李 偉

(湖南路橋建設(shè)集團有限責任公司，湖南 長沙 410004)

0 前言

早在1915年美國已開展對回收瀝青路面材料(RAP)再生利用的試驗研究，至上個世紀80年代，美國80%的RAP 得到再生利用。歐洲瀝青路面協(xié)會EAPA 也在互聯(lián)網(wǎng)上公布，其成員國100% 的RAP 通過再生方式得以重復(fù)利用。近年，我國逐步加大對RAP 的研究和使用，以降低成本和保護環(huán)境。交通部2014年8月印發(fā)的“公路水路交通運輸主要技術(shù)政策”提出，聚焦“綠色交通”的發(fā)展，中國公路學會道路工程分會2013年的“道路(公路)工程學科發(fā)展報告”也將RAP 作為路面材料的重點研究對象。

我國 RAP 摻量范圍一般為 15%～30%［1］，對高摻量RAP 的研究相對較少，一般認為添加50%的RAP 后原樣混合料高溫性能有較大幅度提高［2～6］，低溫性能和抗水損害性能有所降低［5～7］或持平［2，7］或提高［8］，疲勞性能則遭到削弱［3，10］，而可壓實行卻得到改善［11］。美國有學者對高摻量 RAP(0～40%)的研究結(jié)果表明，TRS 均滿足75%的技術(shù)要求，混合料模量顯著提高(隨摻量增加而提高)［12］，抗車轍性能提高，抗疲勞和溫度裂縫能力降低［13］，但是RAP 摻量超過25%后，混合料性能應(yīng)實際試驗測定，一般與預(yù)期偏離較大(或好或差)［13］。且我國以往修筑高摻量RAP 的試驗段，在通車運營幾年后沒有因為RAP 的影響出現(xiàn)嚴重病害［14］。鑒于摻加RAP 混合料顯著的環(huán)保效益［15］和經(jīng)濟性，尤其是高摻量的用于面層混合料［2］，以及目前在抗水損害和低溫性能的評估仍有所差異，作者本人也希望針對面層混合料進行系統(tǒng)研究，因此以常用SBS 改性瀝青面層混合料(上面層AC－13，中、下面層AC－20)為對照組，開展對摻加50%RAP 的混合料路用性能的研究。采用APA、漢堡輪轍儀和間接拉伸試驗、凍融劈裂試驗評定 AC－13(原樣)和 AC －13(+50%RAP)抗車轍性能、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，針對AC－20(原樣)和 AC－20(+50%RAP)，以彎曲疲勞試驗評定其疲勞性能。

1 混合料設(shè)計

1.1 瀝青試驗

測定了原樣SBS 改性瀝青以及原樣瀝青經(jīng)RTFOT 老化后的常規(guī)技術(shù)指標和PG 等級，以查看原樣瀝青的老化程度，試驗結(jié)果見表1。試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過RTFOT 后，瀝青的PG 高溫等級提高了2 個等級，低溫等級降低了2 個等級，達PG88 －10。集料及填料的技術(shù)指標均符合規(guī)范要求，不一一列舉。

表1 膠結(jié)料試驗

1.2 配合比及體積參數(shù)

原樣混合料最佳瀝青用量的確定采用馬歇爾試驗，瀝青混合料拌和溫度控制為:SBS 改性瀝青加熱至165 ℃，集料和礦粉加熱至180 ℃，加入拌和鍋攪拌1 min。其中RAP 是采用公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程T0734 －2000 的方法對混合料先進行短期老化后，再進行長期老化。為使原樣混合料和50%RAP 充分拌和，其拌和過程為:將RAP 加熱至165℃，集料和礦粉加熱至180 ℃，先將RAP 和已稱量的集料加入拌和鍋，拌和1 min，然后將原樣瀝青加入拌和鍋，拌和1 min，最后加入礦粉，拌和1 min。由于此次采用實驗室模擬的RAP，所以RAP 的礦料級配不會變化太大，不在單獨驗證RAP 的礦料級配，僅對拌和好的摻加50%RAP 的混合料進行級配驗證(取樣抽提篩分)，驗證結(jié)果及SBS 原樣混合料配合比見表2。體積參數(shù)見表3。

表2 SBS 原樣混合料配合比和加50%RAP 混合料抽提級配驗證

表3 體積參數(shù)

2 混合料性能試驗

2.1 高溫性能

2.1.1 瀝青路面分析儀試驗

由于瀝青路面分析儀APA 與路面實際使用性能相關(guān)性較好［16］，有著良好的加載、溫度控制和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。采用APA 評價AC－13(原樣)和AC－13(+50%RAP)混合料的抗車轍性能。每種混合料成型6 個試件，高度75 mm，空隙率7% ±0.5%。輪載0.45 kN，軟管壓力700 kPa，8 000 次循環(huán)加載，水浴溫度60 ℃。LVDT 自動測定車轍深度。為確保試驗的準確，同時對車轍深度采用手動測量。自動測量的和手動測量APA 車轍深度見圖1。

由圖1，手動測量的APA 車轍深度比自動測量的車轍深度大，基于手動測量以實際為依據(jù)，則更能準確反映混合料的抗車轍性能。與預(yù)測結(jié)果相反，添加50%RAP 后的AC－13 混合料，抗車轍性能減弱。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是由于RAP 的加入，使得有效瀝青含量較小的原因，缺乏有效瀝青用于將集料裹覆在一起［17，18］，抗車轍性能降低。

通過室內(nèi)APA 車轍深度與現(xiàn)場實測車轍深度的回歸曲線求得，室內(nèi)APA 車轍深度因不超過5.5 mm，相當于現(xiàn)場不超過 10 mm［19］，因此 AC－13(原樣)和AC－13(+50%RAP)混合料均能滿足抗車轍性能的要求。

2.1.2 漢堡輪轍儀試驗

理論上RAP 的添加應(yīng)該對混合料的抗車轍性能有所提高，而以上APA 試驗結(jié)果顯示，添加50%RAP 混合料的抗車轍性能反而有所降低(仍可以滿足抗車轍要求)，這與預(yù)期結(jié)果有所差異，故加以漢堡輪轍儀試驗來進一步驗證50%RAP 的添加對混合料抗車轍性能的影響。

采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型，并切割為直徑150 mm、高度40 mm 的試件，每種混合料成型6 個試件?？障堵?% ±1%，50 ℃水浴30 min，采用接觸荷載約0.73 MPa，施加10 000 次循環(huán)(20 000 通過)荷載。車轍深度由LVDT 自動記錄。

漢堡輪轍儀試驗采用車轍變化率(車轍變化率:混合料的變形隨加載次數(shù)的關(guān)系)和剝離拐點來評定瀝青混合料在水和軸載共同作用下的抗水損害和抗車轍性能，剝離拐點即為車轍和水損害都產(chǎn)生時對應(yīng)的循環(huán)加載次數(shù)［20］，示意圖如圖2。其中小的剝離拐點則表明混合料抗水損害性能差，目前沒有大家公認的剝離拐點最小值，一般采用5 000作為一個標準［20］，且剝離拐點大于10 000 次則會被認為是好的混合料。小的車轍變化率表明混合料抗車轍性能好，漢堡輪轍儀試驗數(shù)據(jù)如圖3。

圖2 漢堡輪轍儀試驗示意圖

圖3 漢堡輪轍儀車轍率數(shù)據(jù)、剝離拐點

由圖3，AC－13(+50%RAP)車轍變化率不到AC－13(原樣)的1/3，說明 AC－13(+50%RAP)的抗車轍性能比AC－13(原樣)好，且有明顯提高。漢堡輪轍儀試驗結(jié)果與以上APA 試驗結(jié)果不同，但更接近理論預(yù)估AC－13(+50%RAP)的抗車轍性能變化趨勢，即更硬的混合料應(yīng)該具有更強的抗車轍能力，也與老化后膠結(jié)料高溫性能增強的理論相符。這也說明了，漢堡輪轍儀可能更適用于高摻量RAP混合料的抗車轍性能評價。

原樣混合料在經(jīng)過6 078 次循環(huán)加載后產(chǎn)生了水損害病害，AC－13(+50%RAP)在經(jīng)過10 000 次循環(huán)加載仍未出現(xiàn)水損害。即AC－13(+ 50%RAP)剝離拐點是大于10 000 次的，說明AC－13(+50%RAP)抗水損害性能好，且優(yōu)于AC－13(原樣)。

2.2 低溫性能

本次間接拉伸試驗(IDT)主要用于評定AC－13 混合料的抗溫度裂縫能力。試驗參照AASHTO T 322 －07 的方法，每種混合料成型3 個試件，空隙率為7% ±0.5%，切割成直徑150 mm、高50 mm 的柱體。采用一固定荷載以15.5 mm 的加載速率，分別在 －20 ℃，－10 ℃，0 ℃沿徑向連續(xù)加載 100 s。其中間接抗拉強度測定采用－10 ℃。在中心附近測量試件的水平和豎直方向的變形，用于計算蠕變?nèi)崃?材料蠕變過程中任意時刻的應(yīng)變與應(yīng)力之比值)。如果蠕變?nèi)崃康脑嚰?jīng)過100 s 加載后為被破壞，則在－10 ℃下加載至破壞，用于測定抗拉強度。

進行IDT 的主要目的是評價AC－13(原樣)和AC－13(+50%RAP)的抗溫度裂縫能力，采用臨界溫度分析法，間接拉伸強度曲線與溫度應(yīng)力曲線的交點即為產(chǎn)生溫度裂縫的臨界溫度。以開裂臨界溫度(該溫度時，混合料估計的溫度應(yīng)力等于混合料試驗所得的間接抗拉強度)來描述瀝青混合料的低溫抗裂性能。臨界開裂溫度低，則說明混合料的低溫抗裂性能好。

表4給出了AC－13(原樣)和 AC－13(+50%RAP)在加載50 s 時的蠕變強度和－10 ℃時的間接抗拉強度，以及預(yù)估的臨界開裂溫度。

表4 間接拉伸試驗結(jié)果

一種混合料的蠕變強度小和間接抗拉強度大，則表明其低溫抗裂性能好。由表4，AC－13(+50%RAP)的蠕變強度約為AC－13(原樣)的1.5 倍，且間接拉伸強度也比AC－13(原樣)小，表明AC－13(+50%RAP)低溫抗裂性能較AC－13(原樣)差。

AC－13(+50%RAP)的臨界開裂溫度比AC－13(原樣)高，升高幅度為3.9 ℃，再次說明50%RAP 的添加降低了 AC－13(原樣)的低溫抗裂性能。

2.3 抗水損害

凍融劈裂試驗的真正含義是檢驗瀝青混合料的抗水損害能力［21］。每種混合料成型8 個標準試件，擊實次數(shù)為雙面50 次，其中4 個試件作為對照組，不經(jīng)過凍融循環(huán);另外4 個試件飽水30 min，于－18℃冰凍15 h，隨后60 ℃恒溫水槽中保溫24 h。試驗采用馬歇爾試驗儀，加載速率采用50 mm/min。

試驗結(jié)果見表5。

表5 凍融循環(huán)劈裂試驗殘留強度比(TSR)試驗數(shù)據(jù)

表5知，兩種混合料的劈裂強度比均滿足公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的80%的要求［22］，且AC－13(+50%RAP)的凍融循環(huán)劈裂殘留強度比遠大于AC－13(原樣)，此結(jié)果與漢堡輪轍儀試驗結(jié)果一致，即AC－13(+50%RAP)抗水損害性能好，且優(yōu)于AC－13(原樣)。

2.4 疲勞性能

中、下面層瀝青混合料的疲勞性能是瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵［23］。本次采用梁的彎曲疲勞試驗?zāi)M瀝青混凝土層在路面結(jié)構(gòu)中的彎曲，以評定AC－20(原樣)和AC－20(+50%RAP)的抗疲勞性能。

試驗選擇200、400、800 微應(yīng)變(με)，每種混合料成型3 個試件，空隙率6% ±1%，試件尺寸切割為380 mm×63 mm×50 mm。試驗溫度20 ℃，采用一正弦荷載以5～10 Hz 的加載頻率在3 分點處加載，加載至剛度為初始剛度(50 次循環(huán)加載測得)的50%。表6匯總了各應(yīng)變水平下加載至破壞的循環(huán)加載次數(shù)，表7是采用SPSS 軟件對試驗結(jié)果的方差分析。

表6 加載至破壞的重復(fù)加載次數(shù)平均值

表7 梁的彎曲疲勞試驗結(jié)果方差分析

表6知，雖然各應(yīng)力水平下兩混合料的平均值有所差異，在 200 με 和 400 με 水平 AC－20(+50%RAP)的疲勞壽命為 AC－20(原樣)的127%、342%，疲勞性能有顯著優(yōu)勢，在800 με 時則僅為AC－20(原樣)的36.6%，表明在小應(yīng)變水平時AC－20(+50%RAP)的疲勞性能較好，而大應(yīng)變水平時AC－20(+50%RAP)的疲勞性能差。表7對兩混合料疲勞試驗結(jié)果的方差分析，顯示F 值5.899，P=0.029 ＞0.005，即可以認為 AC －20(原樣)和AC－20(+50%RAP)兩混合料總體之間的總體均數(shù)是相等的，疲勞壽命沒明顯差異，這可能是由于試件疲勞壽命波動較大的原因。

為了能夠更準確的區(qū)分二者的疲勞性能，利用此次試驗數(shù)據(jù)，基于常用的疲勞壽命預(yù)估方程式(1)，方程回歸系數(shù)見表8。采用回歸的梁的疲勞壽命方程，以剛度降低50%為標準，預(yù)估各混合料的疲勞極限，疲勞極限預(yù)估結(jié)果見表9。

其中:Nf是加載至破壞時的循環(huán)加載次數(shù);K1、K2是回歸系數(shù);ε 是試件的拉應(yīng)變。

表8 方程回歸系數(shù)

表9 預(yù)估混合料疲勞極限

由表9，AC－20(+50%RAP)的疲勞極限與AC－20(原樣)基本相等，但比 AC－20(原樣)高3 με。AC－20(+50%RAP)的疲勞性能較AC－20(原樣)稍好。

3 結(jié)論

1)APA 試驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果相反，添加50%RAP 后的AC－13 混合料，抗車轍性能減弱。但仍能滿足抗車轍性能的要求。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是由于RAP 的加入，使得有效瀝青含量較小的原因，抗車轍性能降低。

2)漢堡輪轍儀試驗，AC－13(+50%RAP)車轍變化率不到 AC －13(原樣)的 1/3，說明 AC －13(+50%RAP)的抗車轍性能比AC－13(原樣)好，且有明顯提高。該結(jié)果更接近理論預(yù)估 AC－13(+50%RAP)的抗車轍性能變化趨勢。

3)漢堡輪轍儀試驗，AC－13(+50%RAP)在經(jīng)過10 000 次循環(huán)加載仍未出現(xiàn)水損害，即其剝離拐點是大于10 000 次的，說明AC－13(+50%RAP)抗水損害性能好，且優(yōu)于AC－13(原樣)。

4)間接拉伸試驗，AC－13(+50%RAP)的臨界開裂溫度比AC－13(原樣)高，升高幅度為3.9 ℃，說明50%RAP 的添加降低了AC－13(原樣)的低溫抗裂性能。

5)凍融劈裂試驗結(jié)果與漢堡輪轍儀試驗結(jié)果一致，即AC－13(+50%RAP)抗水損害性能好，且優(yōu)于AC－13(原樣)，兩混合料TSR 均滿足公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的80%的要求。

6)梁的彎曲疲勞試驗，在小應(yīng)變水平(200 με和400 με)時 AC －20(+50%RAP)的疲勞性能較較好，大應(yīng)變水平(800 με)時 AC－20(+50%RAP)的疲勞性能差。而方差分析顯示AC－20(原樣)和AC－20(+50%RAP)的疲勞壽命沒有統(tǒng)計學差異，可能是因為數(shù)據(jù)波動較大的原因。預(yù)估的AC－20(+50%RAP)的疲勞極限與AC－20(原樣)基本相等，但仍比 AC－13(原樣)高3 με。

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