影響WRAM材料設(shè)計(jì)與路用性能的關(guān)鍵因素研究

吳國(guó)雄，鄧娟，梁勝超

（1重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400039；3重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020）

0 引言

瀝青路面溫拌再生技術(shù)能極大限度降低結(jié)合料的拌合溫度，避免傳統(tǒng)熱拌再生施工溫度過高及冷拌再生施工溫度較低對(duì)路面性能產(chǎn)生不利影響[1]，確保瀝青混合料的路用特性，并大幅度節(jié)省燃料、降低生產(chǎn)過程中的老化和減少排放[2]。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)WRAM路用性能的影響因素研究主要集中在單因素影響方面。 季節(jié)[3]、韓永強(qiáng)[4]及湯文[5]主要研究了RAP摻量對(duì)WRAM高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性的影響。鄧昌中[6]研究了溫拌劑摻量對(duì)WRAM的高溫、低溫及水穩(wěn)定性能的影響規(guī)律。劉振丘[7]通過試驗(yàn)研究了RAP摻量及RAP顆粒組成等單因素對(duì)HRAM路用性能的影響。針對(duì)RAP顆粒組成對(duì)WRAM各路用性能的影響以及關(guān)鍵因素 （溫拌劑用量、RAP摻量及其顆粒組成）對(duì)WRAM各路用性能的交互影響研究鮮有報(bào)道。因此，本文采用正交試驗(yàn)進(jìn)行WRAM路用性能關(guān)鍵因素影響分析。

1 原材料的選擇與性能檢測(cè)

1.1 集料

舊集料采用渝萬高速重慶至萬盛段上面層結(jié)構(gòu)（AC-16）銑刨回收的石灰?guī)r，新集料采用石灰?guī)r。以 4.75 mm、9.5mm、19mm 為界限，將RAP 分為0～5mm、5～10mm、10～19mm三檔，去除19mm以上超粒徑集料。利用抽提法分離出瀝青和舊集料，通過篩分得到各檔級(jí)配。舊集料以4.75作為關(guān)鍵篩孔，分為小于4.75和大于4.75兩檔，采用四分法進(jìn)行樣本取樣。按規(guī)定方法測(cè)定新舊集料各項(xiàng)指標(biāo)，經(jīng)測(cè)定，新舊集料的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范[8]要求。

1.2 瀝青及溫拌劑

新瀝青選擇90#基質(zhì)石油瀝青，按規(guī)范測(cè)定新舊瀝青的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范[9-10]使用要求。溫拌劑選用重慶某技術(shù)公司提供sasobit溫拌劑[11]。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配優(yōu)選

選擇AC-16結(jié)構(gòu)型，初步擬定粗中細(xì)3種合成級(jí)配，選用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試樣并參照superpave設(shè)計(jì)方法進(jìn)行每種試拌合成級(jí)配的體積特征分析及級(jí)配評(píng)估[12]。級(jí)配設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 AC-16型瀝青混合料三種合成級(jí)配設(shè)計(jì)

采用的舊料摻量為30%（0～5mm、5～10mm、10～19mm各檔比例為1∶1∶1），溫拌劑摻量為3%。 通過superpave試拌瀝青含量選擇方法確定3種級(jí)配試拌瀝青用量，拌合溫度為140℃，試件采取旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀130℃溫度成型試件，每種試拌級(jí)配制作兩個(gè)試樣，按照試拌合成級(jí)配評(píng)價(jià)方法預(yù)估混合料的體積特征和壓實(shí)特性，通過綜合分析和對(duì)照，選擇合成級(jí)配2為最佳合成級(jí)配，其體積特征和壓實(shí)特性如表2。

2.2 最佳瀝青含量的確定

按照合成級(jí)配2進(jìn)行瀝青膠結(jié)料含量的選擇，擬定瀝青含量分別為3.6%、3.9%、4.2%、4.5%、4.8%。 根據(jù)superpave設(shè)計(jì)方法進(jìn)行不同瀝青膠結(jié)料含量的混合料體積特性及壓實(shí)特性的對(duì)比分析，確定空隙率為4%時(shí)的瀝青含量為最佳瀝青含量，合成級(jí)配2的最佳瀝青含量為4.12%。

3 試驗(yàn)方案制定

考慮到影響因素的多樣性，采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行WRAM路用性能影響因素主次關(guān)系及顯著性分析，用于指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 因素和水平的選取

試驗(yàn)擬定3個(gè)關(guān)鍵因素（RAP摻量、溫拌劑用量、RAP顆粒組成）作為因素對(duì)象，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，即三因素三水平的正交試驗(yàn)，如表3。

表3 因素水平表

3.2 正交試驗(yàn)方案

結(jié)合本研究?jī)?nèi)容進(jìn)行三因素三水平正交設(shè)計(jì)，采用9種因素水平組合方案成型試件。試驗(yàn)方案如表4。

4 WRAM路用性能關(guān)鍵因素影響分析

4.1 不同影響因素對(duì)WRAM水穩(wěn)定性影響分析

表4 正交試驗(yàn)方案

通過凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)WRMA的水穩(wěn)定性。為保證每個(gè)劈裂試件達(dá)到7%的空隙率，提前按目標(biāo)空隙率計(jì)算混合料密度并稱料，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀選擇等高模式，按照正交試驗(yàn)的9組組合形式每組成型6個(gè)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，試件尺寸均為直徑100mm×高63.5mm。

每組正交試件隨機(jī)分成兩組，每組3個(gè)。按照規(guī)范[13]中試驗(yàn)方法，第1組在常溫下保存?zhèn)溆茫?組進(jìn)行凍融循環(huán)。試驗(yàn)在25℃±0.5℃條件下，用50mm/min的加載速率進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，通過計(jì)算得到各組劈裂強(qiáng)度得到凍融劈裂強(qiáng)度比，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用方差分析法評(píng)價(jià)各因素顯著性，根據(jù)F檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行F值與F臨界值的比較分析，得到各因素對(duì)WRAM水穩(wěn)定性的影響程度，方差分析表如表6所示。

根據(jù)表5中凍融劈裂強(qiáng)度比TSR的計(jì)算結(jié)果，采用方差分析法進(jìn)行A、B、C三種因素顯著性評(píng)價(jià)，TSR F值與臨界值的對(duì)比分析如圖1所示。

表6 方差分析表

圖1 TSR的F值與臨界值

由表5及圖1可知，當(dāng)α=0.01時(shí)，F(xiàn)A=128.72＞F0.01(2,2)=99；當(dāng)α=0.01時(shí)，F(xiàn)B=13.07＞F0.1(2,2)=9。 對(duì)照F檢驗(yàn)規(guī)范，確定B因素對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比具有顯著性影響，A因素對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比影響比較顯著。當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)C=2.30，C因素對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比無顯著性影響。即溫拌劑用量對(duì)WRAM水穩(wěn)定性影響顯著，RAP摻量對(duì)其影響較顯著，RAP顆粒組成對(duì)其無顯著影響。同時(shí)根據(jù)F值的大小判定三因素對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比影響的主次關(guān)系是：B、A、C， 即溫拌劑用量＞RAP摻量＞RAP本身組成。

通過對(duì)比分析進(jìn)行不同因素水平的水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)水平組合，直觀試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，凍融劈裂強(qiáng)度比和值隨因素水平的變化規(guī)律如圖2所示。由表7及圖2可知，溫拌劑用量變化引起的凍融劈裂強(qiáng)度比變化情況為B1＞B3＞B2，即溫拌劑用量為2%時(shí)水穩(wěn)定性最好，溫拌劑用量為3%時(shí)水穩(wěn)定性最差。RAP摻量變化引起的TSR變化情況是A2＞A1＞A3，即RAP摻量為30%時(shí)水穩(wěn)定性最好，RAP摻量為45%時(shí)水穩(wěn)定性最差。基于RAP顆粒組成對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比無顯著性影響，不進(jìn)行RAP顆粒組成優(yōu)選。綜合分析圖2及表7，得到建議的WRAM水穩(wěn)定性最優(yōu)組合為A2B1C2，最差組合為A2B1C2，A2B1C2較 A3B2C1凍 融 劈 裂 強(qiáng)度比提高了17.7%。

4.2 不同影響因素對(duì)WRAM高溫穩(wěn)定性影響分析

圖2 凍融劈裂強(qiáng)度比和值隨因素水平的變化規(guī)律

NCHRP 9-19項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，線性范圍無圍壓條件下動(dòng)態(tài)模量|G*|和車轍因子|G*|/sinδ與車轍有較好的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。因此采用SPT試驗(yàn)裝置以45℃、10Hz的條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)， 選取|E*|和|G*|/sinδ的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同影響因素對(duì)WRMA高溫穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5中動(dòng)態(tài)模量|G*|和車轍因子|G*|/sinδ的計(jì)算結(jié)果，對(duì)A、B、C三種因素進(jìn)行顯著性分析，表6中動(dòng)態(tài)模量及車轍因子F值與臨界值的對(duì)比分析分別如圖4、圖5所示。由表5及圖4、圖5可知，當(dāng)α=0.01時(shí)，F(xiàn)A=174.13＞F0.01(2,2)，F(xiàn)A=128.72＞F0.01(2,2)；當(dāng)α=0.1時(shí)，F(xiàn)B=15.46＞F0.1(2,2)=9，F(xiàn)B=12.71＞F0.1(2,2)=9。 根據(jù)F檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，判定A因素對(duì)|G*|和|G*|/sinδ有顯著性影響，B因素對(duì)|G*|和|G*|/sinδ影響較顯著。 而FC=3.6，F(xiàn)C=6.88，C因素對(duì)|G*|和|G*|/sinδ無顯著性影響。即RAP摻量對(duì)WRAM高溫穩(wěn)定性有顯著性影響，溫拌劑用量對(duì)其影響較顯著，RAP顆粒組成對(duì)其無顯著性影響，定三因素判定三種因素對(duì)|G*|和|G*|/sinδ影響的主次關(guān)系為RAP摻量＞溫拌劑用量＞RAP顆粒組成。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果和值匯總

圖3 動(dòng)態(tài)模量的F值與臨界值

圖4 車轍因子的F值計(jì)算值與臨界值

圖5 動(dòng)態(tài)模量和值隨因素水平的變化規(guī)律

圖6 車轍因子和值隨因素水平的變化規(guī)律

不同因素水平的動(dòng)態(tài)模量|G*|和值如圖3所示，車轍因子和值如圖4所示。由圖3及圖4可知，RAP摻量變化引起的|G*|和|G*|/sinδ變化情況是A3＞A2＞A1， 即高溫 穩(wěn)定性隨RAP摻量增加持續(xù)增強(qiáng)。由表7及圖5、6可知，溫拌劑用量變化引 起的|G*|和|G*|/sinδ變化情況 是B3＞B2＞B1， 即高溫穩(wěn)定性隨RAP摻量增加持續(xù)增強(qiáng)。基于RAP顆粒組成對(duì)|G*|和|G*|/sinδ無顯著性影響，不對(duì)進(jìn)行RAP顆粒組成優(yōu)選。綜合分析高溫穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素可知，A3B3C2為最佳組合，A1B1C1為最差組合，A3B3C2較A1B1C1的|G*|提高了100.6%，|G*|/sinδ提高了119.1%。

4.3 不同影響因素對(duì)WRAM低溫抗裂性影響分析

通過瀝青混合料半圓彎拉(SCB)試驗(yàn)測(cè)定試件最大荷載、豎向位移和試件尺寸等參數(shù)，進(jìn)而求得試件的抗彎拉強(qiáng)度（RT）、勁度模量（ST）和破壞應(yīng)變（ετ）。 采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式成型直徑150mm的圓柱體試件，并按規(guī)定將試件鉆芯切割成雙面平行的半圓試件，直徑100mm，高度63.5mm。試驗(yàn)采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)連續(xù)加載至破壞，兩圓棒支點(diǎn)的距離為80mm，加載速率為50mm/min，溫度為-10℃，記錄最大破壞荷載和位移。正交試驗(yàn)結(jié)果如表5。

根據(jù)表5中破壞應(yīng)變?chǔ)纽拥挠?jì)算結(jié)果，采用方差分析法進(jìn)行A、B、C三種因素顯著性評(píng)價(jià)，表6中F值與臨界值的比較分析如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)α=0.01時(shí)，F(xiàn)A=211＞F0.01(2,2)=99；當(dāng)α=0.1時(shí)，F(xiàn)C=23.23＞F0.1(2,2)=9。 根據(jù)F檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，判定A因素對(duì)εT有顯著性影響，C因素對(duì)εT影響較顯著。 而FB=0.80，B因素對(duì)εT無顯著性影響。即RAP摻量對(duì)WRAM低溫抗裂性有顯著性影響，RAP顆粒組成對(duì)其有較顯著影響，溫拌劑用量對(duì)其無顯著性影響。三因素對(duì)εT影響的主次順序是：A、C、B，即RAP摻量＞ RAP顆粒組成＞溫拌劑用量。

圖7 破壞應(yīng)變的F值與臨界值

圖8 破壞應(yīng)變和值隨因素水平的變化規(guī)律

由表7和圖8可知，RAP摻量變化引起的εT變化情況是A1＞A2＞A3，即隨著RAP摻量增加，低溫抗裂性不斷降低。RAP顆粒組成變化引起的εT變化情況是C1＞C2＞C3， 即隨著RAP中組成顆粒粒徑增加，低溫抗裂性不斷降低。基于溫拌劑摻量對(duì)εT無顯著性影響，不對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選。綜合分析可知，考慮WRAM低溫抗裂性時(shí)，A1B1C1為最優(yōu)組合，A3B1C3為最差組合，A1B1C1較A3B1C3破壞應(yīng)變提高了34.6%。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

溫拌劑的用量和RAP摻量對(duì)WRAM的高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性影響顯著，RAP摻量為45%時(shí)高溫穩(wěn)定性最優(yōu)，RAP用量的增加能有效節(jié)約成本，因此建議RAP摻量為45%。溫拌劑用量對(duì)水穩(wěn)定性有顯著性影響，對(duì)高溫性能影響較顯著。溫拌劑摻量為2%時(shí)不能使高溫性能達(dá)到最優(yōu)，但是能使水穩(wěn)定性最優(yōu)，溫拌劑用量減少利于節(jié)約成本，因此，建議溫拌劑用量為2%。此時(shí)建議最佳組合為：RAP摻量45%、溫拌劑用量2%、RAP的組成5～10mm。

RAP摻量對(duì)低溫性能有顯著性影響，對(duì)水穩(wěn)定性影響顯著；溫拌劑用量對(duì)水穩(wěn)定性有顯著性影響，對(duì)低溫性能無顯著性影響；RAP組成對(duì)低溫性能影響較顯著，對(duì)水穩(wěn)定性無顯著性影響。因此，建議低溫抗裂性和水穩(wěn)定性最佳組合為：RAP摻量15%、溫拌劑用量2%、RAP組成0～5mm。

5 結(jié)論

（1）通過正交試驗(yàn)和方差分析得知各因素對(duì)WRAM各路用性能的顯著性影響。WRAM水穩(wěn)定性影響因素的主次關(guān)系為溫拌劑用量＞RAP摻量＞RAP顆粒組成，最優(yōu)組合A2B1C2較最差組合A3B2C1的TSR提高了17.7%。

（2）WRAM高溫穩(wěn)定性影響因素的主次關(guān)系為RAP摻量＞溫拌劑用量＞RAP顆粒組成，最優(yōu)組合A3B3C2較最差組合A1B1C1，|G*|提高了100.6%，|G*|/sinδ提高了119.1%。

（3）WRAM低溫抗裂性影響因素的主次關(guān)系為RAP摻量＞RAP顆粒組成＞溫拌劑用量，最優(yōu)組合A1B1C1較最差組合A3B1C3D，εT提高了34.6%。

（4）根據(jù)WRAM所應(yīng)用的區(qū)域不同和關(guān)注的路用性能指標(biāo)差異，建議RAP摻量為45%、溫拌劑用量2%、RAP組成5～10mm時(shí)，WRAM高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性最優(yōu)；建議RAP摻量為15%、溫拌劑用量2%、RAP組成0～5mm時(shí)，WRAM低溫抗裂性和水穩(wěn)定性最優(yōu)。

[1]俞志龍.廠拌熱再生瀝青混合料路用性能及施工工藝研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[2]徐世法，徐立庭，鄭偉，等.熱再生瀝青混合料新技術(shù)及其發(fā)展展望[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2013，6（6）：39-43.

[3]季節(jié)，奚進(jìn)，謝永清.溫拌再生瀝青混合料性能試驗(yàn)[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2014，17（1）：106-109.

[4]韓永強(qiáng)，程培峰.RAP摻量對(duì)溫拌再生瀝青混合料性能的影響[J].公路交通科技，2015，32(12)：38-41.

[5]湯文，盛曉軍，謝旭飛，周興林.回收料摻量對(duì)溫拌再生瀝青混合料性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2016，19（1）：204-208.

[6]鄧昌中，徐燕.基于溫拌再生瀝青混合料路用性能的Sasobit摻量確定[J].公路與汽運(yùn)，2014（5）：98-100.

[7]劉振丘.RAP回收工藝及熱再生瀝青混合料路用性能關(guān)鍵影響因素研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2015.

[8]交通部公路科學(xué)研究所.JTG E42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京，人民交通出版社，2005.

[9]交通部公路科學(xué)研究所.JTG F50-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[10]JTG F41-2008公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[11]呂玉超，張美玉，張玉貞.溫拌瀝青混合料發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油瀝青，2013，27（5）：1-6.

[12]陳澤宏.瀝青混合料不同配合比設(shè)計(jì)方法對(duì)比研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2013.

[13]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG E20-2011.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程 [S].北京.人民交通出版社，2011.