張智裕

(南陽(yáng)通途公路勘察設(shè)計(jì)有限公司 南陽(yáng)市 473000)

0 引言

舊瀝青路面的集料和結(jié)合料經(jīng)過(guò)回收用于新路面結(jié)構(gòu)，可大大節(jié)省材料、資金和能源，而且證明這種做法在經(jīng)濟(jì)上是可行的，在保護(hù)環(huán)境方面也是有效的[1]。在瀝青混合料中以濕法或干法的形式使用再生廢輪胎已有30多年歷史，在濕法工藝中，結(jié)合料的改性是橡膠粉和瀝青之間的相互作用形成的，其中橡膠顆粒在瀝青中膨脹，這是由于瀝青中一些較輕的成分(芳香油)的吸收形成粘性凝膠，從而增加了總粘度而“改良”結(jié)合料[2-3]。在干法工藝中，是在添加瀝青之前，將橡膠顆粒與集料混合。有研究發(fā)現(xiàn)，采用濕法和干法生產(chǎn)的材料都表現(xiàn)出更好的性能，包括提高疲勞壽命、減少反射裂縫和低溫裂縫、提高抗拉強(qiáng)度、延展性、韌性、附著力、回彈性、耐久性、防滑性和抗車轍性[4-6]。然而，采用兩種副產(chǎn)品(橡膠粉和RAP)與新瀝青和集料混合在一起的性能影響尚未明確，對(duì)再生改性混合料的相互作用還沒有很好的理解，本文的研究對(duì)于更好地了解它們之間的相互作用非常重要。因此，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，探討了RAP與橡膠粉配合使用對(duì)瀝青混合料高溫性能、水敏感性和疲勞性能的影響，目的是在不顯著降低原有混合料性能的基礎(chǔ)上，特別考慮對(duì)再生混合料長(zhǎng)期性能的影響，最大程度提高RAP用量。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 原材料與級(jí)配

考慮到評(píng)價(jià)高摻量RAP和橡膠粉對(duì)瀝青混合料性能的影響，使用RAP含量較高，采用的新瀝青為SK90，基本性能見表1所示；橡膠粉為40目，制備瀝青混合料時(shí)采用三種不同百分比的橡膠粉(瀝青重量的0%、10%和20%)濕法加入。RAP銑刨料來(lái)源于河南南陽(yáng)某中等交通等級(jí)的干線公路，自該路段的不同區(qū)域取三種RAP試樣，在室內(nèi)進(jìn)行破碎和篩分后，對(duì)該試樣進(jìn)行了瀝青抽提，分別得到老化瀝青含量為5.0%、4.8%和5.3%。舊集料和摻入的新集料其基本技術(shù)性能均滿足相應(yīng)規(guī)范要求[7]，根據(jù)舊集料級(jí)配情況及規(guī)范當(dāng)中推薦的級(jí)配參考范圍，得出了再生混合料的合成級(jí)配，RAP材料的摻量分別為混合料重量的0%、20%、40%和60%，舊集料及合成級(jí)配見表2所示。

表1 SK90瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

表2 RAP舊料及合成級(jí)配

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件制作

以普通熱拌瀝青混合料(HMA)作為對(duì)照組，每種混合料均采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾法制作試件并進(jìn)行配合

比設(shè)計(jì)。首先將新集料加熱至175℃保持24h，將RAP材料加熱至150℃保持2h，將純?yōu)r青加熱至135℃，用于制備對(duì)比組混合料(控制組)，將橡膠粉改性結(jié)合料加熱至粘度為170(cSt)的溫度和280(cSt)的溫度，分別用于瀝青結(jié)合料攪拌和混合料壓實(shí)；然后將新集料、RAP材料和新瀝青在攪拌機(jī)中攪拌兩分鐘。確定新加瀝青含量，結(jié)果見表3。制備旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試樣，用于不同瀝青混合料的性能測(cè)試，空隙率控制在4%左右(除了水敏感性試驗(yàn)所用試件外)。

表3 不同混合料新加瀝青油石比

由表3發(fā)現(xiàn)：由于混合料中RAP材料的舊瀝青含量增加，混合料新加瀝青的含量隨著RAP百分比的增加而減少，在RAP的所有百分比中，通過(guò)添加0%～20%的橡膠粉，新加瀝青含量大約最多增加1.5%。

2 試驗(yàn)方法

2.1 間接拉伸強(qiáng)度

試驗(yàn)溫度25℃，以50mm/min的恒定速率進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)，按照規(guī)范上的公式計(jì)算抗拉強(qiáng)度。

斷裂能和抗拉強(qiáng)度是同時(shí)用于評(píng)估瀝青混合料抗裂性能的兩個(gè)參數(shù)，斷裂能定義為在試樣中產(chǎn)生單位面積裂紋所做的功，等于混合料破壞的荷載-變形曲線下的面積。

2.2 水敏感性

瀝青混凝土中水分的存在會(huì)削弱集料和瀝青之間的粘結(jié)性，從而導(dǎo)致混合料的性能退化，并降低瀝青路面的承載能力。進(jìn)行水敏感性評(píng)價(jià)時(shí)每種混合料類型選擇6個(gè)試樣，其空隙率為7%±1%。三個(gè)樣品在55%～80%飽和水平下進(jìn)行真空飽和處理，然后進(jìn)行凍融循環(huán)(在-18℃下16h，隨后在60℃水浴中浸泡24h)。其他三個(gè)樣本保持干燥，在沒有水分狀態(tài)的情況下進(jìn)行測(cè)試?？估瓘?qiáng)度比(TSR)是經(jīng)過(guò)處理的試樣的抗拉強(qiáng)度與普通干燥條件下試樣的抗拉強(qiáng)度之比，TSR值大于0.7時(shí)的混合料相對(duì)抗水損害能力較強(qiáng)。

2.3 車轍試驗(yàn)

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)高溫下的路面性能，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳瀝青含量，采用車轍成型儀成型標(biāo)準(zhǔn)車轍板試樣，尺寸規(guī)格為400mm×400mm×50mm，在60°C溫度下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以評(píng)估試樣的高溫抗變形能力。

2.4 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

采用UTM-25試驗(yàn)儀進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的抗疲勞性能，試件尺寸為385mm×65mm×50mm，試驗(yàn)溫度為20℃，頻率為10Hz。

3 結(jié)果與討論

3.1 間接拉伸強(qiáng)度

間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明：RAP材料的加入，從0%增加到60%明顯提高了混合料的間接拉伸強(qiáng)度，而橡膠粉的加入降低了混合料的間接拉伸強(qiáng)度，因此，ITS的最小值和最大值分別是對(duì)照組混合料(0%的橡膠粉和0%RAP)和含有0%橡膠粉60%RAP材料的混合料，ITS值分別為758MPa和1575MPa。另外，含有10%和20%橡膠粉的試樣相比，ITS值略有下降，不含膠粉的高RAP摻量混合料與含膠粉率較高的高RAP摻量混合料相比，其值差異顯著。例如，RAP含量為20%和40%的不含膠粉的混合料，其值相差約236kPa，當(dāng)膠粉含量為10%同等條件下，兩者之差約為189kPa，膠粉含量為20%，兩者之差約為67kPa，說(shuō)明橡膠粉對(duì)含RAP混合料具有一定的硬化效果，其摻量不宜過(guò)高。

不同混合料的斷裂能計(jì)算結(jié)果如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)：含有RAP的混合料在開裂前吸收的能量較少，而添加橡膠粉后，混合料吸收能量的能力大幅增

圖2 瀝青混合料試件斷裂能

加；隨著RAP含量的增加，斷裂能降低(除了橡膠粉10%、RAP60%的試樣)，隨著膠粉含量的增加，斷裂能增加。摻入10%的膠粉后，混合料的斷裂能較對(duì)照組明顯提高，當(dāng)膠粉摻量增加到20%時(shí)，斷裂能略有降低。此外，不同RAP摻量含10%的橡膠粉混合料其吸收能量差異也遠(yuǎn)低于其它混合料，而且對(duì)于RAP含量較高的混合料，斷裂能吸收效果更好。

3.2 水敏感性

通常較高的ITS和TSR值表明混合料具有良好的抗水敏感性。潮濕狀態(tài)下混合料試件的間接抗拉強(qiáng)度如圖3所示，圖3表明，潮濕試件的ITS值隨著改性混合料中橡膠粉摻量的增加而小幅度減小，而與RAP百分比無(wú)關(guān)，主要原因是橡膠粉的加入提高了瀝青結(jié)合料的粘度，橡膠對(duì)輕質(zhì)油的吸收導(dǎo)致橡膠顆粒體積增大的結(jié)果，油量的減少可能會(huì)抑制改性結(jié)合料充分裹敷集料表面的能力，從而導(dǎo)致橡膠粉、結(jié)合料和集料之間的潛在粘結(jié)損失[8]。此外，隨著混合料中RAP含量的增加，潮濕試件的ITS值增加。

圖3 潮濕狀態(tài)下混合料試件的間接抗拉強(qiáng)度

如圖4所示TSR值可以發(fā)現(xiàn)：含有20%和40%RAP、10%橡膠粉的混合料試樣，20%RAP、20%橡膠粉試樣，其拉伸強(qiáng)度比(TSR)值小于0.7。這些數(shù)值說(shuō)明含10%橡膠的試樣具有更顯著的吸水性，水敏感性較強(qiáng)。在這種情況下，可能需要更高摻量的RAP以達(dá)到滿意的TSR值，或需要額外的抗剝落添加劑，以提高混合料的抗水損性能。

圖4 混合料試件的TSR值

3.3 車轍深度

如圖5所示車轍試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著橡膠粉用量的增加，車轍深度減小(即抗永久變形能力增加)。因此，HMA車轍深度最大；另外，隨著混合料中RAP摻量的增加，混合料的車轍深度減小，這是由于添加橡膠粉和RAP材料使混合料變硬，新結(jié)合料與老化結(jié)合料的摻入使再生瀝青混合料的強(qiáng)度增大，混合料的柔韌性降低。與瀝青路面的間接抗拉強(qiáng)度相比，其重復(fù)加載的抗車轍性能受影響較大，橡膠粉和RAP材料可以顯著提升混合料的抗永久變形能力。

圖5 混合料試件的車轍深度

3.4 疲勞壽命

疲勞開裂與重復(fù)交通荷載有關(guān)，影響路面的各種使用性能，是路面最突出的破壞模式之一。研究發(fā)現(xiàn)含RAP的混合料其疲勞壽命縮短是最重要的缺點(diǎn)之一，隨著RAP材料含量的增加，疲勞壽命降低的幅度增加；加入橡膠粉可以緩和疲勞壽命的降低，因此，通過(guò)在再生混合料中添加橡膠粉，在不顯著降低混合料疲勞壽命的情況下提高再生混合料中RAP材料的含量。

圖6為混合料試件的勁度模量，由圖6發(fā)現(xiàn)：通過(guò)添加RAP材料，混合料的勁度模量顯著增加，不含添加劑的HMA混合料勁度模量最低，RAP含量為60%的混合料勁度模量最高。這是由于瀝青在混合料中加入RAP材料的老化結(jié)合料變硬所致；研究還發(fā)現(xiàn)，橡膠粉的加入降低了混合料的勁度模量，這是由于橡膠粉的加入減少了混合料的老化，提高了混合料的彈性能力。

圖7顯示了混合料試件的疲勞壽命，可以發(fā)現(xiàn)：隨著RAP含量的增加混合料的疲勞壽命降低，這是由于老化結(jié)合料對(duì)混合料的影響導(dǎo)致混合料硬化，降低了混合料的抗疲勞性能。在混合料中加入橡膠粉，提高了混合料的疲勞壽命，歸因于老化影響因素減弱、且混合料的彈性增加[9]。與不添加橡膠粉的混合料相比，添加10%的橡膠粉，疲勞壽命提高；添加20%的橡膠粉，疲勞壽命提高的幅度減小，主要原因是在瀝青中加入橡膠粉，改性結(jié)合料中的橡膠顆粒在瀝青存在的情況下會(huì)膨脹，結(jié)合料中的一些較輕組分(芳香油)被吸收，從而增加混合料的彈性和柔韌性；但當(dāng)含量超過(guò)10%時(shí)，橡膠粉起到了填充作用，沒有足夠的輕質(zhì)組分被吸收，高于10%的膠粉顆粒仍留在瀝青中，導(dǎo)致膠粉成為瀝青中的主導(dǎo)相，從而瀝青延展性和集料覆蓋率降低，疲勞性能相應(yīng)下降[9]。因此，10%橡膠粉是一種合適的摻量，當(dāng)其含量超過(guò)10%時(shí)，其摻量越高，疲勞壽命越低，瀝青與集料的混合越困難。

4 結(jié)論

(1)RAP材料的使用降低了新瀝青結(jié)合料的含量，而橡膠粉的使用增加了最佳瀝青含量。

(2)RAP材料的增加，新結(jié)合料與RAP材料老化結(jié)合料的混合，導(dǎo)致混合料變硬、柔韌性降低，橡膠粉以10%左右摻入時(shí)瀝青混合料的斷裂能最高，對(duì)瀝青路面的抗裂性能有積極作用。

(3)隨著RAP在混合料中所占比例增加，橡膠粉能使再生瀝青混合料的抗車轍性能顯著提高。

(4)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，在不顯著降低瀝青混合料的性能時(shí)，橡膠粉宜采用摻量為10%，RAP材料可使用40%。