低溫地區(qū)橡膠熱再生瀝青混合料的參數(shù)優(yōu)化及其工作性

(1.西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院， 陜西 西安 710077;2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064)

橡膠熱再生瀝青混合料就是將橡膠瀝青與熱再生技術(shù)相結(jié)合，從而在一定程度上增強(qiáng)瀝青混合料的低溫柔韌性，減少路面開裂，并具有環(huán)保作用[1]。河北張承高速沿線地區(qū)的晝夜溫差大，年平均氣溫在0 ℃左右。該區(qū)域?yàn)r青路面的主要病害之一就是低溫裂縫，且病害處治也較為困難[2]。將橡膠瀝青混合料或再生瀝青混合料應(yīng)用于低溫地區(qū)可以在一定程度上改善瀝青路面的低溫抗裂性能，且符合我國當(dāng)前循環(huán)經(jīng)濟(jì)與節(jié)能減排的發(fā)展理念[3-4]。瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度與其低溫抗裂性能密切相關(guān)，對瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度進(jìn)行研究可為低溫地區(qū)瀝青混合料的設(shè)計(jì)及施工提供參考[5-6]。黃曉明等[7]通過劈裂試驗(yàn)對熱再生瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，其研究發(fā)現(xiàn)增加新料的摻加比例、充分預(yù)熱舊料、增加新舊料拌和時(shí)間將有助于提高再生混合料低溫抗裂性能。LEE等[8]對再生橡膠瀝青(RCRMA)的粘度、流變特性和低溫性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其研究結(jié)果表明再生橡膠瀝青的各項(xiàng)性能滿足當(dāng)?shù)匾?guī)范要求。SWAMY[9]通過間接拉伸實(shí)驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究了RAP料摻量對熱再生瀝青混合料體積指標(biāo)、力學(xué)特性以及低溫性能的影響。其研究發(fā)現(xiàn)熱再生瀝青混合料的動態(tài)模量隨著RAP料摻量的增加而增大，且當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)這種相關(guān)性更加明顯。馬濤等[10]提出了能夠良好模擬實(shí)際熱再生工藝條件的老化瀝青有效再生率檢測方法，分析了老化瀝青預(yù)熱溫度、再生劑添加與否、再生瀝青混合料拌和時(shí)間對老化瀝青有效再生率的影響，并驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)檢測方法的可行性。郝培文等[11]采用低溫彎曲試驗(yàn)分析了鹽凍融循環(huán)條件下瀝青混合料低溫性能的衰變規(guī)律，研究了摻加纖維等添加劑后，在鹽凍融循環(huán)條件下瀝青混合料低溫性能的改善效果。由此可見，在再生混合料中使用橡膠瀝青，已經(jīng)得到日益廣泛的研究與應(yīng)用。然而，現(xiàn)有研究多是基于經(jīng)驗(yàn)法并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對各種瀝青混合料低溫性能的影響因素進(jìn)行分析，研究區(qū)域的針對性也較弱。鮮有將橡膠瀝青與再生技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行制備參數(shù)優(yōu)化，并有針對性的應(yīng)用在低溫地區(qū)實(shí)體工程中的研究。本文以河北張承高速某試驗(yàn)段為依托，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和室內(nèi)小梁彎曲試驗(yàn)，對不同膠粉摻量(5%，10%，15%，20%)、不同膠粉細(xì)度(20目，40目，60目，80目)和不同RAP摻量(20%，35%，50%，65%)條件下的橡膠熱再生瀝青混合料彎拉強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行研究，并從混合料的和易性入手，對橡膠熱再生瀝青混合料在河北低溫地區(qū)的工作性進(jìn)行探討。

1 原材料

1.1 RAP料

本文所采用的RAP舊料來源于施工現(xiàn)場的銑刨舊料，其中銑刨深度為5 cm，且盡量保證所取舊料為路面的上面層。采用離心抽提法得到的舊瀝青技術(shù)性質(zhì)如表1所示：

表1 舊瀝青的技術(shù)性質(zhì)Table 1 The technical performance of reclaimed asphalt針入度(25 ℃)/(0.1 mm)延度(15 ℃)/cm軟化點(diǎn)/℃黏度(135 ℃)/(Pa·s)38.415.271.63 752

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的篩分試驗(yàn)確定RAP料的級配如表2所示[12]：

1.2 集料

本文所采用的粗細(xì)集料均采用石灰?guī)r，其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 RAP料的級配Table 2 Gradation of RAP油石比/%RAP料中集料的不同篩孔(mm)通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.0754.598.289.368.539.733.523.715.313.64.83.2

表3 集料的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical performance of aggregate指標(biāo)指標(biāo)要求測試結(jié)果表觀相對密度≥2.63.8吸水率/%≤2.01.4粗集料堅(jiān)固性/%≤1210.4針片狀顆粒含量/%≤1513.2水洗法<0.075 mm顆粒含量/%≤10.82表觀相對密度≥2.54.1細(xì)集料堅(jiān)固性(>0.3 mm)/%≤129.2含泥量(小于0.075 mm的含量/%≤32.53砂當(dāng)量/%≥6081.6

1.3 橡膠瀝青

采用濕法工藝制備橡膠瀝青，以SK70#基質(zhì)瀝青作為調(diào)和瀝青，制備溫度為180 ℃，制備時(shí)間為60 min。不同膠粉摻量的橡膠瀝青性能見表4。

表4 不同膠粉摻量的橡膠瀝青性能Table 4 Performance of rubber asphalt with different rub-ber powder content膠粉摻量/%針入度/(0.1 mm)15 ℃25 ℃30 ℃延度(5 ℃)/cm518.438.566.46.71021.643.770.27.51524.247.274.18.62027.551.479.69.5軟化點(diǎn)/℃PI彈性恢復(fù)/%135 ℃黏度/(Pa·s)53.40.56422 67457.90.88565 35761.51.23688 24165.61.598113 422

由此可知，膠粉的加入使基質(zhì)瀝青的高低溫性能和彈性恢復(fù)性能都有了不同程度的改善[13]。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以橡膠瀝青作為熱再生瀝青混合料的調(diào)和瀝青，采用AC13和AC16兩種級配制備混合料小梁試件，油石比為5.5%，試件尺寸為30 mm×35 mm×250 mm。綜合考慮研究區(qū)域的環(huán)境狀況，在MTS萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度選為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，以抗彎拉強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo)[14]。采用L16(43)三因素四水平正交表來進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)水平和因素Table 5 Level and factors of orthogonal test水平因素A因素B因素C膠粉摻量/%膠粉細(xì)度/目RAP舊料摻量/%152020210403531560504208065

按照正交設(shè)計(jì)里的組合來制備橡膠熱再生瀝青混合料小梁試件，然后分別進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Result of orthogonal test試驗(yàn)編號試驗(yàn)條件及結(jié)果膠粉摻量/%膠粉細(xì)度/目RAP摻量/%彎拉強(qiáng)度/kPaAC13AC1615202013 93612 45925403514 77914 19235605013 83113 06745806513 52513 053510203513 67511 608610402011 70811 227710606512 60512 934810805010 78511 486915205011 69710 9821015406513 56913 2821115602012 37211 6741215803512 71412 2711320206512 33211 9381420405013 62913 3211520603511 48610 7721620802012 53711 976

由表6可知，相同條件下的AC13級配混合料所對應(yīng)的彎拉強(qiáng)度值大于AC16級配混合料[15]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對表6中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，研究不同級配條件下各影響因子對試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重，如表7所示。

在表7中，R為極差，極差越大，則因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響就越大。由表7可知， 對于兩種不同級配，三個(gè)因素對小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重排序均為：膠粉摻量(A)>RAP摻量(C)>膠粉細(xì)度(B)，即膠粉摻量對橡膠熱再生瀝青混合料彎拉強(qiáng)度的影響最大，RAP摻量次之，膠粉細(xì)度量的影響最小。為了推薦最優(yōu)試驗(yàn)組合，將極差分析結(jié)果進(jìn)一步整理，如圖1所示。

表7 極差分析結(jié)果Table 7 Result of range analysis因素級配計(jì)算指標(biāo)RA: 膠粉摻量AC131 971.25AC161 529.00B: 膠粉細(xì)度AC13539.75AC16392.25C: RAP摻量AC13910.50AC161 046.25

由圖1可知，對于AC13級配，試驗(yàn)組合A1B1C2的彎拉強(qiáng)度最好，即膠粉摻量為5%，膠粉細(xì)度為20目，RAP料摻量為35%；對于AC16級配，試驗(yàn)組合A1B2C2的彎拉強(qiáng)度最好，即膠粉摻量為5%，膠粉細(xì)度為40目，RAP料摻量為35%。

圖1 各影響因素的水平效應(yīng)圖Figure 1 Effects plots of each influence factors

以試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)的兩組試驗(yàn)組合(A1B1C2和A1B2C2)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析不同級配條件下的膠粉摻量、膠粉細(xì)度及RAP料摻量對橡膠熱再生瀝青混合料彎拉強(qiáng)度的影響。令膠粉細(xì)度及RAP料摻量不變，即AC13級配的膠粉細(xì)度20目，RAP料摻量為35%，AC16級配的膠粉細(xì)度為40目，RAP料摻量為35%?？箯澙瓘?qiáng)度隨不同膠粉摻量的變化情況如圖2所示。

圖2 抗彎拉強(qiáng)度隨膠粉摻量的變化Figure 2 Variation of the flexural strength with the rubber crumb content

從圖2可以看出，隨著膠粉摻量的增加，兩種級配所制備的橡膠熱再生瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。這是因?yàn)橄鹉z熱再生瀝青混合料中含有部分老化瀝青，導(dǎo)致瀝青中的膠粉會相對較快的達(dá)到飽和，混合料的彎拉強(qiáng)度會由于橡膠瀝青的調(diào)和而達(dá)到一個(gè)峰值。隨著膠粉摻量不斷增大，多余的膠粉會聚集成低粘結(jié)力的膠粉團(tuán)，在低溫條件下會導(dǎo)致瀝青的延性受阻，從而造成橡膠熱再生瀝青混合料的整體彎拉強(qiáng)度下降[16]。

令膠粉摻量和RAP料摻量不變，即兩種級配的膠粉摻量均為5%，RAP料摻量均為35%?？箯澙瓘?qiáng)度隨不同膠粉細(xì)度的變化情況如圖3所示。

圖3 抗彎拉強(qiáng)度隨膠粉細(xì)度的變化Figure 3 Variation of the flexural strength with the rubber crumb fineness

由圖3可知，隨著膠粉細(xì)度的增大，兩種級配所對應(yīng)的抗彎拉強(qiáng)度波動不大，這說明橡膠熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能受膠粉細(xì)度的影響較小[17]。當(dāng)膠粉細(xì)度為20目時(shí)，AC13級配的橡膠熱再生瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到峰值。當(dāng)膠粉細(xì)度為40目時(shí)，AC16級配的橡膠熱再生瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到峰值。

令膠粉摻量和膠粉細(xì)度不變，即AC13級配橡膠熱再生瀝青混合料的膠粉摻量為5%，膠粉細(xì)度為20目，AC16級配橡膠熱再生瀝青混合料的膠粉摻量為5%，膠粉細(xì)度為40目?？箯澙瓘?qiáng)度隨不同RAP料摻量的變化情況如圖4所示。

圖4 抗彎拉強(qiáng)度隨RAP料摻量的變化Figure 4 Variation of the flexural strength with the RAP content

由圖4可知，當(dāng)RAP料摻量為35%時(shí)，兩種級配所對應(yīng)的抗彎拉強(qiáng)度均達(dá)到峰值，這與上文正交分析結(jié)果一致。這是因?yàn)樵谙鹉z熱再生瀝青混合料中，橡膠瀝青會對摻入的RAP料起到調(diào)和作用，從而使混合料的整體抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)最佳值。但隨著RAP摻量的不斷增大，會造成老化瀝青的含量偏高，且沒有足夠的橡膠瀝青進(jìn)行調(diào)和，從而導(dǎo)致了混合料的抗彎拉強(qiáng)度持續(xù)降低[18]。

為了研究不同膠粉摻量、膠粉細(xì)度和RAP料摻量條件下，低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果的波動性，進(jìn)一步確定各影響因素對橡膠熱再生瀝青混合料彎拉強(qiáng)度的影響權(quán)重，采用變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)來表征，其計(jì)算公式如式(1)所示 。

(1)

其中，CV為變異系數(shù);S為標(biāo)準(zhǔn)差;X為均值。變異系數(shù)越大，說明數(shù)據(jù)組的波動性就越大，即因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重就越大[19]。對圖2至圖4中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行變異性分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)Figure 5 Variation coefficient of beam bending test

由圖5可知，在不同膠粉摻量條件下，無論是AC13級配還是AC16級配，其相應(yīng)的橡膠熱再生瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度的波動相對最大，試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)最大可達(dá)10.48%，且膠粉摻量對AC13級配的橡膠熱再生瀝青混合料抗彎強(qiáng)度的影響效應(yīng)要高于對AC16級配混合料的影響效應(yīng)。根據(jù)圖5可以看出，在膠粉摻量、膠粉細(xì)度以及RAP料摻量這三個(gè)影響因素中，膠粉摻量對橡膠熱再生瀝青混合料彎拉強(qiáng)度的影響權(quán)重最大，其次是RAP料摻量和膠粉細(xì)度，這也與上文中的正交試驗(yàn)分析結(jié)果一致。

4 橡膠熱再生瀝青混合料的工作性

本文從瀝青混合料的施工和易性方面入手，對橡膠熱再生瀝青混合料在河北低溫地區(qū)的工作性進(jìn)行探討。采用課題組自行開發(fā)的和易性測試設(shè)備，矢量圖如圖6所示。該設(shè)備可以在拌和筒中模擬橡膠熱再生瀝青混合料在拌鍋中的拌和過程，操作時(shí)將焊接三葉片的轉(zhuǎn)軸埋入拌和筒里的瀝青混合料中，轉(zhuǎn)軸上嵌入扭力扳手，在一定溫度下以恒定速率轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，并在扭力扳手上讀出相應(yīng)的扭矩值，依據(jù)扭矩的大小來評價(jià)瀝青混合料的和易性[20]。 本文中瀝青混合料和易性的測定過程為：將經(jīng)保溫好的恒定溫度的10 kg瀝青混合料倒入拌和筒中，以轉(zhuǎn)速為3 s/轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動扭力扳手，記錄扭矩值。扭矩值越小，和易性越好。

圖6 和易性測試設(shè)備Figure 6 Test equipment of workability

分別對不同拌和溫度(150，160，170，180，190 ℃)和不同級配(AC13，AC16)的橡膠熱再生瀝青混合料進(jìn)行現(xiàn)場施工和易性測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 和易性試驗(yàn)結(jié)果Figure 7 Test results of workability

由圖7可知，在一定的拌和溫度范圍內(nèi)(150～190 ℃)，不同級配混合料的扭矩值均隨著拌和溫度的增大而減小，即橡膠熱再生瀝青混合料的和易性隨著拌和溫度的增大而不斷改善，且當(dāng)拌和溫度相同時(shí)，AC13級配混合料的施工和易性要優(yōu)于AC16級配[21]。

5 結(jié)論

a.在河北低溫地區(qū)，相同條件下AC13級配橡膠熱再生瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度要優(yōu)于AC16級配；對于AC13級配，試驗(yàn)組合A1B1C2所制備的混合料抗彎拉性能相對最好，即膠粉摻量為5%，膠粉細(xì)度為20目，RAP料摻量為35%；對于AC16級配，試驗(yàn)組合A1B2C2所制備的混合料抗彎拉強(qiáng)度最好，即膠粉摻量為5%，膠粉細(xì)度為40目，RAP料摻量為35%。

b.隨著膠粉摻量的增加，兩種級配所制備的橡膠熱再生瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢；結(jié)合因素的變化趨勢分析和試驗(yàn)結(jié)果的變異性分析可知，膠粉摻量對橡膠熱再生瀝青混合料抗彎性能的影響最大，RAP摻量次之，膠粉細(xì)度量的影響最??；膠粉摻量對AC13級配的橡膠熱再生瀝青混合料彎拉強(qiáng)度的影響效應(yīng)要高于對AC16級配混合料的影響效應(yīng)。

c.在河北低溫地區(qū)，當(dāng)橡膠熱再生瀝青混合料的拌和溫度在一定范圍內(nèi)(150～190 ℃)變化時(shí)，其和易性隨著拌和溫度的增大而不斷改善，且當(dāng)拌和溫度相同時(shí)，AC13級配混合料的施工和易性要優(yōu)于AC16級配。