再生瀝青摻量對混合料耐久性影響的試驗研究

趙梓伶

Experimental Study on Effect of Reclaimed Asphalt Proportion on Durability of Mixture

摘要： 為了研究再生瀝青摻量對混合料耐久性的影響，對等級為PG67-22的新瀝青中添加含量為10%、25%、50%的再生瀝青，對等級為PG67-22新瀝青在最佳瀝青用量基礎上摻加溫拌添加劑，對等級為PG58-28新瀝青在最佳瀝青用量等組合情況下，對混合料的水敏感性、抗疲勞性、抗裂性、抵抗表面自上而下的開裂能力及抗車轍性能進行測定。試驗結果表明，使用軟一級的瀝青粘結料PG58-28能提高再生瀝青混合料的疲勞壽命，但會降低抗車轍性能，不過能滿足規(guī)定的要求。對于高比例再生瀝青混合料，使用軟一級新瀝青PG58-28能有效增加再生瀝青混合料的疲勞壽命和抗裂性能；摻加溫拌添加劑能提高再生瀝青混合料抵抗自上而下的表面開裂性能。

Abstract： In order to study the influence of reclaimed asphalt proportion on the durability of the mixture， the water sensitivity， fatigue resistance， crack resistance， resistance to surface cracking from top to bottom and rutting resistance of the mixture is determined under the conditions that the new asphalt graded PG67-22 was added with 10%， 25% and 50% reclaimed asphalt， the new asphalt graded PG67-22 was mixed with warm mix asphalt additives under the best amount of asphalt， and the the new asphalt graded PG58-28 was mixed with best amount of asphalt. The test results showed that the use of soft grade asphalt binder PG58-28 could improve the fatigue life of reclaimed asphalt mixture， but it could reduce the anti-rutting performance， but it could meet the requirements. For a high proportion of reclaimed asphalt mixture， the use of soft grade asphalt binder PG58-28 could effectively increase the fatigue life and crack resistance of the reclaimed asphalt mixture； warm mix asphalt additives could improve the resistance to surface cracking from top to bottom of reclaimed asphalt mixture.

關鍵詞： 道路工程；再生瀝青混合料；耐久性；應用評價

Key words： road engineering；reclaimed asphalt mixture；durability；application evaluation

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0107-04

0 引言

眾所周知，使用再生瀝青路面（Reclaimed Asphalt Pavement 簡稱RAP）不僅可以節(jié)約造價，降低粘結料和骨料的用量，還能防止污染、保護環(huán)境。研究表明，在瀝青混合料中使用25～50%的RAP可以降低瀝青路面20～35%的材料成本[1]，但目前對于大部分使用RAP的公路而言，RAP的摻量比例均低于25%，其原因在于RAP混合料相比瀝青混合料而言，強度降低且更容易老化、變硬，這就導致了路面使用壽命縮短，養(yǎng)護成本增加。

近來，美國各州公路與運輸工作者協(xié)會（AASHTO）提出，可在高比例RAP混合料中通過調整新瀝青的性能等級來滿足混合料耐久性的要求。即將原來常用的PG67-22粘結料的臨界高溫值和臨界低溫值均降低一級成為PG58-28。與此同時，美國一些研究機構也提出，可采用溫拌（Warm Mix Asphalt簡稱WMA）輔助技術來改善高比例RAP混合料的耐久性。

本文根據AASHTO R 35標準，分別采用旋轉壓實儀（SGC）、線性振幅掃描法（LAS）、Overlay Tester（OT）、能量比（ER）和路面分析儀（APA）等方法對瀝青等級為PG67-22的新瀝青添加含量分別為10%、25%、50%的RAP；對PG67-22在最佳瀝青用量的基礎上摻加Evotherm 3G（熱集料涂覆乳化瀝青降粘劑）WMA添加劑及對瀝青等級為PG58-28瀝青在最佳用量時的水敏感性、抗疲勞性、抗裂性及抵抗表面自上而下的開裂能力和抗車轍能力分別進行試驗研究來評價各種組合下RAP混合料的耐久性。

1 原材料測試

1.1 舊瀝青性能等級評價

根據美國試驗與材料協(xié)會（ASTM） D 2171方法對舊料經破碎后用三氯乙烯抽提，高速離心去礦粉，回收等工序后，得到舊瀝青。按照AASHTO M 320對舊瀝青性能等級進行評價，經測試舊瀝青等級為PG94-4。

1.2 RAP混合料性能評價

本研究所用的新集料的公稱最大粒徑均為13.2mm，分別為碎石A、碎石B、碎石C、碎石D、砂（各集料均來源于云南省本地）及未加工的RAP，為滿足級配要求，對單一的銑刨料篩分成（0～2.36）細型和（2.36～13.2）粗型兩種規(guī)格，具體篩分情況見表1。10%RAP摻量的混合料采用集料A、B、D、砂及未處理的RAP混合料；25%RAP摻量的混合料采用集料A、B、C、砂及未處理的RAP混合料；50%RAP摻量的混合料采用集料A、B、砂、細RAP及粗RAP混合進行混合?；旌狭系脑O計空隙率為4%，各含量RAP的合成級配見圖1。

表2為RAP摻量分別為10%、25%、50%的混合料的設計屬性。根據我國現行國標《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求，對于公稱最大粒徑為13.2mm[2]，設計空隙率VV為4%的礦料間隙率VMA不小于14%，瀝青飽和度VFA應在65～75%之間。從表2可以看出，當瀝青為最佳用量時，均能滿足VFA和VMA的要求。

2 RAP混合料耐久性測試

2.1 RAP混合料水敏感性測試

根據AASHTO T 283要求對RAP混合料水敏感性進行測試。規(guī)定采用SGC旋轉壓實儀測得的間接抗拉強度比（TSR）≥80%作為瀝青混合料水敏感性評價指標。從表3可以看出三種混合物均滿足要求。

2.2 線性振幅掃描（The Linear Amplitude Sweep簡稱LAS）

線性振幅掃描是一種通過加速粘結料疲勞老化來測試粘結料疲勞性能的一種測試方法。目前我國采用的是動態(tài)剪切流變儀（DSR）中的疲勞因子G*sinδ來量化粘結料的疲勞性能。G*sinδ參數是假設混合料為線彈性體，但這假設一直備受爭議，特別是現已證明改性瀝青路面的抗疲勞性能已越來越好，可改性瀝青混合料本身卻是非線彈性的。按照美國ASTM D 2171和ASTM D 5405規(guī)定的方法，用LAS循環(huán)加荷的方式測定其達到破壞時的循環(huán)周期數，以此來預測粘結料的疲勞壽命，該法就目前而言是比較科學的方法。LAS測試方法的最終結果是得到粘結料的疲勞性能參數Nf，Nf值隨應變值的大小的變化而改變，應變值的大小可根據路面結構的差異來調整。如大應變值適合薄的和重交通路面，反之，小應變值適合厚的和輕交通道路[3]。

該項主要研究新瀝青PG67-22分別摻加了含量為10%、25%、50%的RAP及摻加了添加劑后混合料的抗疲勞性能。表4是各組合LAS測試結果，該試驗采用平行試驗，兩試驗之差不超過平均值的15%。

從試驗結果可以得到，PG67-22新瀝青與RAP混合后，其抗疲勞性能降低，對于10%、25%含量的RAP混合料與沒摻加前相比，降低了約80%；而50%含量的RAP則降低了約75%。從表中可以看出，在高比例RAP混合料中，摻加WMA添加劑對提高瀝青混合料的抗疲勞性能比低比例含量的更有效。RAP摻量為10%時，摻加WMA添加劑對疲勞壽命的提高幾乎沒什么幫助，但在25%摻量的RAP中，低水平應變疲勞壽命提高了約15%，高應變水平提高了約20%；而在50%的RAP中就更明顯了，兩種應變水平下，疲勞壽命均提高了近32%?？偟膩碚f，使用溫拌輔助技術對RAP混合料的疲勞性能是影響較大的，尤其是在高比例RAP中就更為明顯。從表中還可以看出，PG58-28新瀝青與RAP混合后的疲勞性能優(yōu)于PG67-22新瀝青。

2.3 能量比測試（Energy Ratio Testing 簡稱ER）

能量比測試法可以評估瀝青混合料抵抗自上而下發(fā)生表面開裂的能力，此法是弗羅里達大學綜合了實驗室和現場的研究成果。該測試法已在美國國家瀝青技術中心（NCAT）進行了周期性的驗證[4]。能量比由三種高性能間接拉伸試驗（間接拉伸強度、回彈模量和蠕變試驗）決定，它能得出一條基于粘彈性斷裂力學的裂縫擴展規(guī)律，此外，還引出了兩個臨界值，即耗散蠕變能（DSCE）界限和斷裂能（FE）（應力應變下達到斷裂應變的面積）界限，DSCE值或FE值越高，則混合料的疲勞壽命越長。ER值為DSCE與DSCEmin（最小耗散蠕變能）的比值。ER值越大，表明混合料抵抗自上而下發(fā)生表面開裂的能力越強。該試驗在10℃條件下進行。試驗結果見表5。

將表5中的FE值繪于圖2可以得到，在最佳瀝青用量下，含量分別為10%和50%的RAP混合料，用PG58-28新瀝青得到的FE值要高于使用PG67-22的瀝青。特別是10%RAP提高了近300%，在50%RAP中提高了近87%，但在25%含量的RAP中FE值卻稍有降低，有可能是樣本徐變造成的。10%RAP摻加了WMA添加劑后，FE值隨之增加，增加量約140%。而對于25%含量的RAP混合料，無論是摻加WMA添加劑，還是使用PG58-28，對混合料的FE值幾乎沒什么影響。50%RAP混合料使用PG67-22新瀝青，相比10%和25%而言，FE值是最低的。在最佳瀝青用量的基礎上使用WMA添加劑FE增加了100%；而使用軟一級的瀝青PG58-28僅提高了57%。

將表5中的ER值繪于圖3可以得到，PG67-22新瀝青對于10%RAP混合料在最佳瀝青用量時，ER值是最小的。而對于10%RAP混合料提高ER值最有效的方法就是摻加WMA添加劑了。從圖中可以看出，所有25%RAP混合料的ER值均很大，以致能承受每年近1000000當量標準軸載，同時在最佳瀝青用量情況下，PG67-22新瀝青，25%RAP混合料相比于其他兩個含量的RAP混合料，ER值也是最大的一個。從圖表中可以看出25%RAP混合料的ER值相對較大，而蠕變量相對較小，這就意味著，25%RAP混合料抵抗自上而下表面開裂的能力要優(yōu)于其它兩組含量的RAP混合料。50%RAP混合料使用PG58-28能增加ER值，且能承受的交通量也有所增加。而對交通量承受能力影響最大的莫過于摻加WMA添加劑，從表中可以看出，路面在不開裂的情況下，每年能承受1000000當量標準軸載。

2.4 Overlay Tester（OT）測試

OT試驗是一種簡單、快捷、有效的測試瀝青混合料抗裂性能的方法。該法已由美國德克薩斯州交通委員會（TXDOT）制定了試驗標準，即TXDOT 248-F，近年來已全世界范圍內逐步推廣。該試驗將樣本制成長150mm、寬75mm、高38mm的試件，在25℃條件下，將試件置于試驗臺上，使滑動鋼板按10秒一個周期的循環(huán)運動進行加載，最大張開位移為0.33mm時[5]，記錄試件破壞時滑動板運動的循環(huán)次數，評價瀝青混合料的抗裂性能。

圖4為摻量分別為10%、25%、50%的RAP混合料的OT試驗結果。從圖中可以看出，在PG67-22新瀝青最佳用量時，10%RAP混合料達到破壞時的循環(huán)周期數遠高于其他兩個含量的RAP混合料，當RAP含量超過10%時，將大大降低試件的抗裂性能。25%RAP混合料使用PG58-28新瀝青及摻加WMA添加劑得到了試件破壞時所能承受的周期數的最大值。50%RAP混合料，使用WMA添加劑對OT試驗周期數的影響是最小的，而使用PG58-28新瀝青與PG67-28相比，周期數提高了近326%。

2.5 抗車轍能力測試

根據AASHTO TP 63-09的要求，采用瀝青路面分析儀（APA）來評估瀝青混合料的車轍能力。標準規(guī)定，當混合料承受五百萬次的當量標準軸載，其車轍深度不能超過5.5mm[6]。本試驗在64℃溫度下進行，試樣分別施加100磅（45.36kg）和100psi（689.7kPa）的力，試驗結果見圖5。

從圖5中可以看出，對于10%RAP混合料車轍深度最大的發(fā)生在PG58-28新瀝青上，在摻加了WMA添加劑后對車轍深度的影響都不是很明顯。25%RAP混合料，使用了PG58-28新瀝青后產生的車轍深度值較大，但在摻加了WMA添加劑后產生的車轍深度是最小的。50%RAP混合料，各組合車轍深度值相差不大。值得注意的是，所有各組混合料的車轍深度值均未超過5.5mm，也就是說，各組混合料均能滿足抗車轍能力的要求。

3 結論

根據實驗室研究數據，得出以下結論：

①摻量為10%、25%、50%的RAP混合料的水敏感性均能滿足要求。

②使用溫拌輔助技術對RAP混合料的疲勞性能是影響較大的，尤其是在高比例RAP中提高混合料的抗疲勞性能的作用就更為明顯。同時PG58-28新瀝青與RAP混合后的疲勞性能優(yōu)于PG67-22新瀝青。

③在最佳瀝青用量基礎上摻加WMA添加劑能有效提高10%和50%RAP混合料抵抗自上而下表面開裂的能力，但采用軟一級的新瀝青PG58-28會使25%RAP混合料的抗表面開裂的能力降低。

④RAP的摻量越小，混合料的抗裂性越好。相比摻加WMA添加劑，使用軟一級PG58-28新瀝青能更有效提高RAP混合料的抗裂性能。

⑤摻加添加劑能有效提高25%RAP混合料的抗車轍能力。使用軟一級的PG58-28新瀝青會降低10%RAP混合料的抗車轍能力，但能滿足標準規(guī)定的要求。

4 建議

①本文的試驗數據是在實驗室通過試驗得到的，試驗數據值往往可變性很大，在實際運用中應根據實際情況進行設計，本文所給出的結論僅作為參考。

②本文研究摻加的WMA添加劑為熱集料涂覆乳化瀝青降粘劑，當采用不同的添加劑或發(fā)泡技術對RAP混合料的性能造成的影響是不一樣的，在施工應用中應根據具體的粘結料等級和集料類型合理選取添加劑的種類。

參考文獻：

[1]Willis， J.R.， P. Turner， G. Julian， A. Taylor， N. Tran， and F. Padula. Effects of Changing Virgin Binder Grade and Content on RAP Mixture Properties. NCAT Report 12-03. National Center for Asphalt Technology， Auburn， Alabama， 2012.

[2]JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].

[3]聶曉青，李雨舟.回收瀝青混合料疲勞性能的室內試驗評價“全國特種混凝土技術及工程應用”學術交流會暨2008年混凝土質量專業(yè)委員會年會，2008（9）.

[4]Roque， R.， B. Birgisson C. Drakos， and B. Dietrich. Development and Field Evaluation of Energy-Based Criteria for Top-down Cracking Performance of Hot Mix Asphalt. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists， Vol. 73， 2004， pp. 229-260.

[5]葛折圣，閻肖宇.基于Over Laystester的瀝青混合料抗裂性能試驗方法分析[J].山東交通科技，2014（5）.

[6]Tran， N.， R.C. West， R.B. Powell， and A.N. Kvasnak. Evaluation of AASHTO Rut Test Procedure Using the Asphalt Pavement Analyzer. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists， Vol. 78， 2009， pp. 1-24.