就地?zé)嵩偕旌狭闲阅苡绊戧P(guān)鍵因素的試驗(yàn)研究

仰建崗，張 偉，姚玉權(quán)，郭澤文，陸春霖

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.華東交通大學(xué) 道路工程研究所，江西 南昌 330013；3.華東交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，江西 南昌 330013；4.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)具有施工速度快、交通影響小、完全利用原路面瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavements，RAP)的特點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，并在路面養(yǎng)護(hù)中被廣泛應(yīng)用[1-4]。然而，其施工容易受施工環(huán)境、路況條件等因素的影響，使得碾壓后的瀝青路面存在壓實(shí)度不均勻以及水穩(wěn)定性不足的風(fēng)險。目前，關(guān)于材料組成及施工環(huán)境等因素對就地?zé)嵩偕鸀r青混合料性能影響的研究已經(jīng)積累了較多的研究成果。M.Adnan等[5]研究發(fā)現(xiàn)RAP摻量與再生瀝青混合料水穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)，且溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性更低。Ameri等[6]認(rèn)為，再生劑可以增加再生瀝青混合料的抗疲勞性能。Ali等[7]報道，再生劑可以增加再生瀝青混合料抗水損以及疲勞性能，但會降低高溫穩(wěn)定性。Hassan等[8]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)與油基再生劑均可以改善再生瀝青混合料性能，但是有機(jī)再生劑的影響更明顯。Zaumanis等[9]研究了9種類型的再生劑對老化瀝青的影響，發(fā)現(xiàn)不同類型的再生劑對老化瀝青性能影響程度具有差異，不同再生劑軟化效率差異最大可達(dá)到12倍，且再生劑可以改善瀝青混合料的低溫性能。仰建崗等[10]、范鵬云等[11]研究表明，再生劑可以改善再生瀝青混合料性能至新瀝青混合料水平。然而，現(xiàn)有研究主要集中在再生劑以及溫拌劑對再生瀝青混合料性能的影響機(jī)理方面，關(guān)于就地?zé)嵩偕┕さ臍夂颦h(huán)境、原路面狀況和施工機(jī)械復(fù)雜多變等方面對再生瀝青混合料性能影響程度關(guān)注較少。此外，就地?zé)嵩偕┕ぶ腥绾胃鶕?jù)外界條件的變化來動態(tài)調(diào)整材料組成來保障施工質(zhì)量方面的研究也較少。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，就地?zé)嵩偕夹g(shù)在施工過程中施工溫度動態(tài)變化，為研究施工溫度、材料組成對再生瀝青混合料性能的影響，選擇碾壓溫度、再生劑用量、溫拌劑用量為研究因素，分別研究了其對再生瀝青混合料空隙率及水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。首先，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并采用極差分析法分析了3種因素對再生瀝青混合料性能的影響程度；其次，構(gòu)建二次回歸方程分析了3種因素對再生瀝青混合料性能的影響規(guī)律；最后，采用灰色關(guān)聯(lián)法分析了空隙率與水穩(wěn)定性之間的相關(guān)性，提出就地?zé)嵩偕┕ぶ锌勺鳛閰⒖紭?biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵控制指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，提出了就地?zé)嵩偕┕み^程質(zhì)量控制方法。本研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

1 原材料與研究方法

1.1 原材料技術(shù)性能

設(shè)計(jì)再生瀝青混合料的原材料包括玄武巖集料、再生劑、溫拌劑、礦粉、SBS改性瀝青、RAP，并根據(jù)規(guī)范[12-13]要求分別測定原材料的技術(shù)指標(biāo)。玄武巖礦料的技術(shù)指標(biāo)見表1；再生劑的技術(shù)指標(biāo)見表2；溫拌劑的技術(shù)指標(biāo)見表3；礦粉的技術(shù)指標(biāo)見表4；SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表5。

RAP取自泉南高速石吉段，采用就地?zé)嵩偕訜釞C(jī)組加熱、銑刨方法獲取RAP。此外，采用抽提法分離RAP中的瀝青與集料，測定瀝青含量為4.17%，礦料級配如圖2所示。采用阿布森法將瀝青溶液中的老化瀝青與溶劑分離，并測試?yán)匣癁r青性能指標(biāo)，當(dāng)再生劑摻加為舊瀝青質(zhì)量3%(RAP質(zhì)量的0.1%)時的再生瀝青針入度指標(biāo)與老化前一致。RAP技術(shù)性能指標(biāo)見表6。

表1 玄武巖礦料技術(shù)性能Tab.1 Technical performance of basalt ore

表2 再生劑技術(shù)性能Tab.2 Technical performance of rejuvenator

表3 溫拌劑技術(shù)性能Tab.3 Technical performance of warm mix agent

表4 礦粉技術(shù)性能Tab.4 Technical performance of mineral powder

表5 SBS改性瀝青技術(shù)性能Tab.5 Technical performance of SBS modified asphalt

表6 RAP技術(shù)性能Tab.6 Technical performance of RAP

1.2 研究方案

1.2.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

為研究碾壓溫度(A)、再生劑用量(B)以及溫拌劑用量(C)對再生瀝青混合料性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)，因素水平見表7。其中，碾壓溫度110，130，150 ℃分別表示原路面加熱溫度不足、適宜和較高的情況；再生劑和溫拌劑的最大用量范圍取自產(chǎn)品手冊。

表7 設(shè)計(jì)因素水平Tab.7 Level of design factors

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)面層常用材料類型，本研究設(shè)計(jì)級配類型為AC-13型再生瀝青混合料，級配曲線如圖2所示。其中，RAP摻量為90%，新集料摻量為10%，并通過馬歇爾試驗(yàn)得到再生瀝青混合料最佳瀝青用量為4.9%。

圖2 設(shè)計(jì)級配Fig.2 Design gradation

1.2.3 試件成型與試驗(yàn)方法

研究主要考慮再生瀝青混合料的壓實(shí)度與水穩(wěn)定性，分別采用空隙率、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)表示。因此，將各組正交試驗(yàn)方案按照規(guī)程要求進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。再生瀝青混合料在制備過程中，RAP加熱溫度為130 ℃，新集料加熱溫度為190 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度為170 ℃，拌和溫度為150 ℃。為控制各組再生瀝青混合料壓實(shí)溫度，分別將各組拌和后的再生瀝青混合料置于110，130，150 ℃ 烘箱中保溫1 h，待達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)溫度后開始試件的制備工作，具體試件制備流程如圖3所示。每組方案依據(jù)規(guī)程要求進(jìn)行測試[13]。

圖3 試件制備流程Fig.3 Sample preparation process

1.2.4 研究方法

(1)因素影響權(quán)重分析

采用極差分析法分析因素對空隙率指標(biāo)以及凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)的影響權(quán)重，確定因素影響程度。

(2)回歸分析

采用二次回歸方程分析研究因素與空隙率、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)之間的變化關(guān)系[10]。方程可表示為：

(1)

一般，二次回歸擬合模型主要包括線性模型、交叉模型、純二次模型以及完全二次模型，其中，完全二次模型需要的試驗(yàn)組數(shù)量最高。根據(jù)計(jì)算可知建立完全二次模型需要至少10組試驗(yàn)，而本研究設(shè)計(jì)試驗(yàn)組為9組，僅考慮線性模型、交叉模型、純二次模型的回歸分析，并以擬合優(yōu)度(R2)與剩余標(biāo)準(zhǔn)差(S)評價模型的可靠性。剩余標(biāo)準(zhǔn)差S的計(jì)算公式為：

(2)

式中，Q為殘差平方和；fQ為殘差自由度。

(3)灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)包括灰色絕對關(guān)聯(lián)、灰色相對關(guān)聯(lián)、灰色綜合關(guān)聯(lián)。灰色絕對關(guān)聯(lián)度表示兩個數(shù)據(jù)集之間的幾何相似程度，灰色相對關(guān)聯(lián)度表示兩個數(shù)據(jù)集相對各自起始點(diǎn)之間的變化速率的相似程度，灰色綜合關(guān)聯(lián)度可以綜合表示兩數(shù)據(jù)集之間的關(guān)聯(lián)程度。其中，灰色絕對關(guān)聯(lián)采用始點(diǎn)零化算子計(jì)算，灰色相對關(guān)聯(lián)采用初值化算子計(jì)算，計(jì)算方法如式(3)～(6)所示，并采用式(7)計(jì)算灰色絕對關(guān)聯(lián)度[14-17]。

(3)

(4)

(5)

(6)

ρ0i=θε0i+(1-θ)r0i，

(7)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照規(guī)范[13]分別計(jì)算空隙率(VV)、未凍融劈裂抗拉強(qiáng)度(RT1)、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度(RT2)以及凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)，結(jié)果見表8。由表8可知，碾壓溫度(A)、再生劑用量(B)以及溫拌劑用量(C)對空隙率的影響均正相關(guān)，對水穩(wěn)定性指標(biāo)的影響規(guī)律不明顯。

2.2 極差分析

采用極差分析法計(jì)算不同因素與指標(biāo)之間的極差，分析因素對指標(biāo)的影響程度大小，計(jì)算結(jié)果見表9、表10。由表9、表10可知，碾壓溫度、再生劑以及溫拌劑對空隙率以及凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)的影響程度具有差異性。此外，不同因素對空隙率的影響程度排序?yàn)椋耗雺簻囟?再生劑>溫拌劑，而對凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比的影響程度排序?yàn)椋涸偕鷦?溫拌劑>碾壓溫度。

表8 試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Test result

表9 空隙率極差分析Tab.9 Range analysis of air voids

表10 凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比極差分析Tab.10 Range analysis of freeze-thaw splitting tensile strength ratio

2.3 回歸分析

建立二次回歸模型分析不同因素對指標(biāo)影響的變化趨勢。此外，為減小碾壓溫度與再生劑用量、溫拌劑用量之間的數(shù)據(jù)差異，采用對數(shù)函數(shù)對碾壓溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算公式為：

x1=lnT,

(8)

式中，x1為處理后的碾壓溫度；T為實(shí)際碾壓溫度。

采用計(jì)算機(jī)建立3種因素與空隙率、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)之間的線性、純二次、交叉模型，并分別計(jì)算擬合優(yōu)度R2與剩余標(biāo)準(zhǔn)差S，結(jié)果見表11。

表11 擬合優(yōu)度與剩余標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果Tab.11 Calculation result of fit goodness and residual standard deviation

由表11可知，純二次模型擬合空隙率指標(biāo)的擬合優(yōu)度與剩余標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)，擬合模型見式(9)；交叉模型擬合的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)的擬合優(yōu)度與剩余標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)，擬合模型見式(10)。并根據(jù)公式(9)、式(10)分別分析空隙率、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比在不同碾壓溫度情況下隨再生劑、溫拌劑的變化趨勢，結(jié)果如圖4、圖5所示。

y1=-171.406 3+77.010 5x1-0.226 7x2-

(9)

y2=1.928 9-0.209 6x1+1.513 8x2-

0.791 9x3-0.301 8x1x2+0.160 3

x1x3+0.002 6x2x3，

(10)

式中，y1為空隙率；y2為凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比；x1為處理后的碾壓溫度；x2為再生劑用量；x3為溫拌劑用量。

圖4 不同碾壓溫度下的空隙率與再生劑以及溫拌劑用量變化規(guī)律Fig.4 Variations of air voids, rejuvenator and warm mix agent dosage at different rolling temperatures

圖5 不同碾壓溫度下的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比與再生劑以及溫拌劑用量變化規(guī)律Fig.5 Variations of freeze-thaw splitting tensile strength ratio, rejuvenator and warm mix agent dosage at different rolling temperatures

由圖4可見，再生瀝青混合料空隙率隨碾壓溫度的增加而減小。相同碾壓溫度情況下，再生瀝青混合料空隙率隨再生劑用量的增加而顯著減小，而空隙率隨溫拌劑用量的增加而減小的趨勢不顯著。由圖5可見，再生瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比隨碾壓溫度的增大以及再生劑用量的增加總體呈增大趨勢。然而，碾壓溫度在110,130 ℃時，再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比隨溫拌劑用量的增加呈降低趨勢，而150 ℃時則反之。此外，碾壓溫度越低時，再生劑以及溫拌劑對再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比的影響越顯著。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析

一般，就地?zé)嵩偕F(xiàn)場施工過程中不能及時測量再生瀝青混合料水穩(wěn)定性，而空隙率指標(biāo)可以即時檢測。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析再生瀝青混合料空隙率與凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比之間的相關(guān)性，計(jì)算得到灰色絕對關(guān)聯(lián)度為0.818 2，相對關(guān)聯(lián)度為0.669 8，綜合關(guān)聯(lián)度為0.744 0?？梢?，空隙率與凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比之間相關(guān)性水平較高。因此，就地?zé)嵩偕┕み^程中可通過控制空隙率指標(biāo)保障水穩(wěn)定性，可將空隙率指標(biāo)作為施工中的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

通過灰色關(guān)聯(lián)分析可知空隙率可作為就地?zé)嵩偕F(xiàn)場施工關(guān)鍵控制指標(biāo)。此外，通過對不同地區(qū)就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)工程調(diào)研，發(fā)現(xiàn)就地?zé)嵩偕┕て陂g的碾壓溫度基本分布在110～140 ℃，結(jié)合公式(9)得到不同碾壓溫度的再生瀝青混合料空隙率分布，如圖6所示。

圖6 不同碾壓溫度再生瀝青混合料空隙率的變化規(guī)律Fig.6 Variation of air voids of recycled asphalt mixture at different rolling temperatures

規(guī)范[18]要求再生瀝青混合料空隙率控制范圍為3%～6%。由圖6可知，碾壓溫度大于140 ℃時，空隙率基本滿足規(guī)范要求；當(dāng)碾壓溫度小于140 ℃，再生瀝青混合料均有空隙率不合格的情況。此外，隨著碾壓溫度的增加，不合格空隙率所占面積在逐漸降低。因此，鑒于就地?zé)嵩偕┕み^程中現(xiàn)場施工溫度受環(huán)境因素的影響發(fā)生動態(tài)變化，為控制就地?zé)嵩偕┕べ|(zhì)量的均勻性，并保障施工進(jìn)度，可根據(jù)施工過程中所需控制的目標(biāo)空隙率/最低空隙率要求，動態(tài)調(diào)整再生劑/溫拌劑添加量，從而保障不同施工溫度條件下就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的施工質(zhì)量。

綜上所述，就地?zé)嵩偕┕み^程中，考慮到施工溫度的不均勻性，為保障就地?zé)嵩偕┕べ|(zhì)量以及施工均勻性，可通過動態(tài)控制再生劑/溫拌劑添加量的方式保障施工質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)碾壓溫度、再生劑用量分別對再生瀝青混合料空隙率、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)影響程度最高。空隙率指標(biāo)與凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)之間的變化趨勢相反，但兩種指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度較高，可采用空隙率指標(biāo)作為現(xiàn)場就地?zé)嵩偕┕ば阅芸刂频年P(guān)鍵指標(biāo)。

(2)碾壓溫度低于140 ℃時，不同再生劑以及溫拌劑用量的就地?zé)嵩偕鸀r青混合料均存在空隙率不滿足規(guī)范3%～6%的控制要求。因此，需要動態(tài)調(diào)整再生劑或溫拌劑用量使再生瀝青混合料壓實(shí)質(zhì)量滿足控制范圍要求。

(3)為動態(tài)控制就地?zé)嵩偕┕べ|(zhì)量，建議采用紅外熱成像設(shè)備采集就地?zé)嵩偕┕と^程路表、再生瀝青混合料、攤鋪、碾壓溫度分布，分析不同斷面溫度分布的均勻性以及溫度差異，判斷溫度是否滿足壓實(shí)需求。同時，采用無核密度儀測定復(fù)壓完成后的就地?zé)嵩偕访婵障堵?壓實(shí)度，分析檢測斷面壓實(shí)度分布均勻性并判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。否則，根據(jù)現(xiàn)場壓實(shí)溫度以及目標(biāo)空隙率要求，結(jié)合回歸模型計(jì)算合理的再生劑與溫拌劑用量，動態(tài)調(diào)整就地?zé)嵩偕鷻C(jī)組施工時的再生劑以及溫拌劑添加量，以達(dá)到控制施工質(zhì)量以及施工均勻性的目的。