含有高摻量RAP料的高速公路瀝青混合料的性能評價

劉慧軍（石家莊交通勘察設(shè)計院，石家莊 050000）

含有高摻量RAP料的高速公路瀝青混合料的性能評價

劉慧軍
（石家莊交通勘察設(shè)計院，石家莊 050000）

主要研究了含有高摻量RAP料（最高達(dá)50%）的熱拌瀝青混合料路面的水穩(wěn)定性。通過對比路面取芯與室內(nèi)成型試件性能，得出了相關(guān)結(jié)論。結(jié)果表明，含有50%摻量RAP料的熱拌瀝青混合料具有可以接受的抗水損害和抗斷裂的性能。多重凍融循環(huán)試驗提供了更好的分析混合料抗水損害能力的方法。綜合而言，室內(nèi)成型的試件可以用來評價實際工程中的混合料的抗水損害。

高摻量RAP料；熱拌瀝青混合料；水穩(wěn)定性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.042

1　引言

廢舊瀝青混合料（RAP）已經(jīng)在熱拌瀝青混合料路面中使用很多年了，并且由于廢棄物填埋場場地的有限，高質(zhì)量新料的減少和瀝青高昂的價格而日益收到歡迎。雖然許多公路部門都已經(jīng)意識到使用RAP料的好處，但是在熱拌瀝青混合料尤其是在面層材料中使用高含量的RAP料（多于25%），與每年能夠提供的RAP料比較而言，仍然很少。含有高摻量的RAP料的熱拌瀝青混合料在抗疲勞性、抗裂性和水穩(wěn)定性這3個方面受到研究者的關(guān)注。

因此,改進設(shè)計和分析含有高含量RAP料的熱拌瀝青混合料性能的方法就顯得很有必要。當(dāng)RAP料含量較低時，RAP料也許并不足以顯著影響新的混合料的性能。但是，當(dāng)RAP料含量高的時候，高硬度的RAP料使得混合料變硬，這有益于新混合料的抗車轍性，但是對其抗裂性能不利。

熱拌瀝青混合料級配設(shè)計的原則是推薦一種能夠承受交通和環(huán)境綜合作用的混合料級配[1]。因此,評價各級配組成對混合料性能（例如：抗車轍性能、疲勞性能和抗溫度裂縫性能）的影響是極為重要的。由于新舊料間復(fù)雜的作用，混合料中RAP料的存在對設(shè)計師是一個挑戰(zhàn)。熱拌瀝青混合料中的RAP料能夠提高混合料的抗車轍性能，但會危及其抗疲勞性能和抗溫度裂縫性能。在熱拌瀝青混合料中摻入RAP料成功的關(guān)鍵是具有評估其對路面性能影響的能力以及認(rèn)識到關(guān)于材料和加載條件兩者的獨特性。

在熱拌瀝青混合料中使用RAP料的一個考慮是RAP料對混合料水損害敏感性的影響。瀝青混合料的水穩(wěn)定性是其長期性能的重要因素。水損害是表明混合料受水作用以后自身總體強度或者剛度的降低。如果一種瀝青混合料容易受到水損害，那也意味著它最終會受到4種破環(huán)形式（車轍、疲勞、溫度裂縫和剝落）的任意一種。

本文針對含有0%、15%和50%RAP料的室內(nèi)成型試件和試驗路段取芯試件進行了研究。對所有的混合料都進行了水穩(wěn)定性評價和抗溫度裂縫性能的評價，并論述了試驗路段取芯試件和室內(nèi)成型試件的性能比較。

2　試驗設(shè)計

該試驗段位于河北省內(nèi)一條高速公路。整個試驗段全長27.36km，其中用于作對比試驗的不含RAP料的熱拌瀝青混合料路段長9.67km。試驗段于2009年9月鋪筑，分為高度為5.1cm的熱拌瀝青路面、含15%RAP料和50%RAP料的新瀝青性能等級不變的瀝青路面和含50%RAP料的新瀝青性能等級改變的瀝青路面4段。下面的結(jié)構(gòu)為2008年鋪筑的高10.2cm的含50%RAP的熱拌瀝青混合料下面層、基層和土基。除了含50%RAP料的一段熱拌瀝青路面所用的新瀝青其瀝青性能分級有變化（為Pen200-300，按針入度分級），其余3段瀝青路面所用瀝青的瀝青性能分級都是PEN 150-200。

在施工現(xiàn)場用攤鋪螺旋鉆機在鋪面過程中取松散的混合料就地成型試件，這些混合料稱為現(xiàn)場制作的，標(biāo)記為F-0% -150，F(xiàn)-15%-150，F(xiàn)-50%-150和F-50%-200。標(biāo)記的含義，舉例而言，F(xiàn)-0%-150指的是不含RAP料的與PEN 150-200瀝青拌合成型的試件，而F-50%-200指的是含50%RAP料的與PEN 200-300瀝青拌合成型得到的試件。將冷的礦料、瀝青膠結(jié)料和各種摻量的RAP料在當(dāng)?shù)氐陌韬蠌S進行拌合并成型。所有的原材料也將用于室內(nèi)成型試件。對應(yīng)的室內(nèi)成型試件標(biāo)記為：L-0%-150，L-15%-150，L-50%-150和L-50%-200。

預(yù)估水損害考慮多次凍融循環(huán)。水穩(wěn)定性用有約束的和無約束的劈裂試驗進行評價，同時，也考慮多次凍融循環(huán)劈裂試驗的凍融劈裂強度比。

根據(jù)瀝青路面規(guī)范中的PG性能分級對廠拌瀝青混合料和室內(nèi)成型試件所用混合料的新的瀝青膠結(jié)料、RAP料中的舊瀝青和新舊料拌合后回收的瀝青膠結(jié)料進行性能分級。所有回收的膠結(jié)料通過使用離心機萃取并使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在由按體積比為85%甲苯和15%乙醇的溶液中回收得到。在壓力老化容器中檢測回收瀝青膠結(jié)料的初始性能、短期老化性能（薄膜加熱TFOT）和長期老化性能（PAV壓力老化）并對其進行性能分級。為了模擬現(xiàn)場老化，將室內(nèi)拌合的混合料放在135℃的強制通風(fēng)的烘箱中進行4h的短期老化。圖1列出了各種瀝青膠結(jié)料的臨界溫度。臨界溫度指的是瀝青膠結(jié)料剛好滿足Superpave規(guī)范的合適的特定溫度。表1列出了Superpave規(guī)范規(guī)定的瀝青膠結(jié)料PG性能分級的溫度要求。

圖1　各種瀝青膠結(jié)料的PG性能分級溫度

表1　各種瀝青膠結(jié)料的SuperpavePG性能分級溫度要求℃

從試驗數(shù)據(jù)中可以得到以下結(jié)論：

1）Pen150-200和Pen200-300的低溫溫度相差僅2℃，但高溫溫度卻相差了5℃。

2）不論是現(xiàn)場拌合混合料還是室內(nèi)拌合混合料，當(dāng)采用PG58-28瀝青時，混合料中增加RAP料含量會導(dǎo)致新混合料回收瀝青的高溫溫度和低溫溫度變高。

3）平均而言，不論RAP料的含量，現(xiàn)場拌合生產(chǎn)的新混合料的回收瀝青的高溫溫度和低溫溫度比室內(nèi)拌合的混合料的回收瀝青的溫度高，分別平均高2.4℃和1.2℃。換句話說，現(xiàn)場拌合的混合料的回收瀝青比室內(nèi)拌合混合料的回收瀝青硬。這意味著：將室內(nèi)拌合的混合料放在135℃的強制通風(fēng)的烘箱中進行4h的短期老化并不能模擬施工現(xiàn)場的老化條件。

4）從F-50%-200和L-50%-200混合料回收的瀝青比從F-50%-150和L-50%-150混合料回收的瀝青軟，高溫溫度分別高4.0℃和4.2℃。

總之，含有0%和15%RAP料的混合料的PG性能分級符合當(dāng)?shù)氐腜G要求。含有50%RAP料的混合料的高溫溫度滿足或超過了58℃的PG要求，但是低溫溫度不滿足-28℃的低溫溫度要求。這個結(jié)論與新瀝青的性能等級變化與否無關(guān)。使用較軟的瀝青（如PG52-34）并摻入50%RAP料的混合料的低溫溫度并沒有降低到PG性能分級要求的溫度。正如之前提到的，Pen150-200和Pen200-300的低溫溫度相差僅2℃，這并能明顯改變新混合料的瀝青的低溫性能。由于不想增加瀝青粘結(jié)劑的使用，本文就只使用了唯一能夠得到的商業(yè)用途的軟瀝青也就是Pen200-300。

3　試驗結(jié)果分析

本文評價混合料的水穩(wěn)定性是通過比較多次凍融循環(huán)條件下浸水和不浸水試件的劈裂強度以及凍融劈裂抗拉強度比TSR值來進行的。多重凍融循環(huán)條件遵照規(guī)范進行。將15個試件分成3組，直徑4英寸，并且以馬歇爾擊實儀控制孔隙率在（7依0.5）%，每5個試件為1組，分別為不浸水、浸水并凍融循環(huán)1次和浸水并凍融循環(huán)3次。之所以進行3次凍融循環(huán)是因為有試件在4次凍融循環(huán)時已經(jīng)發(fā)生破環(huán)。每個試件按以下程序進行試驗：

1）檢測不浸水條件下的劈裂強度；

2）使剩余的10個試件浸水，并達(dá)到75%依5%的飽水率；

3）將試件進行凍融循環(huán)，1次標(biāo)準(zhǔn)的凍融循環(huán)為：-18℃下保溫16h，取出放入60℃恒溫水槽中保溫24h，最后再放入25℃水中保溫2h；

4）分別測量1次和3次凍融循環(huán)后的劈裂強度；

5）計算1次和3次凍融循環(huán)后的凍融劈裂抗拉強度比TSR值。

水穩(wěn)定性評定標(biāo)準(zhǔn)：25℃下不浸水的劈裂強度為0.483MPa，1次凍融循環(huán)后的凍融劈裂抗拉強度比TSR值不小于80%。圖2列出了所有現(xiàn)場成型試件和室內(nèi)成型試件的劈裂試驗和凍融劈裂試驗的結(jié)果，誤差線代表95%強度保證率的區(qū)間。置信區(qū)間的重疊表明不同混合料測得的劈裂強度值相似。圖2結(jié)果表明，所有的混合料都滿足劈裂強度的最低要求和1次凍融循環(huán)試驗后的TSR值要求。沒有混合料需要在施工時添加減水劑以達(dá)到Superpave對于水穩(wěn)定性即1次凍融后TSR值不小于80%范圍的要求。然而，所有的混合料在3次凍融循環(huán)后TSR值均小于80%。

圖2　混合料類型

圖2中的數(shù)據(jù)表明廠拌和室內(nèi)拌合的含有RAP料的混合料試件無論在1次還是3次凍融循環(huán)條件下的不浸水劈裂強度和劈裂強度均比不含RAP料的混合料的高。在所有混合料3次凍融循環(huán)后劈裂強度均會顯著降低。因此，與不含RAP料的新料相比，在熱拌瀝青混合料中加入RAP料并沒有增加其水損害的概率。

應(yīng)用0.05顯著水平下的成對均值比較分析法來判定現(xiàn)場和室內(nèi)成型的試件的劈裂強度有否有統(tǒng)計上的顯著差異。結(jié)論如下：

1）總體而言，室內(nèi)成型的試件的劈裂強度在統(tǒng)計意義上類似于或者統(tǒng)計學(xué)上顯著高于現(xiàn)場成型的試件的劈裂強度。換句話說，室內(nèi)成型的試件的劈裂強度和耐久性明顯好于相應(yīng)的現(xiàn)場成型的試件；

2）在0次或1次凍融循環(huán)條件下，室內(nèi)成型的含有15% RAP料的混合料試件的劈裂強度明顯高于現(xiàn)場成型的試件，3次凍融循環(huán)條件下卻與它們類似；

3）室內(nèi)成型的含有50%RAP料的混合料試件的劈裂強度與現(xiàn)場成型的試件的強度類似，但是室內(nèi)成型的用PG58-28瀝青拌合的試件在不浸水條件下的劈裂強度高于現(xiàn)場成型的試件，室內(nèi)成型的用PG52-34瀝青拌合的試件在3次凍融循環(huán)條件下的劈裂強度低于現(xiàn)場成型的試件。

總之，室內(nèi)試驗結(jié)果可以大致用來評估廠拌混合料的水穩(wěn)定性。對室內(nèi)成型試件的劈裂強度進行排序，其順序與對現(xiàn)場成型的試件的劈裂強度排序基本相似。

4　結(jié)語

本文研究了最高達(dá)到50%RAP料的廠拌和室內(nèi)拌合成型試件的性能，其中，用先進的技術(shù)評價了含高摻量RAP料的混合料的水穩(wěn)定性。本文的主要結(jié)論如下：

1）多重凍融循環(huán)條件是評價混合料的水穩(wěn)定性更好的方法。

2）多重凍融循環(huán)條件下的試驗結(jié)果表明：使用50%RAP料的混合料的水穩(wěn)定性并沒有明顯減小。

3）室內(nèi)成型的試件的劈裂強度比現(xiàn)場成型的試件的劈裂強度高或相似。

綜上所述，含有50%RAP料的熱拌瀝青混合料有可以令人接受的水穩(wěn)定性，當(dāng)使用較軟的瀝青PG52-34瀝青時，其水穩(wěn)定性更好。需要繼續(xù)研究PG52-34瀝青與RAP料作用下的水穩(wěn)定性更好的一致性。本文的試驗結(jié)果也表明室內(nèi)成型的試件的水穩(wěn)定性能可以用來預(yù)估現(xiàn)場混合料的相關(guān)性能。但至于是否可用室內(nèi)成型試件的其他性能來預(yù)估現(xiàn)場混合料的相關(guān)性能呢，還有待進一步研究。

【1】查旭東，閔斌.RAP摻量對熱再生瀝青混合料性能影響分析[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（4）：1-8.

【2】王勛.高比例RAP廠拌熱再生瀝青混合料微觀激勵與性能實驗研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

【3】李偉.50%摻量RAP面層瀝青混合料性能研究[J].湖南交通科技，2015（3）：25-50.

Performance Evaluation of Highway Asphalt M ixtures w ith High Recycled Asphalt Pavement Content

LIU Hui-jun
（Shijiazhuang TrafficSurveyand Design Institute,Shijiazhuang 050000,China）

This study extensively evaluated the resistance to moisture damage of hot-m ixasphalt(HMA)mixtures w ith high recycledasphaltpavement(RAP)content(up to50%).A comparisonbetween thepropertiesand performanceof thefield-producedand laboratory-producedm ixtureswasalso conductedandwasincluded in thisstudy.HMAm ixtureswith50%RAP resultedinacceptable resistance to moisture damage.Theuse of multiple freeze-thaw cycles provided a better characterization ofthe m ixtures'resistance to moisturedamage.Overall,laboratory-producedm ixturescouldbeused toevaluatetherelativeresistanceofthe field-producedm ixtures tomoisturedamage.

high recycledasphaltpavement;hot-m ixasphalt;moisturedamage

U414

A

1007-9467（2016）11-0140-04

劉慧軍（1972～）,男，河北石家莊人，高級工程師，從事道路橋梁設(shè)計與研究。

2016-05-05