汪忠壽

(福建路橋建設(shè)有限公司，福建 福州 350000)

目前，在國(guó)內(nèi)瀝青路面被認(rèn)為是最可回收的材料之一，再生瀝青路面(RAP)包含瀝青結(jié)合料和骨料，在新的瀝青混合料中使用它可以帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。RAP的使用保護(hù)了不可再生的自然資源(瀝青和骨料)并減少獲得它們所需的能源和排放；此外，RAP材料的使用也減少了垃圾填埋場(chǎng)中建筑垃圾的數(shù)量[1]。盡管在新瀝青混合料中使用更高RAP含量具有更高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，但多個(gè)國(guó)家研究表明：僅允許在道路中使用少量RAP。一項(xiàng)調(diào)查顯示，2017年美國(guó)各地新瀝青混合料中的RAP含量穩(wěn)步上升，但摻加量仍降低于20%。有研究者對(duì)高RAP含量的瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)研究表明，RAP含量高達(dá)50%的瀝青混合料可以具有與原始材料制成的瀝青混合料相似的性能[2]。此外，在新瀝青混合料中使用更大摻量的RAP材料，再生瀝青混合料在其使用壽命期間可能更容易產(chǎn)生疲勞和低溫裂縫，這是因?yàn)镽AP中包含的瀝青混合料因老化而氧化砸化[3，4]。然而，RAP結(jié)合料的老化因來(lái)源而異，因此沒(méi)有兩種RAP來(lái)源會(huì)對(duì)RAP材料的抗裂性產(chǎn)生相同的不利影響，研究者對(duì)RAP來(lái)源和RAP結(jié)合料特性對(duì)不同RAP含量混合料斷裂特性的影響仍缺乏深入研究。

1 材料和試驗(yàn)

1.1 RAP材料中的瀝青結(jié)合料

RAP材料來(lái)自國(guó)省干線的五個(gè)不同的表面大修項(xiàng)目，從不同項(xiàng)目獲得的RAP材料中提取并回收結(jié)合料，確定提取和回收的RAP結(jié)合料的性能等級(jí)(PG)。根據(jù)獲得的PG等級(jí)，本文選擇了兩種具有不同流變特性的結(jié)合料的RAP材料。RAP-1材料的高溫和低溫等級(jí)分別為93.1 ℃、-14.3 ℃。RAP-2材料的高溫和低溫等級(jí)分別為79.9 ℃、-21.1 ℃。所選RAP材料在其服役期間經(jīng)受不同的老化和環(huán)境條件，這導(dǎo)致提取和回收結(jié)合料的PG等級(jí)存在顯著差異。

1.2 新瀝青結(jié)合料

選擇的新瀝青結(jié)合料適用于中等交通量道路的面層混合料，通常使用的是瀝青PG 64-22和PG 64-28結(jié)合料。其中PG 64-22的高溫和低溫等級(jí)分別為66.7 ℃、-22.1 ℃，PG 64-28高溫和低溫等級(jí)分別為64.9 ℃、-30.6 ℃。按照已有計(jì)算方法得出本文使用的30%、40%和50%RAP混合料中新瀝青結(jié)合料的臨界高溫和低溫。計(jì)算出的臨界低溫比本文中使用的PG 64-22更低。因此，對(duì)于RAP含量為30%、40%和50%的混合料，使用低溫等級(jí)較低的結(jié)合料(如PG 64-28)，結(jié)合料的低溫等級(jí)由m值控制。

1.3 混合料

為評(píng)估RAP材料對(duì)性能的影響，設(shè)計(jì)了幾種瀝青混合料，其中包括RAP含量為30%、40%和50%的混合料。所考慮的瀝青混合料的公稱最大骨料粒徑為12.5 mm，其設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。采用來(lái)源不同的兩種RAP材料設(shè)計(jì)時(shí)，需調(diào)整混合料中新骨料的百分比，以保持所有設(shè)計(jì)混合料的類似骨料級(jí)配，表1總結(jié)了設(shè)計(jì)混合料的性質(zhì)。

表1 混合料性能

1.4 試驗(yàn)方法

(1)半圓彎曲試驗(yàn)

采用半圓形彎曲(SCB)試驗(yàn)評(píng)估RAP混合料的疲勞開(kāi)裂性能。首先制作旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，然后將樣品分成兩半，切口的深度為15 mm，寬度為1.5 mm。試驗(yàn)時(shí)以50 mm/min的恒定加載速率向樣品施加荷載，直到發(fā)生試件破壞，試驗(yàn)期間記錄了垂直變形和荷載。

根據(jù)SCB試驗(yàn)結(jié)果，使用公式(1)和(2)分別計(jì)算斷裂能(FE)和柔度指數(shù)(FI)。FI用來(lái)評(píng)估瀝青混合料對(duì)過(guò)早開(kāi)裂的敏感性，斷裂能表示裂縫在瀝青混合料中萌生和擴(kuò)展所需的能量。使用公式(3)計(jì)算歸一化斷裂能(NFE)。

(1)

(2)

(3)

式中：FE為斷裂能；Wf為斷裂功；A為將裂縫寬度乘以其長(zhǎng)度計(jì)算出的斷裂面積；|m|為拐點(diǎn)處斜率的絕對(duì)值；A是單位換算(0.01)；σpeak為峰值應(yīng)力。

(2)間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

在25 ℃溫度下，采用50 mm/min的加載速率，對(duì)至少三個(gè)樣品進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度(IDT)試驗(yàn)。連續(xù)記錄載荷以及垂直和橫向變形。對(duì)IDT試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，用公式(4)計(jì)算韌性指數(shù)(TI)，TI描述了峰后區(qū)域的增韌特性。

(4)

式中：A3%-p為峰值應(yīng)變和3%應(yīng)變值之間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積；εp為峰值應(yīng)力下的應(yīng)變；Speak為峰值應(yīng)力。

(3)瀝青混凝土開(kāi)裂試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)樣品的低溫抗裂性，瀝青混凝土的開(kāi)裂試驗(yàn)采用瀝青混凝土開(kāi)裂裝置(ACCD)進(jìn)行測(cè)試。該試驗(yàn)首先需要獲得直徑為60 mm環(huán)形樣品。將ACCD環(huán)放置在ACCD樣品的中心孔中。然后在環(huán)境室中冷卻樣品，樣品因溫度下降而收縮受到ACCD環(huán)的限制，導(dǎo)致樣本和ACCD環(huán)出現(xiàn)應(yīng)變，記錄到試件破壞為止，得到了數(shù)據(jù)應(yīng)變-溫度曲線。ACCD開(kāi)裂溫度定義為對(duì)應(yīng)于應(yīng)變溫度曲線斜率等于最大斜率80%的位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 SCB測(cè)試結(jié)果

圖1比較了具有RAP-1和RAP-2混合料的長(zhǎng)期老化樣品的平均NFE值。具有RAP材料和PG 64-28結(jié)合料的混合料的NFE，隨著RAP含量的增加而降低。然而，RAP-2混合料的NFE值高于RAP-1混合料。這表明RAP-2混合料需要更高的能量才能開(kāi)裂，這些混合料具有更強(qiáng)的抗疲勞開(kāi)裂能力。圖2顯示了RAP-1和RAP-2混合料長(zhǎng)期老化樣品的平均FI值。與NFE類似，含有兩種RAP材料的混合料的FI值隨著RAP含量的增加而降低。然而，RAP-1混合料中FI的降低比RAP-2混合料降低更為顯著，SCB試驗(yàn)結(jié)果清楚地表明，RAP材料來(lái)源影響高摻量RAP混合料的疲勞開(kāi)裂抗力。

圖1 RAP材料的NFE值

圖2 RAP材料的FI值

方差分析結(jié)果見(jiàn)表2，在95%置信水平下，RAP來(lái)源和RAP含量對(duì)FI和NFE有顯著影響。然而，對(duì)于這兩個(gè)參數(shù)，RAP源的F值比RAP含量高得多，這表明RAP源對(duì)高RAP混合料的疲勞開(kāi)裂抗力的影響比RAP含量更為顯著。方差分析后采用最小二乘法(LSM)統(tǒng)計(jì)分析，以確定混合料在FI和NFE的排名；表3和表4顯示了方差分析LSM統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，顯然，RAP-2混合料比RAP-1混合料具有更好的抗疲勞開(kāi)裂性。

表2 SCB的方差分析結(jié)果

表3 基于最小二乘法的不同RAP源的NFE和FI分析結(jié)果

表4 基于最小二乘法的不同RAP含量的NFE和FI分析結(jié)果

2.2 IDT試驗(yàn)結(jié)果

RAP-1和RAP-2混合料的平均TI值如圖3所示。一般而言，RAP-2混合料的TI值高于RAP-1混合料的TI值，尤其是RAP含量為40%和50%的混合料。對(duì)于不同的RAP源，混合料的TI值隨著RAP含量的增加而降低。進(jìn)行方差分析以評(píng)估IDT測(cè)試結(jié)果，如表5所示。95%置信水平下，只有RAP含量對(duì)TI有顯著影響。對(duì)樣本進(jìn)行方差分析后LSM統(tǒng)計(jì)分析，以確定樣本在TI的排名，表6顯示了方差分析LSM統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果。顯然，30%和40%的RAP混合料具有統(tǒng)計(jì)上相似的TI。然而，在統(tǒng)計(jì)上，50%RAP混合料的開(kāi)裂TI值低于30%和40%RAP混合料。該結(jié)果表明，IDT試驗(yàn)可能對(duì)“RAP對(duì)瀝青混合料開(kāi)裂可能性的影響”不太敏感。

圖3 RAP-1和RAP-2混合料的平均TI值

表5 IDT試驗(yàn)結(jié)果方差分析

表6 基于最小二乘法的不同RAP含量的NFE和FI分析結(jié)果

2.3 瀝青混凝土開(kāi)裂裝置試驗(yàn)結(jié)果

圖4比較了采用RAP-1和RAP-2制備的混合料的長(zhǎng)期老化樣品的平均開(kāi)裂溫度?？梢园l(fā)現(xiàn)，所有RAP-1和RAP-2混合料的30%RAP或以上，其開(kāi)裂溫度均低于-22 ℃。這表明這些混合料具有可接受的低溫抗裂性，RAP-2混合料的開(kāi)裂溫度略低于RAP-1混合料。這表明RAP源可能會(huì)對(duì)高摻量RAP混合料的低溫抗裂性產(chǎn)生影響。進(jìn)行方差分析和方差分析后LSM分析，評(píng)估ACCD測(cè)試結(jié)果。方差分析結(jié)果如表7所示，RAP來(lái)源和RAP含量的影響在95%置信水平下對(duì)ACCD開(kāi)裂溫度沒(méi)有顯著影響。這表明，對(duì)于具有兩種RAP來(lái)源的混合料，使用較軟的結(jié)合料(PG 64-28)可有效改善和保持高摻量RAP混合料的低溫抗裂性。結(jié)果還證實(shí)了先前研究的結(jié)論，即使用具有適當(dāng)?shù)蜏匦阅艿燃?jí)的結(jié)合料，有助于確保高摻量RAP混合料具有令人滿意的低溫抗裂性。

表7 ACCD試驗(yàn)結(jié)果方差分析

圖4 RAP-1和RAP-2混合料的開(kāi)裂溫度

3 結(jié) 論

(1)RAP來(lái)源對(duì)RAP瀝青混合料的抗疲勞開(kāi)裂性有顯著影響，特別是RAP摻量超過(guò)30%，這可能是由于RAP結(jié)合料的粘結(jié)性能不同所致。

(2)使用具有適當(dāng)?shù)蜏匦阅艿燃?jí)的結(jié)合料，有助于確保高摻量RAP混合料具有令人滿意的低溫抗裂性。