溫拌再生瀝青混合料RAP摻量方法及性能研究

孫建國，黃國揚(yáng)

(重慶通力高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，重慶　400039)

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溫拌再生瀝青混合料RAP摻量方法及性能研究

孫建國，黃國揚(yáng)

(重慶通力高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，重慶400039)

孫建國(1981—)，工程師，主要從事路基路面材料研究工作；

黃國揚(yáng)(1981—)，工程師，主要從事工程管理工作。

摘要：文章根據(jù)AC-13、AC-20的材料組成，選用合理的RAP摻配方案和摻配方法進(jìn)行試件成型，并通過凍融劈裂強(qiáng)度、應(yīng)變能密度和車轍試驗(yàn)，研究不同RAP摻量下溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫性能和高溫穩(wěn)定性。結(jié)果表明：溫拌再生瀝青混合料的凍融破裂強(qiáng)度比大于熱再生瀝青混合料，隨著RAP摻量增加，溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性先增后降，RAP摻量為40%時凍融破裂強(qiáng)度比達(dá)到最大值；溫拌再生瀝青混合料的低溫性能與普通瀝青混合料大體處于同一水平；隨著RAP摻量增加，溫拌再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能得到提高。

關(guān)鍵詞：溫拌再生瀝青混合料；RAP；摻配方案；試驗(yàn)；性能影響

0引言

當(dāng)前，瀝青路面再生技術(shù)有熱再生和冷再生兩種，其中熱再生瀝青混合料一般指瀝青與礦料(RAP和部分新料)在高溫狀態(tài)下拌和、鋪筑；冷再生瀝青混合料一般指以乳化瀝青或稀釋瀝青與礦料(RAP和部分新料)在常溫狀態(tài)下拌制、鋪筑[1]。當(dāng)前研究人員只是對RAP提出篩分、分檔處理，分檔后各檔的RAP比例如何確定未見提出。對于再生瀝青混合料的性能關(guān)鍵在于RAP的質(zhì)量控制[2]。為此根據(jù)當(dāng)前AC-13、AC-20材料組成，確定合理的摻配方案和摻配方法進(jìn)行成型，研究不同RAP摻量下溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫性能。

1RAP摻配方法的確定

1.1　RAP來源及性能

RAP取自渝(重慶)長(長壽)高速公路大中修改造過程中，對原路面的上面層4 cm銑刨獲得。舊集料主要物理性能如表1所示。

表1　舊集料的物理性質(zhì)表

查閱原路面資料可知粗集料壓碎值為16.6%，對比當(dāng)前試驗(yàn)結(jié)果19.3%，其壓碎值變化較小，說明粗集料在使用過程中自身物理性能變化不大，可以說明其集料再生具有一定的實(shí)用價值。

1.2　RAP摻配方法

RAP經(jīng)過破碎、篩分、分檔后，對其摻量及摻配方法進(jìn)行分析。當(dāng)RAP摻量為30%、40%、50%時對成型的試件進(jìn)行體積參數(shù)研究，最終依據(jù)體積參數(shù)變化確定各檔RAP的摻配方法。

首先將RAP分為9.5~13.2 mm、4.75~9.5 mm、1.18~4.75 mm三檔，每檔RAP摻量比例分別按照：1#方案1∶1∶1比例添加；2#方案3∶2∶1比例添加；3#方案1∶2∶3比例添加?？倱搅堪凑?0%、40%、50%的比例，各檔的摻配方法如表2所示。

表2　不同RAP摻量的瀝青混合料各檔摻配方法表

當(dāng)RAP摻量為50%，由于第三種方案中1.18~4.75檔集料的摻量較多，使得再生混合料新加集料中2.36檔集料和礦粉的篩余質(zhì)量出現(xiàn)負(fù)值，所以3#方案舍棄，在對溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)時，只采用1#和2#兩種方案。根據(jù)(JTG E20-2011)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的方法，按照一定的拌和溫度和壓實(shí)溫度進(jìn)行試件成型，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　不同RAP摻量的瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果表

從表3中可以看出，當(dāng)RAP摻量為30%時，從瀝青飽和度、礦料間隙率兩個指標(biāo)比較，三種方案差異性不大；從空隙率的指標(biāo)看出1#方案空隙率較大，2#、3#差異性不大。從流值指標(biāo)看出，1#和3#摻配方案試件的流值差異性較大，不符合規(guī)范中的要求。因此對于30%摻量的情況，2#方法較為合適。當(dāng)RAP摻量為40%時，結(jié)合空隙率以及其他的指標(biāo)，2#方案最佳；當(dāng)RAP摻量為50%時，再生瀝青混合料只有1#和2#方案，結(jié)合馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果2#方案最為合適。

2RAP摻量對溫拌再生瀝青混合料性能的影響

根據(jù)AC-13、AC-20材料組成與上述馬歇爾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選擇2#方案的摻配方法進(jìn)行成型，研究不同RAP摻量下溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫性能，并與熱拌再生瀝青混合料性能進(jìn)行對比。

2.1　水穩(wěn)定性能研究

瀝青路面的抗水損害能力是衡量瀝青路面耐久性的重要指標(biāo)，它是指抵抗瀝青混合料受水的侵蝕逐漸產(chǎn)生瀝青膜剝離、掉粒、松散、坑槽而破壞的能力。

為評價再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)采用RAP摻量為0%、20%、30%、40%、50%的溫拌再生瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比與RAP摻量為0%、30%的熱拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能對比。不同RAP摻量下AC-13、AC-20溫拌再生瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　溫拌再生瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)表

從表4可以看出，無論是AC-13還是AC-20溫拌再生瀝青混合料的TSR大于熱拌瀝青混合料；隨著RAP摻量增加，溫拌再生瀝青混合料TSR先增大后降低。主要是因?yàn)闇匕鑴┑奶砑痈淖優(yōu)r青中的極性分量和色散分量，增強(qiáng)了集料-瀝青的粘附性能。隨著RAP摻量的增加，有效瀝青貢獻(xiàn)不足，造成粘附性能下降，水穩(wěn)定性能降低。從AC-13、AC-20兩種混合料的強(qiáng)度對比，同種摻量的RAP，AC-20強(qiáng)度比大于AC-13，說明再生瀝青混合料中集料的骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。RAP摻量為40%時TSR達(dá)到最大值，RAP摻量為50%時雖然水穩(wěn)定性能下降，但是仍能滿足要求，說明RAP摻量>40%時建議添加再生劑恢復(fù)舊瀝青的使用性能。由此說明溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能在一定范圍可以得到改善。

2.2　低溫抗裂性能

瀝青在路面使用過程中逐漸老化，回收瀝青的高溫黏度及低溫勁度模量都有所增大。在溫拌再生瀝青混合料中雖然添加一定比例的新瀝青、溫拌劑，但是由于新舊瀝青的分散均勻性和相溶滲透性較差，很難改善低溫性能。但通常來說如果破壞強(qiáng)度大，相應(yīng)的應(yīng)變就會相對較小。因此，僅從低溫下的破壞強(qiáng)度或變形能力很難區(qū)分性能材料的優(yōu)劣[3，4]。

研究認(rèn)為在綜合考慮應(yīng)力和變形兩個影響因素的前提下，利用能量概念來評價瀝青混合料低溫抗裂性的好壞較為合理。不同組成的瀝青混合料具有不同的能量儲備，瀝青混合料試件破壞時消耗的能量越大，這種瀝青路面抗裂性能就越好。由于瀝青混合料都具有一定的能量儲存能力，該能量稱之為應(yīng)變能密度，這個儲存能量能夠通過試驗(yàn)方法加以確定。本文基于低溫彎曲試驗(yàn)，回歸出材料的應(yīng)變能密度。根據(jù)瀝青混合料的破壞能的定義，可以將其單位體積的應(yīng)變能密度表示為：

(1)

其中σ、ε分別為應(yīng)力和應(yīng)變，εb為最大應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值。材料臨界應(yīng)變能密度愈大，發(fā)生破壞所需能量也就越大，其低溫抗裂性就越好。dw/dv的臨界值是斷裂時實(shí)際單軸應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系曲線下的面積，可以通過試驗(yàn)來測定[5]。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：按照AC-20溫拌再生瀝青混合料油石比以及目標(biāo)級配成型車轍試件。切割成250 mm×30 mm×35 mm小梁試件，按試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行AC-20溫拌再生瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)，并通過對比試驗(yàn)研究兩種類型溫拌再生混合料低溫彎曲性能的變化(見表5)。

表5　溫拌再生混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表

規(guī)范要求普通瀝青混合料的破壞應(yīng)變>2 000με。從表5中可以看出，溫拌再生瀝青混合料AC-20低溫性能不能滿足規(guī)范要求，隨RAP摻量的增加應(yīng)變逐漸降低，而彎拉強(qiáng)度隨RAP摻量的增加先增大后降低，說明RAP比例<50%時，溫拌再生瀝青混合料與溫拌普通瀝青混合料的低溫性能相差不大。溫拌再生瀝青混合料應(yīng)變能密度變化趨勢圖見圖1。

圖1　溫拌再生瀝青混合料應(yīng)變能密度曲線圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，混合料應(yīng)變能密度隨RAP比例的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。由于在彎拉應(yīng)變下降的同時，極限彎拉強(qiáng)度隨RAP比例而增大，從而導(dǎo)致了這一結(jié)果。此現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于溫拌劑不改變新舊瀝青的性能，RAP中的瀝青老化嚴(yán)重，單靠添加的新瀝青改善再生瀝青的性能，但是隨著RAP含量的增多，影響逐漸突出，新添加的瀝青對其性能的改善作用仍不及RAP的影響大，從而使混合料的低溫性能下降。結(jié)合強(qiáng)度和變形兩種因素分析，溫拌再生瀝青混合料的應(yīng)變能密度能隨RAP的變化先增加后降低。

2.3　高溫穩(wěn)定性能

瀝青路面高溫穩(wěn)定性是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。高溫穩(wěn)定性不足造成瀝青路面車轍病害，已經(jīng)成為我國各等級公路瀝青路面的最主要病害形式之一。溫拌再生瀝青混合料和普通混合料在使用條件上基本相同，兩者高溫性能的不同主要反映在混合料的材料組成上。溫拌再生混合料由回收的老化瀝青混合料(RAP)、再生劑、新結(jié)合料和新集料組成。而RAP中的瀝青是老化瀝青，其黏度大、勁度高的特點(diǎn)對溫拌再生混合料的高溫性質(zhì)是有利的。但是添加的新瀝青與黏度較大的舊瀝青很難達(dá)到良好的滲透互溶，影響溫拌再生混合料拌和的均一性，進(jìn)而影響溫拌再生混合料的高溫性能。

采用基質(zhì)瀝青作為新膠結(jié)料，根據(jù)確定的油石比和材料的摻量方法進(jìn)行車轍試驗(yàn)，溫拌再生瀝青混合料高溫性能測試見表6。

表6　溫拌再生混合料的車轍試驗(yàn)測試結(jié)果表

從表6中可以看出：

(1)溫拌再生瀝青混合料的高溫性能得到改善，不同比例的再生瀝青混合料動穩(wěn)定度>1 000次/mm的要求，溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度略低于熱拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度，根據(jù)已有文獻(xiàn)分析[6，7]，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要是熱拌瀝青混合料生產(chǎn)過程中加熱溫度高于溫拌瀝青混合料，其導(dǎo)致溫拌過程中瀝青老化嚴(yán)重，從而導(dǎo)致了其動穩(wěn)定度略高；

(2)隨著RAP摻量增加溫拌再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能得到提高，主要是由于RAP的添加新舊瀝青融合后瀝青變硬，勁度增大，說明溫拌再生瀝青混合料的高溫性能較好。

3結(jié)語

(1)提出再生瀝青混合料RAP的摻配方法，回收瀝青混合料破碎、篩分后，在其級配范圍內(nèi)，RAP摻量建議按照2#方案添加。

(2)結(jié)合強(qiáng)度和變形兩種因素分析，溫拌再生瀝青混合料的應(yīng)變能密度隨RAP的變化先增加后降低。

(3)隨著RAP摻量增加，溫拌再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能得到提高，主要是由于RAP的添加新舊瀝青融合后瀝青變硬，勁度增大，說明溫拌再生瀝青混合料的高溫性能較好。

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Research on RAP Blending Method and Performance of Warm-mixed Recycled Asphalt Mixtures

SUN Jian-guo，HUANG Guo-yang

(Chongqing Tongli Expressway Maintenance Engineering Co.，Ltd.，Chongqing，400039)

Abstract：Based on material composition of AC-13 and AC-20，this article selected the reasonable RAP blending plan and blending method for specimen molding，and through the freeze-thaw splitting strength，strain energy density and rutting experiments，it studied the water stability，low-temperature and high-temperature stability of warm-mixed recycled asphalt mixture under different RAP blending amount. The results showed that：the freeze-thaw splitting strength ratio of warm-mixed recycled asphalt mixture is greater than hot recycled asphalt mixtures，and with the increase of RAP content，the water stability of warm-mixed recycled asphalt mixture increases first and then drops down，and the freeze-thaw splitting strength ratio reaches the maximum when RAP content is 40%；the low-temperature per-formance of warm-mixed recycled asphalt mixture is substantially at the same level of ordinary asphalt mixture；with the increase of RAP content，the high-temperature stability of warm-mixed recycled asphalt mixture is improved.

Keywords：Warm-mixed recycled asphalt mixture；RAP；Blending programs；Test；Performance impact

收稿日期：2015-07-06

文章編號：1673-4874(2015)08-0028-05

中圖分類號：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.007

作者簡介