。为获得良好的抗车辙性能，通常使用高模量沥青混合料（HAMB）生产HMAC。HAMB按照来源可分为以下3 类［7］：①采用低标号青结合料（如30#沥青）；②采用高模量添加剂或特殊改性沥青；③天然沥青，如岩沥青或湖沥青。尽管世界各地对HMAC 没有统一的设计方法或性能要求，但是目前普遍接受的HMAC 的重要特征如下：采用高模量沥青混合料满足混合料的高模量要求；HMAC 在15°C 和10 Hz 条件下，动态模量应大于14 000 MPa；HMAC 的配合比设计采用细级配、高沥青含量（如集料重量的5.5%～6.5%）和低空隙率（3%左右）。由于RAP 中老化沥青的高刚度类似于硬质沥青，因此结合HMAC 的设计理念，在高模量沥青混合料中加入RAP，提高RAP 的掺量水平，从技术上可行。本文开展动态模量试验、车辙试验、低温小梁弯曲试验、水稳定性试验和疲劳性能试验，对不同RAP 含量的高模量沥青混合料的力学性能进行分析和评价，以期平衡高RAP 含量高模量沥青混合料的各项性能和研究高含量RAP 在高模量沥青混合料中的创新应用。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

试验采用的沥青混合料回收料（RAP）来自四川某高速公路，该公路已经使用10年，已出现车辙和裂缝等病害。通过抽提回收方法分离RAP 中的沥青混合料和集料。RAP 的集料级配见表1，选用特立达湖沥青作为高模量沥青结合料，其技术指标见表2。

表1 RAP的集料级配

表2 沥青技术指标

由表2 可知，提取的RAP 老化沥青的技术指标与特立达湖沥青的技术指标差距不大，由此得出，沥青混合料在长期老化后，随着轻质组分挥发和氧化程度增加而变得更硬。

1.2 配合比设计

参考我国规范《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对沥青混合料AC-20 级配的要求，采用马歇尔击实方法进行配合比设计，对马歇尔试件双面击实75 次。按照4%的设计空隙率确定不同RAP掺量沥青混合料矿料级配（见表3）。

表3 不同RAP掺量沥青混合料矿料级配

1.3 试验方法

根据“1.2”章节确定的配合比设计，制备不同RAP 含量的高模量沥青混合料用于实验性能评估。对高模量沥青混合料进行动态模量试验，确定RAP对高模量混合料力学性能的影响。通过车辙试验和低温弯梁试验对高模量沥青混合料的高温和低温性能进行评价。采用马歇尔试验和冻融劈裂试验对高模量沥青混合料的水分稳定性进行评价。采用四点弯曲梁疲劳试验对高模量沥青混合料的疲劳性能进行评价。试验过程严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的要求进行。

2 结果和讨论

2.1 动态模量试验结果

用于测量不同应力状态下沥青混合料在拉伸或压缩下的动态模量的方法较多，本研究使用单轴压缩试验进行动态模量测试。试验使用高度为150 mm、直径为100 mm 的圆柱形试样。在试样上施加循环正弦载荷后，测量其轴向应力和轴向应变，进而计算得出动态模量，计算方法如下：

其中：|E*|为动态模量，σ0为应力，ε0为应变。

在0.1～25 Hz 的不同加载频率、15 ℃温度条件下进行动态模态试验，测试结果如图1 所示。从图1 可知，随着RAP掺入量的增加，相比不掺入RAP的高模量沥青混合料，掺入RAP 高模量沥青混合料的动态模量逐渐降低，尤其是在RAP 的掺量为30%～50%时，对高模量沥青混合料的动态模量有显著的负面影响。当RAP 掺入量为30%～50%时，高模量沥青混合料动态模量不断下降，然而在15 ℃和10 Hz 条件下，掺入RAP 的高模量沥青混合料动态模量值仍高于14 000 MPa，满足高模量沥青混合料动态模量的要求。

图1 动态模量试验结果

2.2 车辙试验

在60 ℃温度条件下对不同RAP 掺入量的高模量沥青混合料进行车辙试验，评估其干燥条件下的抗车辙性能。混合料试件的宽度和长度均为300 mm，厚度为50 mm。通过接触宽度为50 mm的橡胶轮对试件施加0.7 MPa 的恒定载荷。使用线性可变差动变压器（LVDT）测量试样沿轮径的垂直位移。试验期间，每20 s 记录一次位移（车辙深度）；动稳定度（DS）计算方法如下：其中：DS为动稳定度（次/mm），N为每分钟的车轮加载循环次数（在本研究中，N=42 次/min），d45和d60分别是在45 min和60 min时测得的车辙深度（mm）。

车辙动稳定度试验结果如图2 所示。由图2 可知，高模量沥青混合料动稳定度随着RAP 掺入量的增加而降低，这与上一章节的动态模量测试结果一致。RAP 掺入量为30%～50%时，尽管高模量沥青混合料动稳定度有所下降，但是仍在工程项目要求允许范围内，50%RAP 高模量沥青混合料动稳定度为3 407 次/mm，相比0RAP 高模量沥青混合料，降低幅度更大。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对改性沥青混合料的动稳定度要求为不小于3 000 次/mm，因此本文所有含RAP 高模量沥青混合料均满足规范要求。

图2 车辙动稳定度试验结果

2.3 低温小梁弯曲试验

在-10℃温度条件下，采用万能试验机对不同RAP掺入量的高模量沥青混合料进行低温小梁弯曲试验。在试验前准备6个尺寸为250 mm×30 mm×35 mm（长×宽×高）的小梁试样。以50 mm/min的位移速率在梁试样的跨度中心施加载荷，直到梁断裂为止。通过载荷传感器和线性可变差动变压器（LVDT）记录梁试样跨度中心的施加载荷和相应的垂直挠度。基于施加载荷-位移的测试曲线，可以根据公式（3）和公式（4）计算每个试样的破坏应变和应变能。

其中：εb、d、E和εv分别为梁受弯时的弯曲-拉伸破坏应变、垂直挠度、应变能和垂直应变，h和L分别为测试试样的高度和长度。

低温小梁弯曲试验结果如图3 所示。从图3 可知，添加RAP 后，破坏应变和应变能呈现出缓慢的下降趋势，高模量沥青混合料的低温性能随着RAP 掺入量的增加而逐渐降低。尽管RAP 中的老化沥青结合料比高模量沥青混合料（特立达湖沥青）更软，但它可能更脆弱，导致结合料的低温性能降低。

图3 低温小梁弯曲试验结果

2.4 水稳定性试验

进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，评估高模量沥青混合料的水稳定度。在浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验中均使用高度为150 mm、直径为100 mm的圆柱形试样。在浸水马歇尔试验中，马歇尔试验以50 mm/min 的恒定速率加载，直到试样被破坏，并记录其荷载大小。浸水马歇尔残留稳定度（MSR）用于评估沥青混合料的水稳定性，即试样在60 ℃的水中浸泡48 h后的强度与试样在60 ℃水中浸泡30 min后的强度比；MSR的计算公式如下：

其中：MS0是6 个试样在水中浸泡30 min 的平均马歇尔强度，MS1是6 个试样在水中浸泡48 h 的平均马歇尔抗拉强度。

劈裂试验用于确定沥青混合物在双轴应力状态下的抗拉强度。在冻融劈裂试验中，采用冻融劈裂强度比（TSR）评价沥青混合料的水分稳定性。TSR被定义为样品在冻融条件下和正常温度下的劈裂强度比。在冻融条件下，将样品在真空状态下浸入水中15 min，然后在-18 ℃的冰箱中冷冻16 h，最后在60 ℃的水中冷冻24 h。TSR计算公式如下：

其中：R2为6个冻融处理试样的平均劈裂强度，R1为6个未冻融处理的试样的平均劈裂强度。

水稳定性能试验结果如图4所示。根据浸水马歇尔残留稳定度（MSR）和冻融劈裂强度比（ISR）的测试结果可以看出，掺入RAP 的高模量沥青混合料的水稳定性随着RAP 掺入量的增加而降低，主要原因为长期的老化作用导致RAP 中老化沥青混合料的黏附性变得比高模量沥青混合料（特立达湖沥青）弱，从而影响高模量沥青混合料的水稳定性。然而，从测试数据中也可以发现，不同掺量RAP 的高模量沥青混合料的MSR和TSR随着RAP 掺量增加，其值降低幅度不大。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对改性沥青混合料的水稳定度要求为MSR和TSR均不小于80%，因此试验中所有掺入RAP 的高模量沥青混合料均满足规范要求。

图4 水稳性性能试验结果

2.5 疲劳性能试验

基于应力控制试验模式，对高模量沥青混合料开展四点弯曲试验。在15℃温度条件下施加频率为10 Hz 的循环正弦应力。疲劳试验是使用恒定应力或恒定应变载荷进行的，考虑到应变控制模式所需的试验时间相对较长，选择应力控制模式。将梁断裂时加载循环次数记录为沥青混合料的疲劳寿命。基于不同的应力比（0.2、0.3、0.4 和0.5），进行6 次重复试验。疲劳寿命试验结果如图5 所示。从图5 可知，所有高模量沥青混合料样品的疲劳寿命和应力比趋势相似。在RAP 掺量为30%～50%时，RAP 的掺量越高，对高模量沥青混合料疲劳寿命的负面影响越大，但相比未掺RAP 的高模量沥青混合料，掺入RAP 的沥青混合料的疲劳寿命降低幅度小，特别是在应力比较高时。因此，RAP 对高模量沥青混合料的疲劳寿命的影响是可接受的。

3 结语

本研究开展抗车辙性能、低温开裂性能、水稳定性能和疲劳性能等试验，评估掺入RAP 的高模量沥青混合料的各项性能，根据测试结果得出以下结论：①RAP 的掺入不会对高模量沥青混合料的力学行为产生显著的负面影响。尽管高模量沥青混合料的动态模量随着RAP 掺入量的增加而降低，但RAP 掺入量为30%～50%的高模量沥青混合料的动态模量仍能满足规范要求。②掺入RAP 的高模量沥青混合料的动稳定度、水稳定性能和疲劳性能与RAP 的掺入量有关，RAP 掺入量越高，高模量沥青混合料的动稳定度、水稳定性能和疲劳寿命降低，但RAP 对高模量沥青混合料的各项性能的负面影响都在项目要求范围，如掺入RAP 的高模量沥青混合料的水稳定性能和高温性能在50%RAP 含量时仍然满足规范要求。考虑到含RAP 高模量沥青混合料的各项性能满足规范要求，可将其用于沥青下面层和基层。然而，由于RAP 对高模量沥青混合料的低温性能的负面作用较大，因此不建议用于沥青表面层。