張 寧，李 志，胡 淼

(1.德州公路管理局 濟(jì)聊高速公路齊河管理處，山東 德州 251100;2.山東交通學(xué)院 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357;3.諸城市財(cái)政投資評審中心，山東 諸城 262200)

濟(jì)南—聊城高速公路(濟(jì)聊高速)始建于1996年，2005年全線路面大修，瀝青面層分層銑刨，銑刨的瀝青混合料材料稱為回收瀝青混合料廢料(RAP)。本文以濟(jì)聊高速RAP材料為研究對象，對其中的瀝青、集料和不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱再生混合料(HMA)性質(zhì)進(jìn)行研究，根據(jù)路面各層作用和特點(diǎn)［1］，建議熱再生RAP用于中面層［2］，并從受力角度對中面層的厚度和RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行優(yōu)化［3］。

1 摻加RAP的瀝青混合料性能

為探討摻加RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對瀝青混合料性能影響程度，以路面中面層(AC－20密級配類型)為例，將RAP分別按0、30%、50%、70%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行摻加，并進(jìn)行級配設(shè)計(jì)。

按馬歇爾試驗(yàn)得到最佳油石質(zhì)量比，見表1。按照設(shè)計(jì)配合比制作試件，進(jìn)行各種性能的檢測試驗(yàn)［4－9］。

1.1 力學(xué)性能

力學(xué)性能以馬歇爾穩(wěn)定度和流值為指標(biāo)，檢測結(jié)果見表2。

由表2可知，添加RAP的HMA穩(wěn)定度得到提高，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%提升最快，穩(wěn)定度增加18%，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% ～50%時穩(wěn)定度提升6.6%，超過50%后穩(wěn)定度有所下降，但仍然比不摻加RAP的高，說明摻加RAP的HMA的高溫穩(wěn)定性較好。RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過70%都能滿足要求。

表1 不同RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中面層HMA最佳瀝青用量表

表2 不同RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中面層HMA力學(xué)指標(biāo)對比表

1.2 水穩(wěn)定性能

以殘留穩(wěn)定度為指標(biāo)進(jìn)行水穩(wěn)定性能檢測，檢測結(jié)果見表3。

由表3可知，隨著RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，殘留穩(wěn)定度逐漸減小，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～30%時殘留穩(wěn)定度下降不明顯，降低了0.5%;RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% ～50%時殘留穩(wěn)定度迅速降低，降低了5.1%。RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜30%時，水穩(wěn)定性基本與新混合料相同。

表3 不同RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中面層HMA的水穩(wěn)定性對比

1.3 高溫穩(wěn)定性

以動穩(wěn)定度為高溫穩(wěn)定性指標(biāo)，進(jìn)行試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)溫度為60℃，試驗(yàn)荷載為0.7 MPa，結(jié)果見表4。

高溫穩(wěn)定性隨RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加基本呈線性增長，均符合規(guī)范要求。RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，高溫穩(wěn)定性越好。

1.4 低溫穩(wěn)定性

以低溫彎曲破壞應(yīng)變?yōu)榈蜏胤€(wěn)定性指標(biāo)，試驗(yàn)溫度為－10℃，試驗(yàn)加載速率為50 mm/min，檢測結(jié)果見表5。

HMA的低溫彎曲破壞應(yīng)變隨RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈線性明顯降低，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時已基本接近規(guī)范規(guī)定。所以從低溫性能角度考慮，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過50%。

綜合以上各指標(biāo)要求，并考慮到經(jīng)濟(jì)性能，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該控制在30%以下，最大不能超過50%。

表4 不同RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中面層HMA動穩(wěn)定度結(jié)果

表5 不同RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中面層HMA低溫彎曲破壞應(yīng)變結(jié)果

2 不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HMA應(yīng)用于中面層的路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

路面面層結(jié)構(gòu)一般分為上、中、下3層，每層都有各自的作用和特點(diǎn)，上面層主要承受壓應(yīng)力、剪應(yīng)力作用，易發(fā)生車轍、推移、擁包和開裂現(xiàn)象;中面層以受剪應(yīng)力為主，是車轍發(fā)生的主要層位;下面層受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，易產(chǎn)生彎拉疲勞開裂，是控制面層疲勞壽命的層位。從抵抗環(huán)境影響分析，上面層材料需要足夠的密水和抗水損害的性能;中面層主要考慮水損害的性能;下面層主要考慮層間的接觸條件惡化和水損害功能［10－12］。

摻加RAP的HMA混合料的高溫穩(wěn)定性比較好、低溫抗裂性較差、抗水損性能一般，結(jié)合各層位特點(diǎn)和作用，認(rèn)為摻加RAP的HMA混合料用于中面層比較合理［13］。

本文以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)，利用Bisar軟件，對不同的混合料應(yīng)用于中面層時進(jìn)行受力計(jì)算，對摻加RAP材料的中面層混合料進(jìn)行抗壓彈性模量和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表6。其它層位材料指標(biāo)參考以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表7。

表6 不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中面層瀝青混合料參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算，得到不同中面層厚度與不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)時各路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)值，結(jié)果見表8。

由表8可以看出，RAP應(yīng)用于中面層時，計(jì)算彎沉隨中面層厚度增加而呈線性減小;隨著RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，計(jì)算彎沉也在減小，減小的速率開始比較大，中間比較穩(wěn)定，當(dāng)RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞70%時降幅增加?？傮w來說，中面層厚度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。當(dāng)中面層厚度＜60 mm時，無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。基層層底最大拉應(yīng)力、面層層底最大拉應(yīng)變和路基頂面最大壓應(yīng)變變化規(guī)律基本與彎沉相似，受中面層厚度的影響比RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響大，效果更明顯，但都符合設(shè)計(jì)要求。出于經(jīng)濟(jì)性和常用結(jié)構(gòu)形式考慮，中面層取60 mm，若只考慮受力效果，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以取70%的高限。

表7 結(jié)構(gòu)層材料計(jì)算用參數(shù)

表8 不同中面層厚度與不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)時設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算值

2.2 剪應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析

剪應(yīng)力一般不作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，但研究表明［14－15］，剪應(yīng)力直接影響路面車轍，本文對剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并對其變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果見表9。

由表9可知，上面層最大剪應(yīng)力為5.5～6.2 kPa，隨著中面層厚度的增加而減小。中面層厚度≤80 mm時，上面層最大剪應(yīng)力隨RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小;中面層厚度＞80 mm，則增大。單純考慮減小上面層剪應(yīng)力，則增加中面層厚度或者增大RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在中面層厚度≤80 mm時，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大。

中面層的最大剪應(yīng)力為19.5～25 kPa，隨著中面層厚度和RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響相對較小。從減小中面層剪應(yīng)力角度考慮，適當(dāng)減小中面層厚度效果比較好。

表9 面層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

下面層最大剪應(yīng)力為29～30 kPa，隨RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大;中面層厚度≤80 mm時，下面層剪應(yīng)力隨中面層厚度增加而增大，中面層厚度超過80 mm時，對下面層的剪應(yīng)力基本沒影響。

考慮到中面層作為車轍產(chǎn)生的主要層位，需要較強(qiáng)的抗剪切能力，或者在層中只產(chǎn)生較小的剪應(yīng)力。本文中面層厚度取60 mm時，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過30%，此時既節(jié)約成本又能大幅提高抗車轍能力。

3 結(jié)論

1)綜合考慮HMA的高低溫穩(wěn)定性能、抗水損性能和經(jīng)濟(jì)性能，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜＜30%，最大不能超過50%。

2)結(jié)合路面結(jié)構(gòu)各層位的作用和特點(diǎn)，摻加RAP的HMA宜用在中面層。

3)分析路面結(jié)構(gòu)受力結(jié)果，隨著中面層厚度的增加，路表彎沉、路基頂面最大壓應(yīng)變、路面層底最大拉應(yīng)變和基層層底最大拉應(yīng)力都降低;隨RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，路表彎沉、路基頂面最大壓應(yīng)變減小，面層層底最大拉應(yīng)變增加，基層層底最大拉應(yīng)變基本不變。各指標(biāo)對中面層厚度的變化更敏感。

4)各層最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律各不相同:上面層最大剪應(yīng)力隨中面層厚度增加而減小，中面層厚度≤80 mm時，隨RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小;中面層最大剪應(yīng)力隨中面層厚度和RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加;中面層厚度≤80 mm時，下面層剪應(yīng)力隨中面層厚度和RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增長，超過80 mm基本沒影響。從路面結(jié)構(gòu)抗車轍能力考慮，建議中面層厚度取60 mm，RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過30%。

5)建議RAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的HMA適用于中面層，厚度不宜＜60 mm。

［1］楊平，趙紅偉.舊瀝青路面材料再生利用調(diào)查和評價［J］.北方交通，2008，13(8):46－48.

［2］趙永寬.瀝青路面再生利用技術(shù)的研究［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，13(2):64－67.

［3］Epps JA，Hand ADAM，Seeds STEVE，et al.Recommended Performance-Related Specification for Hot-Mix Asphalt Construction:Results of the West-Track Project［R］.Washington，D.C:National Cooperative Highway Research Program Report，2002.

［4］拾方治，馬衛(wèi)民.瀝青路面再生技術(shù)手冊［K］.北京:人民交通出版社，2006.

［5］Ning LEE，Chai-Pei CHOU，Kuan-Yu CHEN，等.回收瀝青路面再利用節(jié)能減排效益分析［J］.中外公路，2013，33(4):325 －330.

［6］高超，季節(jié)，王勝來，等.高舊料摻配率的再生瀝青混合料性能試驗(yàn)研究［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2013，29(2):32－36.

［7］方楊，吳傳海.基于GTM的高摻量RAP熱再生混合料壓實(shí)特性［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版，2014，(1):181－183.

［8］South Carolina Department of Transportation.Utilization of Waste Materials in Highway Construction and Maintenance［R］.South Carolina:South Carolina Department of Transportation Report，2004.

［9］張海，馬光超，張敏江，等.冷再生基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，28(5):865－871.

［10］武建民，杜榮耀，王笑風(fēng).基于有效模量的瀝青路面加鋪層設(shè)計(jì)方法［J］.長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，32(4):1－6.

［11］陳雄輝.半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究現(xiàn)狀［J］.硅谷，2011(1):96.

［12］姚祖康.瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［13］姜華木.再生型瀝青路面的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2011.

［14］季節(jié)，高建立，羅曉輝.熱再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)［J］.公路，2004(3):73－77.

［15］吳志友，趙前軍，梁冰.廢舊瀝青混合料廠拌熱再生利用技術(shù)研究［J］.中國公路，2011(15):114－115.