廠拌熱再生瀝青混合料低溫抗裂與水穩(wěn)定性研究*

陳 龍，朱建勇，何兆益，程 永，陳先勇

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 3.貴州融達公路橋梁工程有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551700；4.重慶重交瀝青砼股份有限公司，重慶 400074)

廠拌熱再生瀝青混合料低溫抗裂與水穩(wěn)定性研究*

陳 龍1，朱建勇2，何兆益1，程 永3，陳先勇4

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 3.貴州融達公路橋梁工程有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551700；4.重慶重交瀝青砼股份有限公司，重慶 400074)

基于室內(nèi)試驗測定了回收瀝青面層材料中舊瀝青、舊集料，新加瀝青、新加集料及再生劑的各項性能指標(biāo)；通過馬歇爾試驗確定了不同類型再生瀝青混合料(AC-16C和AC-13)的最佳瀝青用量。通過低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗，分析了不同舊料摻配比例、不同舊料類型、是否添加再生劑及二次老化前后混合料的低溫抗裂性與水穩(wěn)定性。結(jié)果表明：再生瀝青混合料隨舊料摻配比例的增加低溫性能逐漸變差；短期水損害對其穩(wěn)定性影響不大，但抵抗長期水損破壞的能力卻大幅下降；舊料類型對再生瀝青混合料性能的影響關(guān)聯(lián)不大；添加7%～9%摻量的再生劑對其低溫抗裂與水穩(wěn)定性能的改善效果優(yōu)于10%摻配比的再生混合料，基本接近新拌瀝青混合料；二次老化后再生瀝青混合料低溫抗裂性能下降較快，雖仍可抵御短期水損害，但對其長期水穩(wěn)定性影響較大，建議添加一定比例的再生劑。AC-13型再生瀝青混合料抵抗低溫開裂與水損破壞的能力相比于AC-16C型級配更強，更適合做上面層。

道路工程；廠拌熱再生；再生劑；小梁低溫彎曲；凍融劈裂；二次老化

再生瀝青混合料路用性能的優(yōu)劣是其大規(guī)模推廣應(yīng)用的前提之一。廠拌熱再生以其適用性廣、計量精確、操作靈活、施工質(zhì)量能夠得到保證等一系列優(yōu)點，在美歐等發(fā)達國家是使用最為普遍且重點研究的瀝青路面再生方式[1-2]。室內(nèi)研究與工程實踐均表明：廠拌熱再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能普遍能夠滿足，但其低溫抗裂性與水穩(wěn)定性受舊料摻配比例、舊料類型、再生劑以及二次老化等因素的影響，再生路面常常出現(xiàn)低溫開裂及水穩(wěn)定性不足的問題，大大降低了再生路面的使用壽命。

筆者的研究基于重慶市科技攻關(guān)項目“廢舊瀝青混合料循環(huán)熱再生關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究”，對不同類型廠拌熱再生瀝青混合料的低溫抗裂與水穩(wěn)定性進行系統(tǒng)的研究，分析在不同舊料摻配比例、不同舊料類型、是否添加再生劑以及二次老化前后混合料的低溫抗裂與水穩(wěn)定性，從而為瀝青路面再生技術(shù)的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)[3]。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料性能

1.1.1 瀝 青

本實驗所用RAP料取自渝長路中面層(舊瀝青為70#基質(zhì)瀝青)和江北路上面層(舊瀝青為SBS改性瀝青)，分別定義為RAP-A和RAP-B；新添加瀝青分別采用AH-70#基質(zhì)瀝青及SBS I-C型改性瀝青。嚴(yán)格按照JTG F20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[4](以下簡稱《規(guī)程》)中的試驗要求測定其相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)，試驗結(jié)果列于表1。

表1 瀝青主要技術(shù)性能測試結(jié)果

1.1.2 集 料

對取自上述路段的RAP進行四分、抽提、清洗、烘干和篩分后，測得其中粗集料的各項性質(zhì)指標(biāo)，并與新集料的各項指標(biāo)一同列于表2中。

表2 集料的主要技術(shù)性能試驗結(jié)果

1.1.3 再生劑

本研究采用的再生劑為課題組自主研發(fā)的再生劑(ZS)，具有較好的親和與滲透能力，能夠顯著改善舊瀝青的流變性能，具體指標(biāo)見表3。

表3 再生劑主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計

渝長路中面層(RAP-A)和江北路上面層(RAP-B)的舊集料級配分別為AC-16型和SMA-13型。筆者分別選取AC-16C型級配中值和AC-13型級配中值為目標(biāo)級配，采用馬歇爾設(shè)計法進行配合比設(shè)計，空隙率控制在4%～5%[5-6]。基于馬歇爾試驗結(jié)果得到各舊料在不同摻量下的最佳瀝青用量，如表4。

表4 馬歇爾試驗測試結(jié)果

1.3 試驗方法

1.3.1 低溫抗裂性試驗

評價再生瀝青混合料低溫抗裂性能的主要指標(biāo)是其自身強度和抗變形能力。選用低溫小梁彎曲破壞試驗，以馬歇爾試驗最佳瀝青用量為依據(jù)成型車轍試件，切制250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁試件，置于-10 ℃恒溫箱中3 h后進行低溫彎曲試驗，測定試件的彎拉強度和彎拉應(yīng)變并計算其勁度模量，評價再生瀝青混合料的低溫性能[7]。

1.3.2 水穩(wěn)定性試驗

評價再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要方法有浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。筆者選用條件更為苛刻、范圍更為全面的凍融劈裂試驗對再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能進行評價[7-8]。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 舊料摻配比例的影響

分別在RAP集料級配的基礎(chǔ)上按照目標(biāo)級配配置不同舊料摻配比例下的再生瀝青混合料并成型車轍試件，按照《規(guī)程》要求切割小梁[9]；隨后進行低溫彎曲破壞試驗測定各小梁試件的彎拉強度和彎拉應(yīng)變并計算其勁度模量，每組試件數(shù)目n取3個。此外，按照上述操作成型馬歇爾試件，經(jīng)真空飽水和多次凍融循環(huán)后測定其劈裂抗拉強度并計算殘留強度比，試驗結(jié)果列于表5；將其以平滑曲線連接，變化情況見圖1。

表5 AC-16C和AC-13混合料性能測試結(jié)果

圖1 不同RAP摻配比例試驗結(jié)果Fig. 1 Test results with different RAP ratios

從圖1(a)～(c)可以看出：隨著RAP摻配比例的增加，彎拉強度和勁度模量均逐漸增大，彎拉應(yīng)變逐漸減小。說明隨著舊料摻配量的增加，再生瀝青混合料逐漸變脆變硬，低溫性能變差。另外，AC-16C型再生混合料上述各指標(biāo)的變化幅度均遠高于AC-13型，說明不同舊料摻量的AC-13型再生瀝青路面低溫敏感性弱于AC-16C型級配，其抵抗低溫開裂的能力相比于AC-16C型級配更強。從低溫抗開裂的角度考慮，AC-13型級配更適合做上面層。

從圖1(d)～(g)可以看出，隨著RAP摻配比例的增加，未凍融循環(huán)和單次凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強度增加較快，多次凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強度增長幅度有所減小。其次，單次凍融循環(huán)后試件的殘留強度比基本不變，多次凍融循環(huán)后試件的殘留強度比下降較快。說明再生瀝青混合料隨舊料摻配比例的增加，抗拉破壞能力逐漸增強；短期水損害對再生瀝青混合料的穩(wěn)定性影響不大，但其抵抗長期水損破壞的能力卻大幅下降。

另外，隨著RAP摻配比例的增加，AC-16C型與AC-13型再生瀝青混合料劈裂抗拉強度的變化相差不大；單次凍融循環(huán)后AC-16C型混合料殘留強度比的變化幅度與AC-13型持平，多次凍融循環(huán)后AC-16C型混合料殘留強度比的下降幅度則高于AC-13型，說明AC-13型再生瀝青混合料抵抗水損破壞的能力相比于AC-16C型級配更強。從抗水損破壞的角度考慮，AC-13型級配更適合做上面層。

2.2 舊料類型的影響

在上述研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[10]中對瀝青混合料低溫彎曲破壞應(yīng)變的技術(shù)要求并同時參照相關(guān)文獻對凍融循環(huán)殘留強度比指標(biāo)的研究[11]，分別選取摻30%渝長路RAP-A和摻30%江北路RAP-B制備再生級配類型為AC-16C的再生瀝青混合料并按照上述過程進行低溫和水穩(wěn)定性能試驗，結(jié)果列于表6、表7。

表6 小梁低溫彎曲試驗結(jié)果

表7 凍融循環(huán)劈裂試驗結(jié)果

從表6可以看出，由RAP-B制備的再生瀝青混合料低溫彎拉強度和勁度模量較RAP-A有較大增長，但變形能力有所下降。其主要原因在于后者瀝青的老化較嚴(yán)重，同等條件下再生瀝青混合料的低溫性能較差。從表7可以看出，相比于RAP-A，摻加30%RAP-B的再生瀝青混合料抗拉破壞能力有所增長；單次凍融循環(huán)殘留強度比有所增加，多次凍融循環(huán)殘留強度比有所減小，說明短期水損害對老化較嚴(yán)重的再生混合料的穩(wěn)定性影響不大，但長期水穩(wěn)定性能較差。

總體來講，同種條件作用下，不同舊料類型對再生混合料低溫抗裂與水穩(wěn)性能的影響關(guān)聯(lián)不大。

2.3 再生劑的影響

為研究再生劑對再生瀝青混合料低溫開裂和水穩(wěn)定性的改善效果，筆者選擇課題組自主研發(fā)的具有較好親和與滲透能力的瀝青再生劑ZS(由前期性能試驗與經(jīng)濟性對比分析得出RAP-A的再生劑最佳摻量為7%，RAP-B的再生劑最佳摻量為9%)，試驗結(jié)果分別見圖2(a)～(f)。

從圖2(a)～(c)可以看出，添加瀝青再生劑后，混合料的彎拉應(yīng)變大幅增加，勁度模量顯著減小，而彎拉強度增減不一。說明再生劑的摻入能夠顯著改善再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。另外，從中還可以看出，這種改善效果對AC-16C型級配更為明顯，說明再生劑對老化較嚴(yán)重的RAP低溫抗裂性能的改善效果不如老化較輕的RAP舊料。

由圖2(d)～(f)可以看出，隨著再生劑的添加，各混合料的劈裂抗拉強度均有小幅度的減小；單次凍融循環(huán)殘留強度比變化不大，多次凍融循環(huán)殘留強度比有所增加，在保證凍融劈裂強度不低于0.6 MPa的前提下[12]，說明再生劑的添加一定程度上能夠改善再生瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性能。而筆者的研究均表明：再生瀝青混合料抵抗長期水損破壞的能力最弱，因此對于廠拌熱再生瀝青混合料，建議添加適當(dāng)比例的再生劑以提高其水穩(wěn)性能。其次，AC-13型級配殘留穩(wěn)定度的整體改善效果要優(yōu)于AC-16C型級配，說明再生劑對老化較嚴(yán)重的RAP抗水損破壞能力的改善效果優(yōu)于老化較輕的RAP舊料，抵消了再生劑對老化較嚴(yán)重的RAP舊料低溫性能改善效果的不足，因此當(dāng)RAP的老化較嚴(yán)重的情況下更有必要添加再生劑來改善再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

另外，通過與表5中低溫與水穩(wěn)定性試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)對于老化較輕的RAP-A舊料及老化較重的RAP-B舊料，分別添加7%～9%摻量的再生劑對其性能的改善效果已經(jīng)基本接近新拌瀝青混合料。

圖2 再生劑情況下的試驗結(jié)果Fig. 2 Test results in the case of regeneration agent

2.4 二次老化的影響

再生瀝青混合料的室內(nèi)性能研究在我國剛剛開展不久，相關(guān)工程應(yīng)用也不規(guī)范，對再生后瀝青混合料的耐久性能否得到滿足還不得而知。由于瀝青老化后勁度模量增大，對再生瀝青路面的高溫穩(wěn)定性更加有利，但在行車荷載和環(huán)境等因素作用下，再生瀝青路面在低溫條件下更易產(chǎn)生開裂[13]。而由于裂縫的產(chǎn)生進一步導(dǎo)致了水分滲入路面內(nèi)部，從而加速了再生瀝青路面的水損害[14]。鑒于此，筆者對再生瀝青混合料的二次抗老化能力進行研究，老化方式按《規(guī)程》瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)老化方法進行。參照上述研究，仍以30%舊料摻配率舉例說明，具體試驗結(jié)果見表8、表9。

表8 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

表9 凍融循環(huán)劈裂試驗結(jié)果

從表8可看出：再生瀝青混合料經(jīng)二次老化后，其彎拉強度有小幅度上升，彎拉應(yīng)變下降較快，因此造成勁度模量大幅升高，低溫抗裂性能大幅下降。經(jīng)計算得AC-16C型級配二次老化后彎拉應(yīng)變平均降幅為19%，大于AC-13型的15%，說明后一類型再生路面具有更強的低溫抗開裂能力。另外，添加再生劑的再生瀝青混合料二次老化后彎拉應(yīng)變的降幅雖然高于未添加再生劑的再生混合料，但前者的彎拉應(yīng)變結(jié)果仍遠高于后者。該試驗結(jié)果可解釋為：以輕質(zhì)組分為主的再生劑在二次老化過程中性能衰減的幅度高于新添加的瀝青，因此其低溫彎拉應(yīng)變下降更快，但再生劑的添加仍可以較大幅度改善再生混合料的低溫開裂情況。

從表9可以看出，再生瀝青混合料二次老化后，1次凍融循環(huán)殘留強度比有所升高，多次凍融循環(huán)殘留強度比有所下降，說明二次老化對再生瀝青混合料短期水穩(wěn)定性影響不大，但對其長期水穩(wěn)定性仍有較大影響。經(jīng)計算得AC-16C型級配二次老化后的多次凍融循環(huán)殘留強度比平均降幅為11%，大于AC-13型級配的9%，說明后一類型再生路面具有更強的抵抗長期水損破壞的能力。另外，添加再生劑的再生瀝青混合料二次老化后短期凍融循環(huán)殘留強度比雖然低于未添加再生劑的再生混合料，但前者的長期凍融循環(huán)殘留強度比結(jié)果卻高于后者。該試驗結(jié)果可解釋為：再生劑在二次老化后其性能雖然有較大幅度的衰減，但對再生路面再次老化后抵抗長期水損破壞仍有一定的改善作用。

3 結(jié) 論

1)再生瀝青混合料隨舊料摻配比例的增加及二次老化作用下，低溫性能逐漸變差；短期水損害對其穩(wěn)定性的影響不大，但抵抗長期水損破壞的能力大幅下降。

2)同等條件作用下，不同舊料類型對再生混合料低溫抗裂與水穩(wěn)性能的影響關(guān)聯(lián)不大。

3)再生劑對老化較嚴(yán)重的RAP低溫抗裂性能的改善效果不如老化較輕的RAP舊料，但對前者長期抵抗水損破壞的能力提升幅度較大。7%～9%摻量的再生劑對再生混合料性能的改善效果已基本接近新拌瀝青混合料。

4)AC-13型級配再生瀝青混合料抵抗低溫開裂與水損破壞的能力相比于AC-16C型級配更強，更適合做上面層。

5)30%RAP摻配比的再生瀝青混合料能夠滿足規(guī)范及相關(guān)研究成果對瀝青路面低溫與水穩(wěn)的要求。

[1] 徐劍，黃頌昌，鄒桂蓮.高等級公路瀝青路面再生技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.

XU Jian, HUANG Songchang, ZOU Guilian.AsphaltPavementRecyclingTechnology[M]. Beijing：China Communications Press, 2011.

[2] 交通運輸部公路科學(xué)研究院.公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范：JTG F41—2008[S].北京：人民交通出版社，2008：25-78.

Research Institute of Highway Ministry of Transport.TechnicalSpecificationsforHighwayAsphaltPavementRecycling：JTG F41—2008[S]. Beijing：China Communications Press, 2008：25-78.

[3] 呂偉民，嚴(yán)家伋.瀝青路面再生技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1989.

LV Weimin, YAN Jiaji.TechnicalforHighwayAsphaltPavementRecycling[M]. Beijing：China Communications Press, 1989.

[4] 交通運輸部公路科學(xué)研究院.路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社，2011：186-338.

Research Institute of Highway Ministry of Transport.StandardTestMethodsofBitumenandBituminousMixturesforHighwayEngineering：JTG E20—2011[S]. Beijing：China Communications Press, 2011：186-338.

[5] 鄧曉青.廠拌熱再生瀝青混合料配比設(shè)計研究[D].西安：長安大學(xué)，2007.

DENG Xiaoqing.PlantMixRecycledBituminousGradingDesignResearch[D]. Xi’an：Chang’an University, 2007.

[6] ARAVIND K, DAS A. Pavement design with central plant hot-mix recycled asphalt mixes[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2007, 21(5)：928-936.

[7] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

SHEN Jin’an.RoadPerformanceofAsphaltandAsphaltMixture[M]. Beijing：China Communications Press, 2001.

[8] 王樂，梁乃興，劉柳.濕熱地區(qū)瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，27(4)：580-583.

WANG Le, LIANG Naixing, LIU Liu. Study on the water stability of asphalt mixture in hot and damp region[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2008, 27(4)：580-583.

[9] 黃曉明，趙永利，江臣.瀝青路面再生利用試驗分析[J].巖土工程學(xué)報，2001，23(4)：468-471.

HUANG Xiaoming, ZHAO Yongli, JIANG Chen. Test and analysis of recycled mixture for old asphalt pavement[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2001, 23(4)：468-471.

[10] 交通運輸部公路科學(xué)研究院.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2004[S].北京：人民交通出版社，2005：35-36.

Research Institute of Highway Ministry of Transport.TechnicalSpecificationforConstructionofHighwayAsphaltPavement：JTG F40—2004[S]. Beijing：China Communications Press, 2005：35-36.

[11] 張輝.瀝青路面熱再生技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

ZHANG Hui.ResearchonThermalRegenerationTechnologyofAsphaltPavement[D]. Xi’an：Chang’an University, 2006.

[12] 拾方治，馬衛(wèi)民.瀝青路面再生技術(shù)手冊[M].北京：人民交通出版社，2006.

SHI Fangzhi, MA Weimin.AsphaltPavementRecyclingTechnicalManual[M]. Beijing：China Communications Press, 2006.

[13] 孔令然.就地?zé)嵩偕鸀r青混合料耐久性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

KONG Lingran.AResearchonDurabilityofHotIn-placeRecyclingAsphalt[D]. Dalian：Dalian University of Technology, 2010.

[14] 方楊，李善強，劉宇.廠拌熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，32(5)：961-964.

FANG Yang, LI Shanqiang, LIU Yu. Water stability of central plant hot recycling mixtures[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2013, 32(5)：961-964.

(責(zé)任編輯：劉 韜)

Low Temperature Anti-cracking Performance and Water Stability of Hot Recycled Asphalt Mixture from Central Plant Mixing

CHEN Long1, ZHU Jianyong2, HE Zhaoyi1, CHENG Yong3, CHEN Xianyong4

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. School of Material Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 3. Guizhou Rongda Road and Bridge Engineer Co., Ltd., Bijie 551700, Guizhou, P. R. China; 4. Chongqing Zhongjiao Asphalt Concrete Co., Ltd., Chongqing 400074, P. R. China)

Through indoor experiments, the indicators of the old asphalt and old aggregate in RAP, the added asphalt, the added aggregate and the regeneration agent were detected. Marshall Test was applied to determine the optimum asphalt content of different types of hot recycled asphalt mixtures (AC-13 and AC-16C) from central plant mixing. Additionally, trabecular low-temperature bending test and freeze-thaw splitting test were used to analyze the low temperature anti-cracking performance and water stability of the recycled asphalt mixtures with different RAP percentages, different RAP types, as well as different conditions before and after second aging and adding recycling agent or not. The results show that with the increase of RAP, the low temperature properties of recycled asphalt mixture gradually decrease. The short-term water damage has little effect on its stability, but the long-term ability to resist water damage drops sharply. The influence of the old material type on the performance of the recycled asphalt mixture is not very relative. The improvement effect of the low temperature crack resistance and water stability of the mixture adding 7%～9% recycling agent are better than those of the 10% mixing ratio recycled mixture, which is basically close to the new asphalt mixture. The low temperature anti-cracking performance of the recycled asphalt mixture decreases rapidly after second aging. Though the mixture can still withstand short-term water damage, it has greater impact on the long-term water stability. Therefore, adding some proportion of the regeneration agent is suggested. Compared with AC-16C type, AC-13 type recycled asphalt mixture has better ability to resist the low temperature cracking and water damage, which is more suitable for the top layer.

road engineering; plant-mixed hot recycling; regeneration agent; trabecular low-temperature bending; freeze-thaw splitting; second aging

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.07

2015-11-09；

2016-01-28

重慶市科技攻關(guān)項目(cstc2012ggA50001)

陳 龍(1989—)，男，河南開封人，博士研究生，主要從事路基路面材料與結(jié)構(gòu)等方面的研究。E-mail：hellolong0701@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2017)04-038-07