不同摻量RAP溫拌再生瀝青混合料抗永久變形能力研究

馬宗良

(青海省路橋一公司 西寧市 510300)

0 引言

熱拌瀝青混合料(hot-mix asphalt，HMA)施工中，干燥和加熱骨料會浪費(fèi)大量能源并排放氣體污染物，對自然環(huán)境造成威脅，如何降低能源消耗和廢氣排放成為道路研究者重點(diǎn)關(guān)注的課題。溫拌瀝青混合料作為一種新技術(shù)，其制備溫度比傳統(tǒng)HMA低10～30℃。降低能耗不僅可以節(jié)約資金，還可以減少瀝青路面施工過程中排放的煙氣和溫室氣體，更加環(huán)保[1-2]。溫拌瀝青(Warm-mix asphalt，WMA)技術(shù)要求降低瀝青結(jié)合料的粘度，通過添加有機(jī)或礦物添加劑來補(bǔ)償溫度降低對瀝青混合料性能的影響。Sasobit是生產(chǎn)溫拌瀝青的最佳添加劑之一，它不僅降低了瀝青的粘度，而且提高了瀝青的軟化點(diǎn)、復(fù)合模量、抗車轍因子。

盡管WMA混合料有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于拌和和壓實(shí)溫度的降低，WMA的使用性能受到較大影響。有研究表明：WMA瀝青混凝土的抗車轍能力不足，李斌[3-4]等人認(rèn)為這主要與在較低拌和和施工溫度下結(jié)合料的氧化硬化不足有關(guān)；此外，加熱可能會導(dǎo)致RAP顆粒過度老化，使用溫拌加熱技術(shù)會緩解這一問題。因此，人們對WMA技術(shù)產(chǎn)生了極大的興趣，吳凡等[5]研究了不同溫拌技術(shù)對瀝青性能和瀝青混合料壓實(shí)溫度的影響，左鋒等[6-7]研究認(rèn)為添加溫拌劑可提高再生瀝青混合料舊料摻量，建議摻量不超過50%。然而不同溫拌技術(shù)(比如Sasobit 和Zycotherm)和不同舊料摻量對溫拌再生瀝青混合料的抗車轍性能和回彈模量的影響尚不清楚，研究了不同溫拌技術(shù)和不同RAP摻量下WMA混凝土的抗永久變形能力，并與HMA混合料性能進(jìn)行對比分析。共采用12種瀝青混合料開展了室內(nèi)試驗(yàn)研究，混合料類型分別是HMA和兩種不同溫拌技術(shù)的WMA混合料，RAP含量分別為總集料質(zhì)量的0%、25%、50%和75%。采用的試驗(yàn)包括：馬歇爾試驗(yàn)、彈性模量試驗(yàn)、動態(tài)蠕變試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料與級配

RAP的舊料是從某一級公路銑刨路面回收得到，舊料先進(jìn)行破碎篩分，舊料級配見表1所示，對級配不良的銑刨料，通過摻加部分新料以改善其級配。根據(jù)級配要求及篩分結(jié)果，需在舊瀝青混合料中加入石屑和碎石，摻入量依據(jù)原路面級配確定，新集料的各項(xiàng)技術(shù)性質(zhì)必須滿足規(guī)范要求。此外，測定了RAP的瀝青含量為5.1%。

新瀝青采用SK70瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)見表2所示。溫拌劑采用Sasobit和Zycotherm，添加劑量參考已有研究[8-9]，本文確定在120℃的溫度下Sasobit添加3%, Zycotherm 添加0.15%(按瀝青重量的百分比)。

表1 舊料篩分結(jié)果

表2 SK70瀝青技術(shù)指標(biāo)

制作WMA和HMA混合料試件時，分別將新集料在135℃和170℃下加熱24h、RAP集料在135℃和150℃下加熱2h，且RAP的摻加量分別為0%、25%、50%和75%，按照瀝青混合料的設(shè)計(jì)要求，成型馬歇爾試件。各種混合料級配的最佳瀝青含量見表3所示，在最佳瀝青含量下進(jìn)行相應(yīng)的基本性能測試。

表3 不同RAP摻量下的瀝青混合料的最佳瀝青含量

1.2 試驗(yàn)方法

為了更好地評價不同摻量RAP溫拌再生瀝青混合料的抗永久變形能力，分別對HMA和WMA混合料試件進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)、動態(tài)蠕變試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)。三類試驗(yàn)所采用的試樣空隙率均控制在6%～7%，每個試驗(yàn)做三個平行試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

(1)回彈模量測試

瀝青混合料回彈模量測試采用SANS電子萬能試驗(yàn)機(jī)?；貜椖Ａ渴锹访娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的重要參數(shù)，回彈性模量是在重復(fù)加載卸載作用下，軸向應(yīng)力與可恢復(fù)的軸向應(yīng)變之比，應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)儀器可自動讀取記錄。試件尺寸為直徑100mm，高度100mm，以2mm/min的加載速率均勻加載至破壞，記錄試件破壞時的荷載峰值。最后將埋放有傳感器的試件置于壓頭，分別取0.1P、0.2P、0.3P、0.4P、0.5P、0.6P和0.7P七級作為試驗(yàn)荷載加載。

(2)動態(tài)蠕變試驗(yàn)

動態(tài)蠕變試驗(yàn)是用來測試瀝青混合料在重復(fù)荷載作用下的永久變形，采用通用試驗(yàn)機(jī)(UTM-25)進(jìn)行動態(tài)蠕變試驗(yàn)，來表征瀝青混合料的抗車轍損壞能力。測試試樣在半正弦波進(jìn)行加載，用線性可變差動傳感器測量同一加載方向的變形。試樣尺寸為直徑100mm，高度150mm，首先將每種混合料的三個試樣置于50℃的環(huán)境箱中保溫5 h，然后施加700 kPa的應(yīng)力作為軸向應(yīng)力，加載周期為加載0.1s、卸載0.9s，進(jìn)行動態(tài)重復(fù)加載，并使用線性可變差傳感器(LVDT)測量軸向變形。選擇流變次數(shù)(定義為試樣中永久應(yīng)變顯著增加的循環(huán)次數(shù))評價瀝青混合料抵抗永久變形能力的參數(shù)。

(3)漢堡車轍試驗(yàn)

漢堡車轍試驗(yàn)可測試瀝青混合料的抗車轍性能和抗剝落性能。主要是評價瀝青混合料在周期荷載作用下抵抗永久變形的能力。該試驗(yàn)是通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型圓柱形試件，然后切割成直徑為150mm、高度60mm的試樣，試驗(yàn)溫度為50℃，進(jìn)行30000次荷載循環(huán)，自動連續(xù)測量輪跡中點(diǎn)處壓入的深度，精度為0.01mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 回彈模量試驗(yàn)結(jié)果分析

回彈模量表征了在垂直荷載作用下，瀝青路面抵抗豎向變形的能力，是瀝青混合料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的力學(xué)參數(shù)。25℃下WMA和HMA瀝青混合料的回彈模量測試結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，隨著RAP摻量增加瀝青混合料的回彈模量值增加，尤其高摻量RAP下回彈模量增加更顯著，主要原因是老化RAP瀝青混合料勁度的影響。還發(fā)現(xiàn)當(dāng)RAP摻量不超過50%時， Sasobit-WMA瀝青混合料的回彈模量高于HMA和Zycotherm-WMA混合料,當(dāng)摻量超過50%后Zycotherm-WMA的回彈模量最小。

2.2 動態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析

動態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，由圖2可以看出隨著RAP混合料摻量增大，流變次數(shù)增加，尤其是RAP摻量為75%時，Sasobit-WMA混合料達(dá)到破壞時的流變次數(shù)在8000次以上。與新瀝青相比，回收利用的瀝青粘附集料更困難，主要原因是暴露在自然環(huán)境中的路面氧化老化嚴(yán)重。一般而言，降低溫度可減少氧化老化而提高瀝青混合料的抗永久變形能力。然而，Zycotherm-WMA混合料的流變次數(shù)小于添加Sasobit-WMA混合料和HMA混合料，同等條件下Zycotherm 的溫拌瀝青混合料的抵抗永久變形能力最弱，主要原因是Sasobit改性的瀝青結(jié)合料具有較高的勁度，使得相應(yīng)混合料具有顯著的抗永久變性能力；不同摻量的HMA混合料試驗(yàn)結(jié)果還表明：采用RAP取代新集料可以顯著提升混合料的抗永久變形能力。

2.3 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，車轍試驗(yàn)結(jié)果與動態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果一致，隨著RAP摻量增加，車轍深度減小，且同一摻量下的溫拌瀝青混合料的車轍深度小于HMA的。

3 結(jié)論

(1)同等摻量RAP的Sasobit-WMA比HMA和Zycotherm-WMA瀝青混合料的回彈模量大，且隨著RAP摻量增加回彈模量增幅更大。

(2)由回彈模量試驗(yàn)結(jié)果可推斷，在Sasobit-WMA混合料中加入RAP材料可以提升混合料的勁度，Zycotherm-WMA混合料中RAP會降低其勁度，Zycotherm-WMA混合料的回彈模量與HMA混合料的幾乎相同；另外，由動態(tài)蠕變試驗(yàn)可推斷，不是所有的溫拌劑都能提高再生瀝青混合料舊料摻量。

(3)與Zycotherm-WMA和HMA混合料相比，Sasobit-WMA混合料具有顯著的抗永久變形能力，主要原因是Sasobit改性瀝青結(jié)合料勁度大，Zycotherm-WMA混合料流變次數(shù)最小。隨著RAP摻量增加，WMA和HMA混合料的抗車轍性能增強(qiáng)且與溫拌技術(shù)無關(guān)。