高掺量RAP和温拌技术对沥青混合料性能的影响

2024-05-15王锦辉司马利凡

黑龙江交通科技 2024年4期

王锦辉,司马利凡

(河南省公路工程局集团有限公司,河南郑州 450000)

温拌沥青(WMA)技术和沥青混合料回收料(RAP)为生产新的沥青混合料提供了一种环境友好且经济高效的方法。但是,由于RAP掺入新沥青混合料中,老化结合料会使其硬度增加,沥青路面的松弛能力降低,RAP含量高的混合料表现出更高的中低温开裂敏感性[1-3]。此外,研究表明,RAP的添加与改善抗车辙性能相关,RAP刚度的增加会对沥青混合料的抗疲劳开裂能力产生负面影响[4-5]。另外,WMA混合料中高掺量RAP(例如15%或30%等)研究表明,较低的生产温度和RAP来源会显著影响温拌再生沥青混合料的工作性和稳定性,若加入再生剂可以进一步提高RAP的掺量[6]。RAP材料在实际工程中逐步使用出现了诸多问题,为了解决RAP对沥青混合料性能的正面和负面影响,在室内开展了不同的WMA技术,评价其对制备的混合料抗车辙和抗裂性能的影响,旨在提高RAP材料掺量的同时,采用温拌技术达到节能环保的目的。RAP材料来源于连霍高速郑洛段大修工程,使用三种WMA技术生产了高含量RAP的不同沥青混合料。温拌技术分别为Sasobit®(有机)、Evotherm®(化学)和Advera®(发泡),RAP含量为0%、25%和35%的混合料,试验结果与对照混合料HMA(含和不含RAP)的结果进行比较,以评价使用WMA添加剂和不含RAP的WMA混合料对抗车辙、抗裂和疲劳性能的影响。

1 温拌沥青技术

1.1 有机助剂

在沥青混合料或结合料中掺加有机添加剂(如有机蜡)可降低结合料的黏度,使骨料在结合料中更自由地移动。此外,使用有机添加剂也可降低混合料的拌和温度至20～30 ℃。Sasobit®是最常见的商用有机添加剂之一,可在混合过程中直接添加到HMA混合料中,可与结合料机械或手动混合。建议Sasobit使用量为0.8%～4%(按结合料重量计)。

1.2 化学添加剂

Evotherm®是最典型的化学WMA添加剂之一,用于结合料可提高骨料颗粒的涂覆率。Evotherm是一种深色液体化学添加剂,包括表面活性剂,可降低固体和液体或两种液体之间的表面张力。Evotherm旨在降低沥青混合料的生产温度,在生产过程中,热骨料和Evotherm之间的相互作用导致乳液中的水蒸发,结合料充分覆盖热骨料。有研究结果表明,沥青混合料的混合和压实温度降低20～30 ℃左右,它可以在与骨料混合之前直接粘贴到加热的沥青结合料中。对于聚合物改性结合料,使用量为结合料重量的0.30%～0.75%。

1.3 发泡技术

Advera®是著名的发泡添加剂之一,加入结合料后,温度会突然下降,因为一部分能量用于蒸发水分,结合料封装释放的蒸汽,导致结合料的瞬时体积膨胀,同时降低结合料黏度。Advera是一种粉末状沸石发泡技术,使其更容易生产试验室WMA混合料,添加约5%(按结合料重量计)。通过向混合料中添加混合的Advera和结合料,可以产生微小的水喷雾,使沥青结合料的体积增大,从而在较低温度下增强和易性和骨料涂层,此技术可将混合和压实温度降低约30 ℃。

有研究结果表明,广泛用作有机添加剂的Sasobit材料,它可以提高WMA混合料的抗车辙性能,含有化学添加剂的WMA混合料的抗车辙性能降低。这是因为Sasobit含有蜡晶体,这使得它比其他添加剂更硬。与其他WMA技术相比,Advera具有更好的疲劳寿命,因此,建议在含有Sasobit的WMA混合料中使用软结合料,以提高混合料的疲劳寿命。

2 试验材料与方法

2.1 材料

表1总结了12种不同的HMA和WMA组合类型,混合料代码名称、RAP掺量及温拌剂掺量见表1。

表1 试验用混合料组合

2.2 沥青结合料和助剂

沥青结合料为SBS改性PG 76-22,对比三种常见WMA技术生产的WMA混合料的性能;温拌技术为Sasobit®(有机)、Evotherm®(化学)和Advera®(发泡)。

Sasobit在120 ℃下与热沥青结合料混合,按结合料总重量的3%计算。使用带有标准桨叶的机械剪切混合器(不需要高剪切混合),将Sasobit与热结合料彻底混合。混合后的结合料可以毫不延迟地达到目标混合温度,也可以保存在仓库中以备日后使用,结合料中的Sasobit应在数周内保持均匀。

添加Evotherm的剂量和程序依照添加剂生产商的建议,将Evotherm添加到248 ℃的加热沥青结合料中(120 ℃),使用带有标准桨叶的机械剪切搅拌机,掺量为PG 76-22结合料重量的0.6%。

发泡添加剂:添加约5%(按结合料重量计),在与骨料混合之前,将Advera以结合料重量的5%添加到热结合料中。

2.3 RAP级配

RAP材料收集为细粒和粗料(结合料含量分别为4.7%和3.1%),取自连霍高速郑洛段大修工程。表2为两种RAP材料的骨料级配,针对RAP含量为0%、25%和35%的混合料制定了设计骨料级配,满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)的要求。

表2 两种RAP材料的骨料级配

2.4 试验方案

为了评价HMA和WMA混合料及RAP含量较高的温拌沥青混合料的性能,对12种混合料的力学特性进行了试验和分析,以确定WMA技术和高RAP含量对中温(疲劳开裂)和高温(永久变形)的影响。表3显示了沥青混合料的体积特性,HMA混合料分为不含RAP和不含再生剂的对照组混合料。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)要求,从短期老化的松散混合料中提取旧沥青结合料,采用三氯乙烯作为溶剂进行提取。

表3 沥青混合料的体积特性

2.5 沥青结合料流变性能评价

DSR测试应在76 ℃旋转薄膜烘箱(RTFO)老化条件下进行试验,先是旋转薄膜烘箱(RTFO)进行标准短期老化后,使用压力老化容器(PAV)进行长期老化。根据规范要求进行MSCR试验,以评价提取和回收沥青结合料在高温下的抗车辙性,该试验考虑了气候和交通水平。采用BBR试验对提取的沥青结合料的低温性能进行了评价。

2.6 沥青混合料性能评价

采用轮辙试验对不同沥青混合料的永久抗变形能力进行评价,评价指标为车辙深度;采用SCB半圆弯曲试验对沥青混合料的低温性能进行评价,评价指标为临界断裂能Jc,其表达式见公式(1)。

(1)

式中:Jc为临界断裂能,kJ/m2;a为切口深度,mm;dU/da为单位切口深度的应变能变化率;b为试样厚度,mm;U为破坏应变能,N·mm。

3 试验结果分析

3.1 沥青结合料试验

(1)MSCR试验结果。

MSCR的试验结果见表4,Jnr是不可恢复的蠕变柔量,在两个应力水平下进行,根据表4中的结果,所有含RAP的混合料的Jnr值均低于不含RAP的混合料,这证实了RAP结合料的硬化效果。

表4 MSCR试验结果

根据图1,与HMA对照混合料相比,所有WMA混合料(包括不含RAP)的Jnr值较低,这表明WMA混合料的抗车辙性能较好,尤其是WS35R混合料更突出。但不是所有的WMA混合料都是这样的规律(包括25% RAP或35% RAP),与H35R混合料相比,两个应力水平下,WS35R都具有较低的Jnr值,具有较强的抗变形能力。

图1 多重应力恢复试验Jnr结果

εr是相对于峰值应力量的可恢复应变量的度量。可以得出结论,恢复率εr较高的结合料更耐永久变形。表4中εr的结果证实了WMA混合料的更好性能。降低拌和与压实温度并使用WMA技术有助于使软化的结合料具有更高的可恢复应变值。结果表明,WS0R、WS25R和WS35R混合料的Jnr和εr值分别较低和较高,这访问明三种不同WMA技术的所有混合料在两种应力水平下的Sasobit性能更好。

(2)LAS试验。

LAS试验是一种加速试验,可以识别沥青玛蹄脂或结合料在长期老化后的疲劳性能,应变水平为2.5%和5%,采用材料连续损伤疲劳模型得到了沥青的疲劳寿命,如图2所示。图2(a)表明,由于应变敏感性较高,从含35%RAP的HMA混合物中提取的结合料具有较低的疲劳寿命。RAP结合料和WMA技术的结合改善了结合料的疲劳性能,与其他WMA和HMA结合料相比,WE35R具有更高的疲劳寿命Nf。因此,WMA添加剂具有疲劳潜力,Evotherm的作用更为显著。同时,H25R的疲劳寿命Nf损耗意味着来自RAP材料的老化结合料将降低应变控制载荷模式下的疲劳性能。

图2 不同应变水平时沥青结合料的疲劳寿命

(3)BBR试验。

结合料在RTFO老化后进行PAV老化,以评价沥青结合料的低温性能,试验温度为-12 ℃。表5的BBR试验结果显示,再生料含量为25%时的所有温拌沥青混合料能满足-12 ℃的性能要求,掺量为35%的温拌沥青混合料、不添加和添加25%再生料的热拌沥青混合料不能满足-12 ℃的性能要求。但是所有混合料的数据差异并不大,也可以说WMA混合物和HMA对照混合物之间低温性能没有显著差异。

表5 BBR试验结果

3.2 沥青混合料性能试验

(1)车辙试验结果。

评价了12种沥青混合料的平均车辙深度结果,如图3所示。结果表明,混合料WS25R是抗车辙性能最优的混合料,而不含RAP混合料的H0R是抗车辙性能最差的混合料。与没有RAP的HMA沥青混合料相比,向HMA中添加RAP会减小车辙深度。然而,向WMA混合物中添加RAP对WMA混合物的永久变形没有显著影响。还需要注意的是,Sasobit的性能在其他系统中是最好的,WMA技术和含有Sasobit的混合物的车辙深度值较低。RAP含量的增加速度显著降低WMA和HMA混合物中的车辙深度。

图3 不同混合料的平均车辙深度

车辙试验结果与表4所示的MSCR测试结果一致,含有Sasobit和35%RAP的混合料的Jnr值较低,刚度越高,预计其抗车辙能力越强。基于不含RAP、WMA混合料的MSCR和LWT测试结果优于HMA对照混合料,与HMA控制组合进行性能比较可以推断,RAP和WMA技术的结合在提高沥青混合料的抗永久变形和水稳定性方面具有良好的效果。

(2)SCB试验。

图4显示了含有0%、25%和35%RAP的HMA和WMA混合物的临界断裂能Jc值比较,根据之前的研究,沥青混合料应满足≥0.5 kJ/m2的最小要求值,以降低中温开裂敏感性。SCB测试结果表明,含有RAP的HMA混合物的Jc值几乎与不含RAP的HMA混合物相似或更低。然而,含有RAP的WMA的混合物Jc值高于未添加RAP的WMA混合物,并且随着WMA混合物中RAP含量的增加,增幅不断增加。这一观察结果表明,WMA添加剂掺入RAP混合料是有效的,尤其是Sasobit。基于WS0R的Jc值,添加Sasobit产生的Jc值最低,也是所有混合物中的最硬的,这与LWT和MSCR测试的结果一致。