熱再生SMA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究

田騰輝

（濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濰坊 261061）

1 引言

根據(jù)我國當(dāng)前瀝青路面的應(yīng)用情況來看，因?yàn)樽匀画h(huán)境因素、車輛荷載等因素的限制，瀝青混合料會在后期應(yīng)用過程中發(fā)生老化現(xiàn)象，集料會因?yàn)槟p不斷細(xì)化，最終產(chǎn)生路面病害，直接影響瀝青路面的使用性能。我國道路工程目前已經(jīng)從以新建為主轉(zhuǎn)型為建養(yǎng)并重，有關(guān)瀝青路面的再生技術(shù)受到了人們的廣泛重視。相較于其他再生技術(shù)，熱再生技術(shù)適用范圍較為廣泛。

2 瀝青再生機(jī)理分析及再生方式

2.1 瀝青再生機(jī)理

目前，我國對于老化瀝青的再生，采用相容性理論進(jìn)行研究，具體內(nèi)容如下。

相容性理論認(rèn)為在一種穩(wěn)定溶液中，溶劑要對溶質(zhì)有良好的溶解能力，溶質(zhì)要在溶劑中有良好的溶解度。針對瀝青而言，瀝青質(zhì)可以看作溶質(zhì)將其溶解于軟瀝青質(zhì)這一溶劑當(dāng)中，最終形成瀝青濃溶液。著名學(xué)者希爾布蘭提出了溶度參數(shù)差值這一理念，有關(guān)計(jì)算公式如下：

式中，Δδ 為溶度參數(shù)差值；δAt為瀝青質(zhì)的溶度參數(shù)，（cal/cm3）1/2；δM為軟瀝青質(zhì)的溶度參數(shù)，（cal/cm3）1/2。

溶度參數(shù)要小于某一數(shù)值K，才能保障瀝青混合料中的粗集料、細(xì)集料以及礦料等具有良好的相容性。在我國，國產(chǎn)瀝青的K 值通常取0.76。具有良好相容性的瀝青，瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)的溶度參數(shù)通常接近，進(jìn)而可以使瀝青形成穩(wěn)定的濃溶液。

對于老化的瀝青，瀝青質(zhì)會增多，有關(guān)飽和分、芳香分的減少，會導(dǎo)致溶劑溶解能力減弱，最終促使瀝青中的各化學(xué)組分相容性減弱。在此情況下，δAt比δM變化快，Δδ 數(shù)值不斷增加，最終大于K，瀝青中的相容性被破壞，最終使瀝青各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)劣化。要使已經(jīng)老化的瀝青恢復(fù)最初性能，需要不斷減小Δδ 值。常用的手段是摻加再生劑，減少瀝青質(zhì)的相對含量，進(jìn)而提高該物質(zhì)在軟瀝青質(zhì)中的溶解度。其次，摻加再生劑，使軟瀝青質(zhì)的溶解能力提高，最終改善瀝青混合料中的粗集料、細(xì)集料以及礦料等原材料的相容性。

2.2 老化瀝青再生方式

所謂再生瀝青（RAP），是指在老化瀝青中摻入一定量的新瀝青或再生劑，調(diào)配使其變成新瀝青材料。在此定義下，有關(guān)RAP 料中老化瀝青常見的再生方式有以下3 種：

1）RAP 料中的老化瀝青+新瀝青；

2）RAP 料中的老化瀝青+再生劑；

3）RAP 料中的老化瀝青+新瀝青+再生劑。

3 熱再生SMA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)分析

3.1 試驗(yàn)中的原材料

3.1.1 RAP 料

本次熱再生SMA 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，所采用的RAP 料為某高速公路中面層回收料。在該試驗(yàn)中，主要是RAP 料本身的舊瀝青與舊集料起作用，并不是RAP 料本身，相關(guān)性質(zhì)見表1。

表1 RAP 料中的舊瀝青與舊集料性質(zhì)

3.1.2 新瀝青

本次熱再生瀝青混合料配比中的新瀝青選擇SK70 號基質(zhì)瀝青，相關(guān)性質(zhì)見表2，該瀝青能夠充分滿足本次試驗(yàn)的技術(shù)要求。

表2 新瀝青性質(zhì)

3.1.3 新集料

在瀝青道路運(yùn)行過程中，因?yàn)榇嬖谠偕鸀r青混合料水穩(wěn)定性不佳的因素，導(dǎo)致路面極易出現(xiàn)坑槽等水損害現(xiàn)象。要提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，保障瀝青路面能夠正常使用，所選取的新集料一定要與瀝青材料具有良好的黏結(jié)力。在眾多集料當(dāng)中，相比于其他石料，堿性集料與瀝青材料的黏結(jié)力更佳。本試驗(yàn)中選擇的新集料為石灰?guī)r，其規(guī)格分別為0～5 mm、3～5 mm、50～10 mm、10～20 mm。為了能夠在試驗(yàn)過程中有效測量瀝青混合料的密度與吸水率等，將所有新集料以2.36 mm為界進(jìn)行篩選，分為粗集料與細(xì)集料[1]。

3.1.4 再生劑

本次試驗(yàn)所選擇的再生劑為某市提供的RA-5 再生劑，在試驗(yàn)過程中通過對低于60 ℃的再生劑的運(yùn)動黏度進(jìn)行檢測得出其性質(zhì)，具體內(nèi)容見表3。

表3 再生劑性質(zhì)

3.2 不同RAP 料摻配率下的最佳新瀝青產(chǎn)量

要明確不同RAP 料摻配率下的最佳新瀝青產(chǎn)量，需按照目標(biāo)級配設(shè)計(jì)的礦料比例配料。并通過以下計(jì)算工作，對熱再生瀝青混合料瀝青總量，以及不同RAP 料摻配率下的舊瀝青含量進(jìn)行計(jì)算。

式中，P 為熱再生瀝青混合料目標(biāo)瀝青含量，%；a、b、c 為舊集料百分?jǐn)?shù)；K 為集料系數(shù)；F 為系數(shù)，需要根據(jù)集料實(shí)況，如表觀特性、比重等在0～2.0 取值，若無參考值，通常情況下取0.7。

式中，Pnb為新瀝青摻量估算值，%；Pb為熱再生瀝青混合料目標(biāo)瀝青含量，%；Pob為RAP 料中的舊瀝青含量，%；n 為RAP料摻配率，%。

通過以上算式計(jì)算RAP 摻量不同時(shí)的新瀝青摻量，考慮到估值往往大于實(shí)況，因此，在該試驗(yàn)中，RAP 摻量分別為30%、40%、50%時(shí)，新瀝青摻量分別為3.5%、3.0%、2.5%。

3.3 瀝青混合料密度的確定

在該試驗(yàn)中所應(yīng)用到的瀝青混合料均為改性瀝青，需要采用如下算式對再生瀝青混合料最大理論密度Yi進(jìn)行確認(rèn)。

式中，Pa為總集料中新瀝青的占比，%；Pb′為總集料中舊瀝青的占比，%；Y1，Y2，…，Yn為新集料的集料相對密度，g/cm3；P1，P2，…，Pn為總集料中新集料的占比，%；P1′，P2′，…，Pn′為總集料中舊集料的占比，%。

在試驗(yàn)過程中需要注意的是，再生瀝青混合料中的舊料回收后存在不親水特點(diǎn)，若要直接測量集料密度，會導(dǎo)致測量密度偏小。舊集料中的材料粒徑越小，該現(xiàn)象越明顯。基于此，在對舊集料開展密度測量工作前，需要有序進(jìn)行洗滌處理，以便能夠消除回收工作對密度測量帶來的誤差[2]。

4 熱再生SMA瀝青混合料路用性能研究

4.1 不同RAP 料摻配率下的高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性指在高溫條件下，瀝青混合料在荷載條件下的抗變形能力，包含抵抗泛油、擁包以及車轍等永久變形。熱再生瀝青混合料中存在一定量的RAP 料，與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料存在差異。基于此，對于高溫穩(wěn)定性的考慮與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料也有所不同。由于舊集料性質(zhì)幾乎不會產(chǎn)生變化，RAP 料中的舊瀝青在后期供給過程中軟化點(diǎn)溫度會有所提升，因此，熱再生瀝青混合料的抗永久性變形能力相比于普通瀝青混合料而言較高。對于本文所選擇的3 種RAP 料摻量，只要摻量為30%的熱再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性滿足要求，那么其他兩個(gè)也能滿足要求。

4.2 RAP 摻量不同時(shí)的水穩(wěn)定性

對于瀝青混合料，水穩(wěn)定性指的是該材料抵抗水損害的能力。在瀝青道路運(yùn)行過程中，在水或者凍融循環(huán)作用下，車輛運(yùn)行時(shí)會把水帶入瀝青混合料孔隙中，并且產(chǎn)生動水壓力及真空負(fù)壓抽吸作用，導(dǎo)致水分滲透到瀝青以及集料中，從而降低材料間的黏附性，導(dǎo)致路面出現(xiàn)麻面、坑槽等現(xiàn)象。本文試驗(yàn)采取的石灰?guī)r與瀝青間的黏附性較好，但因舊瀝青與新瀝青間的黏結(jié)力相比于新瀝青與新瀝青之間較弱。因此，理論上RAP 的摻量越大，該瀝青混合料的水穩(wěn)定性越弱，因此，RAP 摻量為30%時(shí)的瀝青混合料水穩(wěn)定性最高。

4.3 RAP 摻量不同時(shí)的低溫抗裂性

作為瀝青路面的主要病害之一，溫縮裂縫是當(dāng)前我國瀝青道路工程建設(shè)中需要重點(diǎn)思考的問題。一旦環(huán)境溫度過低，會導(dǎo)致瀝青混合料的黏彈塑性降低，出現(xiàn)溫度應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力累積到一定程度后會導(dǎo)致道路表面出現(xiàn)低溫開裂現(xiàn)象。從瀝青混合料的角度進(jìn)行分析，導(dǎo)致瀝青道路路面溫縮裂縫的主要原因可能與瀝青混合料本身的性質(zhì)有關(guān)。對于舊瀝青，其勁度增大，針入度與延度會降低，再加上舊瀝青與新瀝青之間的黏結(jié)力減弱，一旦產(chǎn)生應(yīng)力，極易導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。在本文試驗(yàn)中，通過對3 種RAP 摻量的瀝青混合料開展小梁彎曲破壞試驗(yàn)探究其低溫抗裂性，結(jié)果顯示，RAP 分別為30%、40%、50%時(shí)的瀝青混合料均能滿足我國JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，其彎曲破壞應(yīng)變數(shù)值逐漸增大。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過熱再生SMA 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究可知，確定RAP 摻量時(shí)，需要考慮公路工程的需求、舊瀝青可恢復(fù)程度等因素，雖然RAP 摻量不同時(shí)的瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性等不同，但是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，RAP 摻量為30%、40%、50%時(shí)的瀝青混合料均能滿足我國對公路工程的相關(guān)技術(shù)要求。