李 偉

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)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(yàn)研究，至上個(gè)世紀(jì)80年代，美國80%的RAP 得到再生利用。歐洲瀝青路面協(xié)會(huì)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(hù)環(huán)境。交通部2014年8月印發(fā)的“公路水路交通運(yùn)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(xué)會(huì)道路工程分會(huì)2013年的“道路(公路)工程學(xué)科發(fā)展報(bào)告”也將RAP 作為路面材料的重點(diǎn)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(rèn)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(shí)行卻得到改善［11］。美國有學(xué)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(shí)際試驗(yàn)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(yàn)段，在通車運(yùn)營幾年后沒有因?yàn)镽AP 的影響出現(xiàn)嚴(yán)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(jì)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(píng)估仍有所差異，作者本人也希望針對面層混合料進(jìn)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(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)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(yàn)評(píng)定其疲勞性能。

1 混合料設(shè)計(jì)

1.1 瀝青試驗(yàn)

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(biāo)和PG 等級(jí)，以查看原樣瀝青的老化程度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過RTFOT 后，瀝青的PG 高溫等級(jí)提高了2 個(gè)等級(jí)，低溫等級(jí)降低了2 個(gè)等級(jí)，達(dá)PG88 －10。集料及填料的技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，不一一列舉。

表1 膠結(jié)料試驗(yàn)

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(yàn)，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(yàn)規(guī)程T0734 －2000 的方法對混合料先進(jìn)行短期老化后，再進(jìn)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(shí)驗(yàn)室模擬的RAP，所以RAP 的礦料級(jí)配不會(huì)變化太大，不在單獨(dú)驗(yàn)證RAP 的礦料級(jí)配，僅對拌和好的摻加50%RAP 的混合料進(jìn)行級(jí)配驗(yàn)證(取樣抽提篩分)，驗(yàn)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(jí)配驗(yàn)證

表3 體積參數(shù)

2 混合料性能試驗(yàn)

2.1 高溫性能

2.1.1 瀝青路面分析儀試驗(yàn)

由于瀝青路面分析儀APA 與路面實(shí)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(píng)價(jià)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(gè)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(dòng)測定車轍深度。為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確，同時(shí)對車轍深度采用手動(dòng)測量。自動(dòng)測量的和手動(dòng)測量APA 車轍深度見圖1。

由圖1，手動(dòng)測量的APA 車轍深度比自動(dòng)測量的車轍深度大，基于手動(dòng)測量以實(shí)際為依據(jù)，則更能準(zhǔn)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(shí)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(dāng)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(yàn)

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(yàn)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(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(gè)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(dòng)記錄。

漢堡輪轍儀試驗(yàn)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(diǎn)來評(píng)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(diǎn)即為車轍和水損害都產(chǎn)生時(shí)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(diǎn)則表明混合料抗水損害性能差，目前沒有大家公認(rèn)的剝離拐點(diǎn)最小值，一般采用5 000作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)［20］，且剝離拐點(diǎn)大于10 000 次則會(huì)被認(rèn)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(yàn)數(shù)據(jù)如圖3。

圖2 漢堡輪轍儀試驗(yàn)示意圖

圖3 漢堡輪轍儀車轍率數(shù)據(jù)、剝離拐點(diǎn)

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(yàn)結(jié)果與以上APA 試驗(yàn)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(qiáng)的抗車轍能力，也與老化后膠結(jié)料高溫性能增強(qiáng)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(píng)價(jià)。

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(diǎn)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(yàn)(IDT)主要用于評(píng)定AC－13 混合料的抗溫度裂縫能力。試驗(yàn)參照AASHTO T 322 －07 的方法，每種混合料成型3 個(gè)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(qiáng)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(jì)算蠕變?nèi)崃?材料蠕變過程中任意時(shí)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(qiáng)度。

進(jìn)行IDT 的主要目的是評(píng)價(jià)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(qiáng)度曲線與溫度應(yīng)力曲線的交點(diǎn)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(shí)，混合料估計(jì)的溫度應(yīng)力等于混合料試驗(yàn)所得的間接抗拉強(qiáng)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(shí)的蠕變強(qiáng)度和－10 ℃時(shí)的間接抗拉強(qiáng)度，以及預(yù)估的臨界開裂溫度。

表4 間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

一種混合料的蠕變強(qiáng)度小和間接抗拉強(qiáng)度大，則表明其低溫抗裂性能好。由表4，AC－13(+50%RAP)的蠕變強(qiáng)度約為AC－13(原樣)的1.5 倍，且間接拉伸強(qiáng)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(yàn)的真正含義是檢驗(yàn)瀝青混合料的抗水損害能力［21］。每種混合料成型8 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，擊實(shí)次數(shù)為雙面50 次，其中4 個(gè)試件作為對照組，不經(jīng)過凍融循環(huán);另外4 個(gè)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(yàn)采用馬歇爾試驗(yàn)儀，加載速率采用50 mm/min。

試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比(TSR)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5知，兩種混合料的劈裂強(qiáng)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(qiáng)度比遠(yuǎn)大于AC－13(原樣)，此結(jié)果與漢堡輪轍儀試驗(yàn)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(yàn)?zāi)M瀝青混凝土層在路面結(jié)構(gòu)中的彎曲，以評(píng)定AC－20(原樣)和AC－20(+50%RAP)的抗疲勞性能。

試驗(yàn)選擇200、400、800 微應(yīng)變(με)，每種混合料成型3 個(gè)試件，空隙率6% ±1%，試件尺寸切割為380 mm×63 mm×50 mm。試驗(yàn)溫度20 ℃，采用一正弦荷載以5～10 Hz 的加載頻率在3 分點(diǎn)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(yàn)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(yàn)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(shí)則僅為AC－20(原樣)的36.6%，表明在小應(yīng)變水平時(shí)AC－20(+50%RAP)的疲勞性能較好，而大應(yīng)變水平時(shí)AC－20(+50%RAP)的疲勞性能差。表7對兩混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果的方差分析，顯示F 值5.899，P=0.029 ＞0.005，即可以認(rèn)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(dòng)較大的原因。

為了能夠更準(zhǔn)確的區(qū)分二者的疲勞性能，利用此次試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(yàn)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(yàn)，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(yàn)，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(diǎn)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(yàn)，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(yàn)結(jié)果與漢堡輪轍儀試驗(yàn)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(yàn)，在小應(yīng)變水平(200 με和400 με)時(shí) AC －20(+50%RAP)的疲勞性能較較好，大應(yīng)變水平(800 με)時(shí) 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(jì)學(xué)差異，可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)波動(dòng)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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