RAP掺量对厂拌热再生沥青混合料性能的影响研究

摘要：文章研究RAP（沥青路面回收料）掺量对厂拌热再生沥青混合料性能的影响，通过在室内制备不同RAP掺量的热再生沥青混合料，研究其高温性能、低温性能、水稳定性以及疲劳性能。试验将RAP掺量分别设置为矿料质量的0%、15%、30%、45%，再生剂掺量为4%。试验结果表明：RAP掺量的提升改善了热再生沥青混合料的高温性能，但削弱了其低温性能和水稳定性能；在低应变水平下，含RAP的混合料展现出较好的疲劳寿命，但随着应变水平的提高，疲劳寿命衰减较快，从总体上看，RAP掺量的提升不利于热再生沥青混合料的疲劳性能。经对比分析发现，RAP掺量的变化对混合料的低温性能和水稳定性能有显著影响，因此在低温和降雨量较大的地区应用时，需针对性地提升这两种性能。

关键词：厂拌热再生；RAP；路用性能；主成分分析

中图分类号：U41" " " "文献标识码：A" " " 文章编号：1674-0688（2024）08-0090-04

0 引言

沥青路面回收料（RAP）是一种含有大量旧沥青和优质集料的宝贵资源，自20世纪30年代以来，便成为再生沥青混合料［1］。近年来，厂拌热再生技术的研究主要聚焦于沥青混合料路用性能的提升和RAP掺量的影响，以及实现性能优化的手段。孟建玮等［2］以菜籽油作为基础油分制备的植物油再生剂有效改善了热再生沥青混合料的路用性能，并确定了适宜的植物油掺量。胡文娟［3］采用天然沥青和聚酯纤维对热再生沥青混合料进行复合改性，通过室内试验获得了天然沥青与聚酯纤维的最优配比。SABER等［4］使用纳米材料对再生沥青混合料进行改性，发现添加纳米二氧化硅可以显著改善热再生沥青混合料的疲劳性能。肖满哲［5］通过试验证明了高RAP掺量对热再生沥青混合料的疲劳性能有不利影响，并提出了疲劳寿命预估方程。此外，国内学者［6-7］通过室内试验证明了高RAP掺量的可行性。上述研究表明，通过技术手段可以有效提升热再生沥青混合料的路用性能和RAP掺量。然而，实际工程中大多将RAP掺量保守地控制在30%左右，并且研究多关注于掺量变化对混合料性能的影响，较少探讨路用性能对RAP掺量的敏感性。基于此，本文在现有文献的基础上，将RAP掺量的上限提升至45%，并对不同RAP掺量下的热再生沥青混合料展开路用性能研究，通过主成分分析获得热再生沥青混合料路用性能对RAP掺量变化的敏感程度。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本试验使用的再生剂选用江苏某公司生产的HLJ再生剂，相关技术指标见表1。检测指标满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）对RA-1型再生剂的要求。

沥青路面回收料采自某地已使用5年的SBS改性沥青混合料高速公路路面的铣刨材料。采用抽提筛分法检测，测得RAP中老化沥青的含量为4.6%。新加入的粗细集料及矿粉均为石灰岩，并且其各项性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。新采用的沥青为SBS改性沥青，各项技术指标亦满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。

1.2 配合比设计

1.2.1 级配设计

采用马歇尔配合比方法设计不同RAP掺量的热再生沥青混合料的室内目标配合比。本文选择AC-13C作为级配类型，RAP的掺量分别为矿料质量的0%、15%、30%和45%，不同RAP掺量热再生沥青混合料矿料级配比见图1。

1.2.2 最佳油石比

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中规定的最佳油石比确定方法，对于不含RAP（0%）的热再生沥青混合料，其最佳油石比为4.8%；当RAP掺量分别为15%、30%、45%时，最佳油石比依次为5.0% 、5.1% 、5.2%。RAP中旧沥青的含量为4.6%，热再生沥青混合料中的油石比包括这部分老化沥青，再生剂掺量为沥青质量的4%。在各种掺量的最佳油石比条件下，热再生沥青混合料的马歇尔体积指标见表2。

1.3 试验方法

路用性能试验包括车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验及疲劳性能试验。其中，车辙试验在60 ℃的条件下进行，采用的是标准试验方法；低温小梁弯曲试则在-10 ℃的环境下通过三点加载方式，以50 mm/min的加载速率进行，上述试验过程均需遵循《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求。根据该规程中的四点弯曲试验方法（T0739）对热再生沥青混合料疲劳性能进行研究，疲劳性能试样采用切割车辙试件。试验温度分别设定为15℃、20℃和25℃，加载频率为10 Hz，试验采用恒定应变控制下的连续正弦加载模式。为了获得不同温度条件下热再生沥青混合料的疲劳寿命变化规律，试验采用600、700和800 με 3种不同的应变水平。疲劳破坏的判定依据为试件模量降低至其初始模量的50%。

2 试验结果及分析

2.1 车辙试验

热再生沥青混合料车辙试验结果见图2。从图2可以看出，掺入RAP的热再生沥青混合料，其动稳定度均大于未掺RAP的沥青混合料，车辙深度变化则呈相反趋势。此外，热再生沥青混合料的动稳定度远高于《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中针对“1-3气候分区”设定的2 800次/mm的标准。随着RAP掺量由15%提升至45%，热再生沥青混合料的动稳定度提高了3.9%～33.0%，同时车辙变形降低了7.1%～25.0%。以上结果表明增加RAP掺量能显著提高热再生沥青混合料的高温性能。

2.2 低温小梁弯曲试验

热再生沥青混合料低温小梁弯曲试验结果见图3。从图3中可以看出，随着RAP掺量的增加，热再生沥青混合料的弯曲破坏强度及最大破坏应变均逐渐降低。当RAP掺量为45%时，热再生沥青混合料的强度仅为9.5 MPa，最大破坏应变值为2 914 με，表明RAP的掺入使热再生沥青混合料的弯曲破坏强度和最大破坏应变下降。尽管如此，该最大破坏应变值（2 914 με）仍满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中对冬寒区材料的最低要求。上述研究结果表明，RAP的掺入对热再生沥青混合料的低温性能产生了不利影响，但在适当条件下，在实际工程中将RAP掺量至45%是可行的。

2.3 冻融劈裂试验

热再生沥青混合料冻融劈裂试验结果见图4。从图4中可以看出，热再生沥青混合料的劈裂强度和冻融劈裂强度比（TSR）随着RAP掺量的递增而降低，表明RAP掺量对混合料的水稳定性能有负面影响。虽然最小TSR仍保持在82%，满足了《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对潮湿区的要求（≥80%），但是与未掺RAP的沥青混合料相比，RAP掺量从15%增加至45%时，劈裂强度下降了2.8%～12.0%，TSR也下降了3.4%～7.9%。性能下降的原因可归结为RAP含量的提高加剧了新旧沥青混合的不均匀性，进而削弱了热再生沥青混合料的水稳定性能。因此，从确保水稳定性的角度出发，RAP的掺量应受到合理限制；然而，考虑到水稳定测试结果，最大RAP掺量（45%）在实际应用中仍被视为可行。

2.4 疲劳性能试验

2.4.1 疲劳方程的建立

本文采用四点弯曲法对试件进行疲劳试验，研究热再生沥青混合料的疲劳性能，通过分析不同因素的影响，揭示热再生沥青混合料疲劳性能的变化规律。构建不同RAP掺量热再生沥青混合料应变水平与疲劳寿命之间的关系模型，采用的疲劳寿命方程如下：

[Nf=aε-n]，" " " " " " " " " " " " " （1）

其中：Nf为疲劳寿命，ε为加载应变；a和n为拟合系数。

对疲劳方程的两边取对数，可得以下公式：

[lgNf=lga-nlgε]。" " " " " " " " " " "（2）

2.4.2 疲劳性能试验结果分析

不同RAP掺量热的再生沥青混合料的疲劳性能试验结果见图5。从图5中可以看出，温度对热再生沥青混合料的疲劳性能影响显著，随着温度的上升，热再生沥青混合料的疲劳寿命提高。热再生沥青混合料的疲劳寿命拟合方程结果见表3。从表3可知，双对数模型具有较好的拟合效果，各方程的决定系数R2均在0.9以上。因此，本文采用双对数模型对沥青混合料的疲劳性能进行研究，并通过统计回归分析方法进行分析，结果表明，热再生沥青混合料在不同温度条件下的疲劳回归平方是合理的。

在混合料的性能评估中，疲劳曲线的截距（ lgε）是衡量材料在低应变条件下抗疲劳能力的重要指标，截距值越大，表明材料在较低应变水平下的抗疲劳性能越好。n值作为疲劳方程的斜率，反映了疲劳性能随应变水平增长而衰减的速率，n值越大，则疲劳寿命随应变增加的衰减趋势越显著。分析表3中的数据可知，在相同应变水平下，其lgε值大于未掺入RAP的沥青混合料，表明RAP的掺入增强了混合料在低应力水平下的疲劳性能。同时，热再生沥青混合料的n值也较大，并且随着RAP掺量的增加，lgε与n值之间的差距有扩大的趋势。这一结果说明，虽然RAP掺量的增加可以提升热再生沥青混合料在低应力水平下的疲劳能力，但是随着应变水平增高，疲劳寿命的衰减速度加快。

3 主成分分析

在疲劳寿命分析中，以动稳定度（x1）、弯曲破坏强度（x2）、最大破坏应变（x3）、劈裂强度（x4）、TSR（冻融劈裂强度比，x5）以及25℃和700 με下的疲劳寿命（x6）作为主成分，通过SPSS软件计算这些指标之间的相关系数矩阵和特征根，然后根据计算结果确定主因子和主成分的数量。主成分特征根和主成分贡献率见表4。

从表4中的数据可以看到，第一主成分的特征根为5.601，贡献率为93.6%。因此，选择第一主成分对总变量进行分析，并假设它包含其他指标的所有信息。通过SPSS软件计算初始因子荷载矩阵（结果见表5），每个荷载表示主成分和相应变量之间的相关系数。

根据上述计算结果，可以得到相应的主成分综合评价函数，其表达式如下：

F = F1 = -0.171x1 + 0.176x2 + 0.178x3 + 0.176x4 + 0.178x5 + 0.154x6。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

从主成分综合评价函数可以看出，最大破坏应变、TSR与第一主成分密切相关。这一结果表明热再生沥青混合料的低温性能和水稳定性对RAP掺量的敏感程度较高。因此，在规划低温和多雨地区的道路建设时，应考虑RAP掺量的增加对热再生沥青混合料低温性能和水稳定性能的降低作用。

4 结语

本文针对未掺RAP沥青混合料及RAP掺量分别为15%、30%、45%的热再生沥青混合料进行车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验及疲劳性能试验后，得出以下结论。

（1）随着RAP掺量的增加，热再生沥青混合料的高温性能有所改善，但其低温性能和水稳定性能有所下降。尽管如此，从路用性能分析结果来看，45%RAP掺量的热再生沥青混合料仍能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求，因此在实际施工中，可考虑采用高掺量RAP的热再生沥青混合料，以充分利用RAP资源。

（2）不同RAP掺量的热再生沥青混合料在较低应变水平下的抗疲劳性能较好，但其疲劳寿命对应变水平的变化较为敏感。总体而言，其疲劳寿命低于未掺RAP的沥青混合料。

（3）主成分分析结果表明，RAP掺量对热再生沥青混合料的低温性能和水稳定性影响较大，在低温和多雨地区的道路建设中，应重点考虑高RAP掺量热再生沥青混合料的低温性能和水稳定性能。

5 参考文献

［1］岳阳.厂拌热再生沥青混合料低温性能研究［D］.南京：东南大学，2018.

［2］孟建玮，魏琳，曹志国，等.植物油再生沥青及其混合料路用性能试验研究［J］.公路交通技术，2022，38（3）：1-6，20.

［3］胡文娟.TLA与聚酯纤维复合改性热再生沥青混合料路用性能研究［J］.粉煤灰综合利用，2024，38（1）：22-27.

［4］SABER K B，MAHMOUD R K，GHOLAMALI S.Experimental investigationof the fatigue phenomenon in nano silica-modified warm mix asphalt containingrecycled asphalt considering self-healing behavior［J］.Construction and BuildingMaterials，2020，246：117558.

［5］肖满哲.高RAP掺量热再生沥青混合料路用性能实验及疲劳预估模型研究［D］.长沙：湘潭大学，2019.

［6］康建峰.高RAP掺量热再生沥青混合料路用性能研究［J］.四川水泥，2024（7）：221-224.

［7］魏必成.大掺量RAP再生沥青混合料性能研究［J］.建材世界，2023，44（5）：65-69.