基于抗滑性能改善的二次就地热再生混合料配合比设计

2023-11-14袁青泉YUANQingquan王伟伟WANGWeiwei王其林WANGQilin王宇WANGYu

价值工程 2023年30期

袁青泉 YUAN Qing-quan；王伟伟 WANG Wei-wei；王其林 WANG Qi-lin；王宇 WANG Yu

（①江苏京沪高速公路有限公司，淮安 223005；②江苏连徐高速公路有限公司，徐州 221111；③江苏高速公路工程养护有限公司，淮安 223005；④扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127）

0 引言

截至2021 年年底，江苏省高速公路通车里程为5023公里。其中通车15 年及以上的高速公路比例达35%左右[1]。按照高速公路沥青路面15 年的设计寿命，江苏高速公路将有大量路段接近或超过设计年限，江苏高速公路的发展逐步由“建养并重”跨入“以养为主”的时代。

早期采用传统的就地热再生技术对高速公路上面层进行处治，随着服役年限的增长，再生路面已接近或达到使用寿命，出现了严重的车辙和裂缝病害。此外，在长期服役过程中，就地热再生沥青路面的级配进一步细化，宏观构造深度逐渐减小，集料的硬度、耐磨性能以及表面粗糙程度均受到一定影响，进而导致一次就地热再生沥青路面抗滑性能衰减[2-5]，亟需对其重新进行养护维修。因此，采用二次就地热再生技术对早期就地热再生沥青路面进行处治和养护，研究二次就地热再生所存在的问题和需解决的关键技术，尤其是提升二次就地热再生沥青路面抗滑性能[6]，已经成为我国公路养护中再生技术发展的迫切需要，对促进我国公路养护技术的发展和实现可持续再生具有重要的意义。

1 工程概况

江苏省G40 扬宁高速公路上面层采用的是SMA-13沥青混合料，K356+210 至K356+850 路段已经于2019 年进行了首次就地热再生。在行车荷载和自然因素等反复作用下，该路段的车辙、坑槽、裂缝等路面表层病害并不突出，但其抗滑性能衰减过快，其主要路面性能检测结果见表1 所示。可见，该路段车辙病害较为轻微，但横向力系数SFC 已经下降至41.9，轮迹带的摆值和构造深度也已经分别下降至49-52dBPN，以及0.55-0.78mm。基于“环保、节能、安全”的发展理念，决定采用沥青路面二次就地热再生技术对该路段进行抗滑性能提升的路面养护维修。

表1 路面性能检测结果

2 原材料

2.1 RAP 料级配分析

将微波加热取样的原再生路面SMA-13 段RAP 料进行烘干、抽提（旋转蒸发法）、筛分，得到RAP 矿料级配曲线见表2。

表2 原再生路面RAP 料级配试验结果

通过对原再生路面RAP 料的级配、油石比检测情况分析可知，原再生路面RAP 料级配较为完整，略微偏细，但仍处于SMA-13 级配的上下限范围内，且油石比正常，可采用SMA-13 级配对原路面进行二次再生。

2.2 RAP 料中沥青与集料性能分析

将抽提得到的旧沥青和旧集料进行性能检测，结果见表3。由表3 可知，RAP 中旧沥青发生了老化，基于参考文献[7]的结果，判定该旧沥青老化程度为Ⅱ级老化，可用于二次就地热再生。此外，RAP 中粗集料的针片状含量和磨光值分别为2.8%和59，表明旧的粗集料性状较好，仍满足规范要求。

表3 RAP 料中的沥青与集料性能试验结果

2.3 再生剂

本文采用的再生剂为苏博特公司的RA-102 型再生剂，具体技术指标见表4。

表4 苏博特RA-102 型再生剂技术指标

2.4 新集料及新沥青

本文的粗、细新集料均选用玄武岩集料，填料为石灰岩矿粉，沥青选用PG76-22SBS 改性沥青，根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）相关规定对其进行性能检测，均符合相应规范要求。

3 二次再生SMA-13 沥青混合料配合比设计

3.1 再生剂掺量确定

将RA-102 型再生剂按照3%和5%的掺量（旧沥青质量占比）掺入旧沥青中，按照要求进行剪切20min，充分混合均匀后测试其性能。此外，还将SBS 改性沥青以30%的比例与再生剂一起掺入旧沥青中测试其性能。各样品性能检测试验结果见表5 至表6 所示。

表5 再生沥青性能试验结果

表6 两种新料级配

由表5 分析可知，在旧沥青中掺加3%的RA-102 型再生剂后，再生沥青针入度、软化点和延度均有一定的恢复，但针入度仍低于50（0.1mm）。在3%再生剂基础上加入30%新沥青后，再生沥青的各项性能指标得到进一步的恢复，与掺入5%再生剂再生沥青的各项指标接近。

由此可见，新旧沥青混溶以后，在3%再生剂掺量下，再生沥青的性能能够恢复至适当水平。综合各项指标，拟定RA-102 型再生剂的掺量为RAP 料中旧沥青含量的3%。

3.2 新料掺量确定

本次二次就地热再生不提高原路面标高，结合历年相关工程的施工经验、旧沥青性能、原再生路面性能等，采用JTG/T 5521-2019《公路沥青路面再生技术规范》附录E 中E.3 的要求，确定新沥青混合料的内掺比例为30%。

3.3 级配调试

以原路面混合料所属规范级配（SMA-13）为目标级配，在常用的工程级配范围内，以提升抗滑性能为目标，通过控制4.75mm 筛孔通过率，首先调配出两种新料级配（级配1、级配2），然后结合当地工程实际应用情况和往年工程实践经验初步选择油石比，分别制作马歇尔试件，得出试件的体积指标，根据体积指标初选一组满足或接近设计要求的级配作为设计级配。两种新料级配和合成级配分别如表6 至表7 所示。

表7 两种再生混合料目标合成级配

结合当地工程实际应用情况和往年工程实践经验，初步选择新料油石比4.6%（再生合成油石比5.8%），按照合成级配双面各击实75 次成型马歇尔试件，马歇尔击实温度为160℃。两组合成级配马歇尔试验结果如表8 所示。

表8 两种试级配合成混合料马歇尔试验结果汇总表

由表8 可以看出，再生合成级配1 的VCAmix 不满足技术要求，因此选择再生合成级配2 作为设计级配。

3.4 最佳油石比确定

按照新料掺量30%（内掺）、RA-102 型再生剂掺量3%进行最佳油石比确定实验。使得再生合成级配的油石比分别为5.5%、5.8%和6.1%，按照与原再生路面RAP 料比例30：70，制备马歇尔试件（击实次数采用双面各75次，击实温度为160℃），测定合成再生混合料马歇尔试件的各个指标，结果见表9。

表9 不同油石比合成再生混合料体积指标检测结果

由试验结果可见，再生合成级配油石比为5.8%（新料油石比为4.6%）时，再生沥青混合料的各项指标均满足规范要求，因此以此时的油石比为最佳油石比。为了进一步改善抗滑性能及综合路用性能，在上述基准级配的基础之上添加HIRBF-G13 型强韧化玄武岩纤维制品，制备玄武岩纤维二次就地热再生SMA-13 沥青混合料，对其路用性能进行研究，结果见表10 所示。由表10 可知，无纤维的二次再生混合料，除低温破坏应变以外，其它路用性能均满足规范要求。添加强韧化玄武岩纤维制品后，二次再生混合料各项路用性能均有不同程度改善，其中动稳定度提升40%、低温破坏应变提升35.8%。

表10 掺强韧化玄武岩纤维制品的合成再生混合料性能检验

4 再生混合料试件抗滑耐久性试验

为了进一步研究强韧化玄武岩纤维制品对于二次再生沥青混合料抗滑性能影响，通过抗滑磨耗试验，研究二次再生沥青混合料摆值BPN 等指标随磨耗时间的衰变规律，试验结果见图1 所示。

图1 玄武岩纤维制品对于二次再生混合料抗滑性能影响试验结果

由图1 可知，无论是否加入玄武岩纤维，混合料试件的摆值均呈现出先上升再下降的趋势。这是因为前期由于沥青膜的脱落，使得表面构造变得粗糙，部分尖锐的石料表面外露，这就导致了摩擦系数的升高。随着荷载次数的增加，表面的粗糙沥青膜和尖锐的石料逐渐被磨光，摩擦系数则逐渐降低。

与无纤维的试件相比，添加玄武岩纤维制品的试件，其初始摆值较为接近。磨耗至30000 次以后，两者的摆值开始出现差异；磨耗至40000 次以后，纤维试件的摆值由初试的73.3dBPN 下降至59.1dBPN，而无纤维试件的摆值则由72.1dBPN 下降至51.6dBPN。可见，添加强韧化玄武岩纤维制品对于二次再生沥青混合料的初始抗滑性能影响不大，但却能够大幅提升其抗滑耐久性。