祝譚雍，程其瑜，劉 韜，黃曉明

(1.江西省高速公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330025;2. 江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330025；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的壓力與日俱增，廢舊瀝青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP)中礦料與瀝青的循環(huán)利用價值愈加凸顯，在公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)中有序開展瀝青路面再生利用有助于緩解生態(tài)環(huán)境壓力，從而推動綠色交通可持續(xù)發(fā)展。瀝青路面的長期使用過程也是路面漫長的老化過程，老化導(dǎo)致瀝青的勁度增大、韌性下降，因而抗裂性能始終是熱再生路面的性能薄弱點[1-3]。對舊料進(jìn)行再生利用時添加聚合物改性瀝青，有助于提升再生路面的路用性能，延長路面養(yǎng)護(hù)維修周期[4-5]。然而，聚合物改性瀝青材料價格不斷上漲，降低了廠拌熱再生的經(jīng)濟(jì)效益，不利于再生技術(shù)的推廣實施。橡膠瀝青具備優(yōu)良的路用性能，可作為聚合物改性瀝青合適的替代品。此外，橡膠瀝青在生產(chǎn)過程中能夠?qū)U舊輪胎循環(huán)利用，有效發(fā)揮廢舊輪胎中所含有的天然橡膠、合成橡膠等高分子聚合物成分，具有良好的環(huán)境效益[6-7]。

瀝青路面在冷銑刨過程中礦料被銑刨機(jī)刀頭破碎，導(dǎo)致細(xì)料含量增加、級配穩(wěn)定性差，故再生瀝青路面(特別是在高RAP摻量下)難以形成對礦料骨架結(jié)構(gòu)要求高的級配，在實踐中再生路面多采用懸浮密實型級配[1,8]。由于傳統(tǒng)濕法橡膠瀝青中固態(tài)或半固態(tài)的膠粉顆粒易對礦料級配形成干涉，因此橡膠瀝青混合料主要采用間斷級配設(shè)計[7]。比較可知，傳統(tǒng)濕法橡膠瀝青在廠拌熱再生路面中的適用性不強(qiáng)。新型穩(wěn)定型橡膠瀝青采用工廠化生產(chǎn)方式，大部分橡膠屑消融于瀝青中，在穩(wěn)定型助劑的作用下，未完全消融的膠粉微粒與瀝青穩(wěn)定交聯(lián)，適用于連續(xù)密級配混合料[9-12]。鑒于此，本研究探索將穩(wěn)定型橡膠瀝青應(yīng)用于熱再生路面中，基于自行開發(fā)的環(huán)形加載試驗及傳統(tǒng)小梁彎曲試驗，研究探討穩(wěn)定型橡膠瀝青再生混合料的抗裂性能。

1 試驗設(shè)計

小梁彎曲試驗作為傳統(tǒng)的瀝青混合料抗裂性能評價試驗方法，應(yīng)用范圍廣泛,評價指標(biāo)明確。經(jīng)分析，小梁彎曲試驗方法依舊存在一定的局限與不足。

從力學(xué)角度來看，路面材料三向受力，而小梁彎曲試驗?zāi)M了單向受力；操作方面，每根小梁須經(jīng)六面切割以達(dá)到規(guī)范要求的尺寸，準(zhǔn)備過程繁瑣，切割精度不易控制，且不適于對路面芯樣開展試驗；從成型效果分析，小梁須從車轍板中切割取樣，車轍板在壓實成型過程中混合料分布的均勻性較差，易出現(xiàn)離析。因此，本研究采用設(shè)計開發(fā)的環(huán)形加載試驗研究再生料的抗裂性能，并與小梁彎曲試驗分析對比。

1.1 試件尺寸

環(huán)形加載模具和試件如圖1所示，試件呈圓柱體，尺寸的設(shè)置對于試驗效率存在較大影響，因此在厚度方面，考慮到高速公路上面層通常為4 cm厚，故將環(huán)形加載試件的厚度設(shè)為4 cm；直徑方面，10 cm和15 cm的圓柱體試件能夠通過室內(nèi)壓實直接成型，亦可通過現(xiàn)場直接鉆芯得到，獲取相對簡便。此外，試驗的破壞模式與試件的尺寸有關(guān)，當(dāng)D/H(直徑/厚度)太小的情況下，試件可能發(fā)生壓縮破壞，故將圓柱體試件的直徑設(shè)置為15 cm。

圖1 環(huán)形加載試驗Fig.1 Annular loading test

1.2 加載參數(shù)

瀝青混合料在不同的環(huán)境溫度及加載速率下其動力學(xué)特征存在顯著差異。依托UTM-25試驗條件，為確定適宜的試驗加載參數(shù)，并提高環(huán)形加載試驗方法的普遍適用性，選用了70#道路石油瀝青設(shè)計制備AC-20混合料，以0,10 ℃和20 ℃這3種溫度配合1，5 mm/min和10 min/min這3種速率進(jìn)行加載，對比優(yōu)選合適的試驗加載參數(shù)。AC-20瀝青混合料的配合比如表1所示。

表1 AC-20瀝青混合料配合比Tab.1 Mixture ratio of asphalt mixture AC-20

環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃時，在UTM-25壓頭不同的加載速率下，環(huán)形加載試驗的荷載-變形曲線見圖2。從圖2中可知，在相同的溫度下，加載速率的不同對于瀝青混合料的強(qiáng)度存在顯著影響。加載速率越高，極限荷載越大，且極限荷載所對應(yīng)的變形量逐漸下降(試件破壞的時間變短)。究其原因，加載速率過快，混合料內(nèi)部微裂紋難以充分?jǐn)U展，塑性變形受到抑制，故強(qiáng)度較高[13]。當(dāng)加載速率較低，特別是在1 mm/min的慢速加載時，荷載-變形曲線表現(xiàn)出相對明顯的波動幅度，說明傳感器檢測到試件內(nèi)微裂縫的拓展以及應(yīng)力的重新分布。

圖2 不同加載速率下荷載-變形曲線(20 ℃)Fig.2 Load-displacement curves under different loading rates(20 ℃)

圖3為10 ℃環(huán)境下不同加載速率對應(yīng)的環(huán)形加載試驗荷載-變形曲線。其中，當(dāng)加載速率10 mm/min 時，極限荷載超出了UTM-25的傳感器量程，導(dǎo)致荷載-變形曲線無法完整呈現(xiàn)。圖4為0 ℃ 環(huán)境下以1 mm/min的速率加載獲得的荷載-變形曲線，由圖4中可知，由于瀝青混合料在0 ℃展現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和剛度，即使在很低的加載速率(1 mm/min)下，依托UTM-25平臺依舊無法讓試驗過程完整呈現(xiàn)。

圖3 不同加載速率下荷載-變形曲線(10 ℃)Fig.3 Load-displacement curves under different loading rates(10 ℃)

圖4 1 mm/min加載速率下荷載-變形曲線(0 ℃)Fig.4 Load-displacement curves under 1 mm/min loading rates(0 ℃)

瀝青混合料的彎拉破壞既包含脆性開裂，也伴隨塑性變形。環(huán)境越高，瀝青混合料越趨向于非脆性破壞，為盡可能評價再生混合料的低溫抗裂能力，綜合以上試驗數(shù)據(jù)及試驗條件，本研究以10 ℃，5 mm/min 為環(huán)形加載試驗的加載參數(shù)。

1.3 評價指標(biāo)

針對形如圖2、圖3的荷載-變形曲線，以往研究通常從荷載、變形、模量及能量等方面提出量化指標(biāo)評價材料的力學(xué)性能[14]。本研究采用極限荷載Fmax、破壞變形δFmax(Fmax所對應(yīng)的變形δ)、勁度指數(shù)IRT(Tensile Stiffness Index)及斷裂能W評價再生混合料的抗裂性能。其中，勁度指數(shù)IRT為荷載-變形曲線線性階段切線斜率，為統(tǒng)一計算標(biāo)準(zhǔn)，本研究對斷裂能W的計算從加載0時刻起，至荷載衰減到0.1Fmax結(jié)束。

為驗證4項力學(xué)指標(biāo)的適用性，分別在5種不同的加載條件下開展試驗，試驗結(jié)果見圖5，“20-10”表示20 ℃時以10 mm/min加載，每組加載條件做4組以上有效平行試驗。

圖5 加載條件對于力學(xué)指標(biāo)的影響Fig.5 Influence of loading condition on mechanical in dicators

加載條件對極限荷載Fmax及δFmax的影響規(guī)律見圖5(a)，圖5(b)。從圖5(a)可見，當(dāng)環(huán)境溫度相同時，F(xiàn)max隨加載速率提高而增大；在加載速率一樣時，F(xiàn)max隨溫度下降而大幅度升高，瀝青混合料對溫度的敏感性表現(xiàn)相對顯著。如圖5(b)所示，隨著環(huán)境溫度下降，試件承受的Fmax在提高的同時，破壞變形δFmax有所下降。究其原因，主要是在低溫環(huán)境下瀝青膠漿蠕變流動不夠充分，導(dǎo)致混合料塑性變形小。

加載條件對勁度模量IRT及斷裂能W的影響規(guī)律見圖5(c),圖5(d)。其中，勁度模量IRT反映了加載過程中荷載-變形曲線線性階段的斜率，與Fmax和δFmax之比有較強(qiáng)的相關(guān)性，IRT隨著溫度的升高和加載速率的降低而下降，表現(xiàn)出較為顯著的溫度敏感性，斷裂能W也呈現(xiàn)近似的變化規(guī)律。

通過對70#道路石油瀝青制備的AC-20混合料進(jìn)行環(huán)形加載試驗，并分析各項力學(xué)指標(biāo)與加載參數(shù)的關(guān)系，綜合表明環(huán)形加載試驗相關(guān)評價指標(biāo)隨加載條件的變化呈現(xiàn)出顯著規(guī)律，試驗結(jié)果的重復(fù)性較好。本研究在相同的加載條件下(10 ℃、5 mm/min)，采用環(huán)形加載試荷載-變形曲線計算得到的Fmax，δFmax，IRT及W指標(biāo)，評價RAP摻量對再生料抗裂性能的影響。

2 原材料與配合比設(shè)計

2.1 穩(wěn)定型橡膠瀝青

基于傳統(tǒng)現(xiàn)場拌和法所生產(chǎn)的膠粉改性瀝青存在著現(xiàn)場干擾因素多、控制難度大，存儲及性能穩(wěn)定性不足等關(guān)鍵技術(shù)難題，采用成熟的工廠化生產(chǎn)方式生產(chǎn)性能穩(wěn)定、不易離析的膠粉改性瀝青是橡膠瀝青技術(shù)發(fā)展的新方向。在這一趨勢下，穩(wěn)定型橡膠瀝青技術(shù)逐漸發(fā)展成為新型膠粉瀝青改性技術(shù)。相較于傳統(tǒng)濕法橡膠瀝青，穩(wěn)定型橡膠瀝青中膠粉粒度相對細(xì)膩，橡膠瀝青體系更加均勻、穩(wěn)定。其借助交聯(lián)劑、活化劑等化學(xué)助劑的促進(jìn)作用，在提高膠粉在瀝青中相容性與穩(wěn)定性的同時，避免了橡膠瀝青因加工剪切時間過長、溫度過高所引起的膠粉過度脫硫降解[15]。

通過膠結(jié)料室內(nèi)試驗，分析對比了穩(wěn)定型橡膠瀝青與傳統(tǒng)濕法橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)，見表2。其中，自制濕法橡膠瀝青在是70#基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上內(nèi)摻20%的40目橡膠粉，在180 ℃、5 000 r/min下剪切50 min，而后在180 ℃溫度環(huán)境繼續(xù)發(fā)育45 min。

穩(wěn)定型橡膠瀝青相比于傳統(tǒng)濕法橡膠瀝青較顯著特征是針入度偏大、延度顯著提高、黏度大幅降低、穩(wěn)定性(離析值)明顯好轉(zhuǎn)。這是由于穩(wěn)定型橡膠瀝青在工廠化加工過程中，膠粉在瀝青中溶脹充分，膠粉的脫硫與降解程度更深，脫硫引發(fā)橡膠分子間的共同交聯(lián)斷裂，降解使得橡膠分子鏈發(fā)生斷裂[9-10]。

表2 瀝青指標(biāo)Tab.2 Asphalt indicators

2.2 RAP瀝青及級配

研究所采用RAP料為高速公路上面層冷銑刨料，原路面上面層設(shè)計為4 cmAK-13，采用SBS改性瀝青。經(jīng)測試，RAP料砂當(dāng)量為73.4%(>55%)，含水率1.52%(<3%)，滿足規(guī)范要求[1]。通過抽提試驗檢測RAP級配及油石比見表3，回收舊瀝青檢測結(jié)果如表4所示。

表3 RAP料抽提結(jié)果Tab.3 Extraction result of RAP

表4 老化瀝青檢測結(jié)果Tab.4 Test result of aged asphalt

2.3 配合比設(shè)計

由于橡膠瀝青與舊料中老化瀝青存在一定共性，即相較于通常的70#基質(zhì)瀝青或SBS改性瀝青，橡膠瀝青與老化瀝青黏度普遍偏高，特別是舊料中瀝青經(jīng)長期老化變硬變脆。鑒于此，為了提高再生料的低溫性能，研究中借鑒了高模量瀝青混合料(Enrobé à Module élevé，EME)的材料組成原理，即采用密級配、高油石比、低空隙率等設(shè)計提高低溫性能，并基于硬質(zhì)瀝青針入度小、軟化點高的特點保障高溫穩(wěn)定性[16-17]。采用馬歇爾設(shè)計方法對穩(wěn)定型橡膠瀝青再生混合料進(jìn)行配合比設(shè)計，再生料級配滿足高模量瀝青混合料EME-20級配控制范圍，不同RAP摻量再生料配合比見表5。

表5 橡膠瀝青再生料EME-20級配Tab.5 Gradation of recycled asphalt rubber mixture EME-20

3 抗裂性能研究

3.1 環(huán)形加載試驗

在10 ℃、5 mm/min加載條件下，EME-20橡膠瀝青再生混合料在環(huán)形加載試驗過程中試件的典型破壞形態(tài)如圖6所示。試驗過程中，外荷載對圓柱體試件做功所蓄的能量被少數(shù)裂縫吸收，裂縫從加載點(圓心)向圓周擴(kuò)展將能量轉(zhuǎn)化為表面能釋放。外力做功積蓄的能量是集中被少數(shù)耗散水平高的微裂縫吸收并進(jìn)一步拓展為主裂縫，還是被多數(shù)微裂縫吸收并耗散掉，這取決于混合料原始組成(包括初始微裂縫、孔洞等)及荷載激勵的力學(xué)響應(yīng)特征。

圖6 EME-20環(huán)形加載破壞形態(tài)Fig.6 Failure pattern of EME-20 in annular loading test

穩(wěn)定型橡膠瀝青混合料中RAP摻量對于環(huán)形加載Fmax，δFmax，IRT及W等力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律如圖7所示。

圖7 RAP摻量對環(huán)形加載試驗各項指標(biāo)的影響Fig.7 Influence of RAP content on indicators in annular loading test

由圖7(a)、圖7(b)可知，隨著橡膠瀝青再生料EME-20中RAP摻量的增加，試件所承受的極限荷載Fmax不斷提高，與之相對應(yīng)的，荷載達(dá)到Fmax時產(chǎn)生的破壞變形δFmax總體呈下降趨勢。具體而言，RAP摻量在20%，35%和50%時，F(xiàn)max較新料分別提高了8.1%，20.1%和29.7%，而對應(yīng)的δFmax分別下降了13.5%，37.9%和30.3%。上述結(jié)果表明，RAP的摻加使得橡膠再生料的彎拉強(qiáng)度提高，但抗變形能力隨之下降。究其原因，當(dāng)RAP摻量提高時，再生料瀝青含量中老化瀝青的比重也相應(yīng)提高，瀝青老化所導(dǎo)致的顯著特征是硬化和脆化，即針入度大幅降低、延度逐漸喪失，老化瀝青與新加的穩(wěn)定型橡膠瀝青融合后使得再生瀝青膠結(jié)料整體變硬變脆，從而反映到混合料的力學(xué)性能上，使得再生混合料強(qiáng)度提高、韌性降低。

圖7(b)中，當(dāng)RAP提高到50%摻量時，δFmax并未完全呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢，這可能是由于RAP摻量不斷提高導(dǎo)致再生料的材料組成變得復(fù)雜，新料與舊料之間的融合程度也受到影響[18]。RAP材料組成及性能均勻性比新料差，其油石比和級配的變異性所帶來的影響隨著RAP摻量提高而增大，導(dǎo)致混合料力學(xué)試驗結(jié)果產(chǎn)生了一定波動[19]。

圖7(c)中，勁度指數(shù)IRT隨RAP摻量的提高而逐步增大，再生料RAP摻量20%，35%和50%所對應(yīng)的IRT較新料分別提高了30.3%，51.9%和102.3%，說明環(huán)形加載試驗中材料的彎拉勁度模量對于RAP的摻入較為敏感。

斷裂能W隨RAP摻量的變化規(guī)律如圖7(d)所示，再生料RAP摻量20%，35%和50%所對應(yīng)的W值較新料降低了9.6%，11.5%和21.6%，斷裂能綜合反映了試件在環(huán)形加載試驗過程中從起始到完全破壞所吸收的外部能量，是再生料抗裂性能的綜合體現(xiàn)，雖然RAP的摻入一定程度上提高了材料的彎拉強(qiáng)度、勁度模量，但從能量角度看RAP摻量越高材料的抗裂性能下降幅度越大。

環(huán)形加載試驗雖較傳統(tǒng)小梁彎曲試驗對路面力學(xué)狀態(tài)的模擬更為接近，但試驗缺乏成熟的經(jīng)驗，尚未形成量化的控制標(biāo)準(zhǔn)。為驗證環(huán)形加載對穩(wěn)定型橡膠瀝青再生混合料的檢測結(jié)果，開展了小梁彎曲試驗進(jìn)行比較。

3.2 小梁彎曲試驗

根據(jù)規(guī)范試驗條件要求，在-10 ℃、50 mm/min下對不同RAP摻量的再生瀝青混合料EME-20進(jìn)行小梁彎曲試驗，不同RAP摻量下小梁彎曲試驗的荷載-變形曲線如圖8所示。由圖8可知，新料所能承受的Fmax較小，RAP摻量越高所對應(yīng)的Fmax越大，荷載-變形曲線切線的斜率也隨之增大。荷載達(dá)到Fmax后材料發(fā)生開裂破壞，新拌橡膠瀝青混合料由于較強(qiáng)的柔韌性使得試件所承受的荷載存在一定的衰減漸變過程。較之新料，再生混合料(RAP摻量20%～50%)則表現(xiàn)出持力水平的瞬間喪失，材料突然發(fā)生脆性開裂。

圖8 不同RAP摻量EME-20小梁彎曲試驗荷載-變形曲線Fig.8 Load-displacement curves of beam bending test for EME-20 with different RAP contents

圖9 RAP摻量對于小梁彎曲試驗指標(biāo)的影響Fig.9 Influence of RAP content on indicators of beam bending test

小梁彎曲試驗中的試件彎拉強(qiáng)度RB、極限彎拉應(yīng)變εB、彎拉模量SB的計算結(jié)果如圖9所示。其中，隨著RAP摻量從0%增長到50%，εB從3 263 με 下降至2 604 με，該結(jié)果表明采用穩(wěn)定型橡膠瀝青對廢舊路面回收材料開展再生利用，能夠有效保障再生混合料的低溫抗裂性能，即使在50%的RAP摻量下，再生料的低溫極限彎拉應(yīng)變εB仍不低于2 500 με，能夠滿足規(guī)范對改性瀝青混合料的低溫性能的技術(shù)要求[20](冬冷、冬溫區(qū))。

圖10 環(huán)形加載試驗與小梁彎曲試驗的線性相關(guān)性Fig.10 Linear correlations between annular loading test and beam bending test

將小梁彎曲試驗獲得的力學(xué)指標(biāo)RB，εB，SB與環(huán)形加載試驗中的極限荷載Fmax，破壞變形δFmax，彎拉勁度指數(shù)IRT進(jìn)行相關(guān)性分析，對比結(jié)果如圖10所示，各項指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)R2>0.9?？芍谧孕虚_發(fā)的環(huán)形加載試驗檢測并評價瀝青混合料的抗裂性能結(jié)果可靠，能夠較好地模擬路面受力狀態(tài)，且試驗準(zhǔn)備過程更為簡易。

4 結(jié)論

(1)為提升再生瀝青混合料的抗裂性能，將新型穩(wěn)定型橡膠瀝青應(yīng)用于熱再生路面當(dāng)中，并依托環(huán)形加載試驗對橡膠瀝青再生混合料抗裂能力開展研究，考慮到瀝青混合料的率敏感性及溫度敏感性，基于UTM-25平臺設(shè)置不同的加載參數(shù)組合對常用的AC-20瀝青混合料進(jìn)行試驗，優(yōu)選確定了環(huán)形加載試驗的加載速率為5 mm/min，環(huán)境溫度為10 ℃。

(2)針對環(huán)形加載試驗獲得的荷載-變形曲線，提出了極限荷載Fmax，破壞變形δFmax，勁度指數(shù)IRT及斷裂能W4項評價指標(biāo)，隨著橡膠瀝青再生混合料中舊料摻量的提高，環(huán)形加載試驗極限荷載Fmax及勁度指數(shù)IRT逐漸增大，破壞變形δFmax及斷裂能W逐步降低。

(3)結(jié)合環(huán)形加載試驗及低溫小梁彎曲試驗數(shù)據(jù)，對比分析了穩(wěn)定型橡膠瀝青再生混合料的低溫抗裂性能，結(jié)果表明：在50%的舊料摻量下其低溫性能仍可滿足規(guī)范技術(shù)要求，且環(huán)形加載試驗與低溫小梁彎曲試驗的檢測結(jié)果線性相關(guān)性良好(R2>0.9)。

(4)相較于傳統(tǒng)的小梁彎曲試驗，自行開發(fā)的環(huán)形加載試驗可更好地模擬混合料在路面結(jié)構(gòu)中的三向受力狀態(tài)，且試驗準(zhǔn)備工序相對簡便，不僅可以對室內(nèi)成型的試件進(jìn)行檢測，還能夠?qū)ΜF(xiàn)場路面芯樣開展試驗；由于UTM-25試驗平臺的限制，研究中未能在更低的環(huán)境溫度下(≤0 ℃)基于環(huán)形加載試驗方法評價混合料低溫性能，該試驗需依托更大噸位的萬能試驗機(jī)平臺對再生混合料的低溫抗裂性能開展研究，并面向不同瀝青品種及混合料類型對環(huán)形加載試驗的可靠性進(jìn)行廣泛試驗和深入論證。