高學(xué)凱， 賀文棟， 周新星,2

(1.山西省交通科技研發(fā)有限公司， 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 太原 030032；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室， 武漢 430070)

隨著公路建設(shè)的不斷推進，中國瀝青路面已邁入“建養(yǎng)并重”時代[1]。就地?zé)嵩偕夹g(shù)作為瀝青路面新興的養(yǎng)護手段，可以100%利用舊料資源、降低工程造價、保護生態(tài)環(huán)境[2]，并且在響應(yīng)中國“十四五循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃”與“碳達峰碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)中優(yōu)勢突出，因而得到了道路專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

文獻[3-5]研究了碾壓溫度、再生劑摻量、級配組成等對就地?zé)嵩偕鸀r青混合料體積參數(shù)及路用性能的影響規(guī)律。文獻[6]對四種不同結(jié)構(gòu)形式的就地?zé)嵩偕置婀こ淌褂眯阅苓M行了對比評價。單崗等[7]研究了就地?zé)嵩偕访娓邷丶訜釋Σ煌疃壤匣癁r青的流變特性影響。文獻[8-9]研究了不同加熱方式對就地?zé)嵩偕访嫘阅艿挠绊?。不難看出，目前瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)的研究以施工應(yīng)用為導(dǎo)向，主要聚焦于施工工藝優(yōu)化、材料組成設(shè)計及性能提升。然而，由于就地?zé)嵩偕鸀r青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論尚不完善，即使就地?zé)嵩偕鸀r青混合料各項路用性能滿足規(guī)范要求，施工完成的再生路面仍然在早期出現(xiàn)車轍、裂縫等病害[10-11]。

在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，動態(tài)模量是尤為重要的力學(xué)參數(shù)之一。中國《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG T 5521—2019)尚未提出就地?zé)嵩偕鸀r青混合料動態(tài)模量的建議取值范圍，若直接取用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)中對于普通熱拌瀝青混合料的動態(tài)模量進行路面結(jié)構(gòu)驗算，顯然存在一定的安全隱患。

基于此，動態(tài)剪切流變試驗和彎曲流變試驗確定了再生劑最佳摻量，并對就地?zé)嵩偕旌狭?RAC-13)及SBS改性瀝青混合料(AC-13、SMA-13)在不同溫度及頻率下進行單軸壓縮動態(tài)模量試驗研究，以期提出就地?zé)嵩偕鸀r青混合料動態(tài)模量的發(fā)展規(guī)律，試驗結(jié)果可為就地?zé)嵩偕访娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒與參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 舊路面材料

從某高速公路維修路段銑刨回收舊路面材料(reclaimed asphalt pavement,RAP)并對其相關(guān)指標(biāo)進行檢測，結(jié)果如表1所示?？梢钥吹剑访娌牧系臑r青針入度、延度較低且已不滿足規(guī)范使用要求，表明該路面經(jīng)長期行車荷載及環(huán)境作用下瀝青老化程度較高，因而需要添加再生劑恢復(fù)其路用性能。

表1 RAP技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 再生劑

所用再生劑為市購維特根再生劑，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.1.3 SBS改性瀝青

所用RAC-13新加瀝青、AC-13及SMA-13拌合瀝青均采用SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 再生劑技術(shù)指標(biāo)

表3 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.4 玄武巖纖維

SMA-13瀝青混合料中需添加纖維以起到加筋、分散、穩(wěn)定等作用[12]，本文中用為玄武巖纖維，其技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗方法

1.2.1 再生瀝青流變性能試驗

以9%、12%、15%再生劑摻量制備再生瀝青(原瀝青記為AA，再生瀝青記為RA)，分別進行動態(tài)剪切流變(dynamic shear rheological，DSR)試驗與彎曲梁流變(bending beam rheoological, BBR)試驗以確定其高、低溫流變性能及再生劑最佳摻量。其中，動態(tài)剪切流變試驗條件為：試驗溫度46～82 ℃(間隔6 ℃)，應(yīng)變控制水平12%。彎曲梁流變試驗條件為：試驗溫度-12～-24 ℃(間隔-6 ℃)，980 mN 加載240 s，卸載10 s。

1.2.2 再生混合料動態(tài)模量試驗

(1)配合比設(shè)計。瀝青路面在長期運營及就地?zé)岚宜傻倪^程中不可避免地造成集料級配細化，因而再生瀝青混合料需添加新集料對級配進行優(yōu)化，所有用就地?zé)嵩偕旌狭虾铣杉壟錇?0% RAP+10%新料(記為RAC-13)。同時，以普通熱拌連續(xù)級配AC-13和間斷級配SMA-13作為參照，三種類型瀝青混合料設(shè)計級配如表5所示。

(2)動態(tài)模量試驗。采用馬歇爾試驗確定RAC-13、AC-13、SMA-13的最佳油石比分別為5.1%、5.0%、5.9%，在此基礎(chǔ)上使用UTM-130設(shè)備進行瀝青混合料動態(tài)模量試驗。試驗溫度為5、20、35、50 ℃，加載頻率為0.1、0.5、1、5、10、25 Hz。試驗按照溫度由試驗按照溫度由低到高、頻率由高到低進行，試驗具體步驟可參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范》(JTG E20—2011)T 0738進行，試驗過程示意圖如圖1所示。

表5 瀝青混合料設(shè)計級配

圖1 動態(tài)模量試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic modulus test

2 結(jié)果與討論

2.1 再生瀝青流變性能

2.1.1 再生瀝青高溫性能

DSR試驗可以獲得瀝青動態(tài)剪切模量G*與相位角δ兩個黏彈性參數(shù)，SHRP(strategic highway research program)規(guī)范中采用車轍因子G*/sinδ評判瀝青高溫等級，并要求G*/sinδ不小于1.0 kPa[13]。本研究不同溫度及再生劑摻量下瀝青的車轍因子計算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，瀝青車轍因子隨著溫度升高、再生劑摻量增加而降低，溫度與再生劑對瀝青動態(tài)剪切流變性能的影響相類似。按照SHRP規(guī)范評級標(biāo)準(zhǔn)，原老化瀝青高溫等級為PG76，當(dāng)再生劑摻量為9%～15%時，瀝青高溫等級為PG70～PG64，再生劑摻入降低瀝青高溫等級6～12 ℃。

圖2 車轍因子-溫度變化曲線Fig.2 Rutting factor-temperature curve

2.1.2 再生瀝青低溫性能

BBR試驗可以得到不同時刻瀝青小梁彎曲勁度模量S與蠕變速率變化率m。SHRP規(guī)范針對瀝青低溫等級要求60 s時S≤300 MPa且m≥0.3[14]。不同溫度t及再生劑摻量下再生瀝青BBR試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看到，隨著再生劑摻量的增加，瀝青勁度模量降低而蠕變速率變化率升高。根據(jù)SHRP分級標(biāo)準(zhǔn)，原老化瀝青低溫等級為PG-16，當(dāng)再生劑摻量為9%～15%時，再生瀝青低溫等級均為PG-28，再生劑摻入提高瀝青低溫等級 12 ℃。綜合考慮其高、低溫使用性能，選擇12%摻量作為最佳摻量進行下述試驗研究。

圖3 再生瀝青PG分級Fig.3 Recycled asphalt PG classification

2.2 再生混合料動態(tài)力學(xué)特性

不同試驗條件下瀝青混合料的動態(tài)模量與相位角試驗結(jié)果如圖4所示。其中，動態(tài)模量表征了瀝青混合料抗變形能力的大小，其值越大則抗變形能力越強[15]。從圖4可以看到，三種瀝青混合料的動態(tài)模量隨著頻率增加而增大，隨溫度的升高而減小，此種趨勢與瀝青混合料級配或膠結(jié)料類型無關(guān)，但在相同試驗條件下三種瀝青混合料動態(tài)模量大小均為：RAC-13>SMA-13>AC-13，這表明就地?zé)嵩偕旌狭峡棺冃文芰σ獌?yōu)于普通熱拌瀝青混合料。中國瀝青路面設(shè)計規(guī)范采用瀝青混合料在20 ℃、10 Hz下的動態(tài)模量作為設(shè)計值進行路面結(jié)構(gòu)計算，在該試驗條件下，RAC-13的動態(tài)模量達到8 002 MPa，分別為AC-13、SMA-13的1.6、1.1倍。這主要與就地?zé)嵩偕鸀r青混合料中高RAP摻量相關(guān)，一方面RAP中的瀝青在老化過程與集料的黏附性進一步提高，另一方面RAP中的瀝青雖與再生劑、新瀝青調(diào)和軟化，但其黏結(jié)力依然優(yōu)異。

另一方面，瀝青混合料作為一種黏彈性材料，相位角可以反映其內(nèi)部的黏彈比例，相位角越大則表明其黏性成分越高[16]。從上述試驗結(jié)果可以看出，在相同頻率下，三種瀝青混合料的相位角隨溫度升高先增大后減??；當(dāng)溫度高于20 ℃時，瀝青混合料的相位角隨頻率增加而增加，當(dāng)溫度低于20 ℃則相反。同時可以觀察到，在相同溫度及頻率條件下，三種瀝青混合料的相位角大小并未呈現(xiàn)出一致性，這是因為瀝青混合料受自身材料與結(jié)構(gòu)組成的影響，在相同試驗條件下其黏性與彈性的貢獻比例并不相同，譬如在高溫時SMA-13的抗變形能力主要依賴其骨架級配，而RAC-13和AC-13的抗變形能力則更多借助于瀝青膠結(jié)料的黏度。

圖4 動態(tài)模量試驗結(jié)果Fig.4 Dynamic modulus test results

2.3 再生混合料動態(tài)模量與相位角主曲線

瀝青路面的實際工作狀態(tài)處于更寬廣的溫度及荷載頻率下，將所有的溫度與頻率進行試驗研究其工作量無疑是巨大的，且室內(nèi)難以滿足一些極端條件狀況。因此，可以利用時溫等效原理將不同溫度下瀝青混合料的動態(tài)模量或相位角進行平移，并結(jié)合數(shù)值模型擬合以得到任意頻率下瀝青混合料的力學(xué)響應(yīng)。

將20 ℃設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)溫度，利用時溫等效原理計算位移因子，將其他溫度條件下的動態(tài)模量和相位角進行平移后，采用CAM模型擬合得到三種瀝青混合料動態(tài)模量與相位角主曲線，該模型中動態(tài)模量和相位角的表達式[17]為

(1)

(2)

圖5和表6分別為瀝青混合料動態(tài)模量主曲線及其擬合參數(shù)?？梢钥吹?，三種瀝青混合料的動態(tài)模量隨頻率呈現(xiàn)出“S”形特征，即當(dāng)頻率趨于無限大或無限小時，其動態(tài)模量趨于固定值，分別對應(yīng)表6中的擬合參數(shù)Gg與Ge。在10-4～102Hz荷載頻率范圍內(nèi)，三種瀝青混合料的動態(tài)模量大小為：RAC-13>SMA-13>AC-13。根據(jù)時溫等效原理，低頻(高頻)與高溫(低溫)對瀝青路面具有相同的力學(xué)響應(yīng)[18]，這說明就地?zé)嵩偕鸀r青混合料在中高溫范圍內(nèi)具有出色的抗變形能力。當(dāng)f<10-4Hz 時，三者動態(tài)模量大小為：SMA-13>RAC-13>AC-13，這說明隨著溫度的進一步升高，RAC-13的抗變形能力要差于SMA-13，且逐漸接近于AC-13，這與文獻[10]的調(diào)研結(jié)果相吻合。表6的擬合參數(shù)fc為瀝青混合料彈性閾值，fc越高其抗裂性越好[17]，三種瀝青混合料fc大小為AC-13>SMA-13≈RAC-13，這說明AC-13的低溫抗裂性最好而RAC-13與SMA-13相當(dāng)。

圖6和表7分別為瀝青混合料相位角主曲線及擬合參數(shù)。可以觀察到，三種瀝青混合料相位角隨頻率呈現(xiàn)出鐘形曲線關(guān)系。當(dāng)頻率小于0.01 Hz時，三者相位角大小為：AC-13>SMA-13>RAC-13；當(dāng)頻率高于0.01 Hz時，三者相位角大小為：AC-13>RAC-13>SMA-13。說明在全溫度范圍內(nèi)AC-13瀝青混合料黏性比例最高，RAC-13在低溫時黏性比例高于SMA-13而在高溫時則相反，就地?zé)嵩偕鸀r青混合料內(nèi)部黏彈性可以恢復(fù)到普通熱拌瀝青混合料相當(dāng)?shù)乃健?/p>

圖5 動態(tài)模量主曲線Fig.5 Dynamic modulus master curve

表6 動態(tài)模量主曲線擬合參數(shù)

圖6 相位角主曲線Fig.6 Phase angle master curve

表7 相位角主曲線擬合參數(shù)

3 結(jié)論

(1)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料動態(tài)模量與相位角受到試驗溫度與加載頻率的綜合影響，其動態(tài)模量隨頻率增加(或溫度降低)而增大，呈現(xiàn)“S”形曲線關(guān)系；相位角隨頻率增加(或溫度降低)先升高后降低，呈現(xiàn)鐘型曲線關(guān)系。

(2)在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計條件(20 ℃、10 Hz)下，就地?zé)嵩偕鸀r青混合料RAC-13動態(tài)模量分別是AC-13、SMA-13的1.6、1.1倍，其具有優(yōu)異的抗高溫抗變形能力且低溫抗裂性與SMA-13相當(dāng)。

(3)通過時溫等效原理及CAM模型可以擬合得到就地?zé)嵩偕鸀r青混合料動態(tài)模量與相位角的主曲線方程，可為就地?zé)嵩偕鸀r青路面結(jié)構(gòu)計算提供參考。