瀝青穩(wěn)定再生集料的性能及設(shè)計參數(shù)研究

龍嘉偉

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

瀝青路面回收再生技術(shù)是道路工程建設(shè)中保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的有效手段，是實現(xiàn)我國道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，我國正處于道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，每年都會產(chǎn)生大量的施工廢棄物[1-3]。利用廢棄的混凝土制造再生集料并用于瀝青路面攤鋪，可實現(xiàn)施工廢棄物的回收利用，有效緩解天然集料短缺[4-5]。該文重點探討了瀝青穩(wěn)定再生集料的性能及相關(guān)設(shè)計參數(shù)，為瀝青路面設(shè)計與施工中的水泥—混凝土再生集料應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗材料

1.1 試驗原材料

（1）該次試驗選用70#基質(zhì)瀝青，基于相關(guān)試驗規(guī)范對其進(jìn)行性能檢測。通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，70#基質(zhì)瀝青符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

（2）該次試驗選用蛇紋巖碎石作為新集料，填充材料為石灰?guī)r，基于相關(guān)集料試驗技術(shù)規(guī)范檢測集料性能，所用新集料滿足材料性能指標(biāo)要求。

（3）該次試驗選用廢棄水泥混凝土作為再生集料，原料來自破舊橋梁拆除，首先運(yùn)至加工廠用鄂式機(jī)破碎成粒徑大小分別為5～10 mm、10～20 mm以及20～30 mm的碎石，通過試驗得出技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

1.2 試驗混合料

（1）分別以0%、30%、60%、100%的摻加比例摻加再生集料，以取代天然集料。

（2）用線性回歸分析法分別求得4種再生集料的最佳摻加比例，確保4種再生集料級配相似。

2 最佳瀝青用量及馬歇爾指標(biāo)分析

針對不同油石比集料試驗樣本開展馬歇爾試驗，通過計算得到四種瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物的最佳瀝青用量：1）混合料RCA摻配率為0%時，最佳瀝青用量為3.45%；2）混合料RCA摻配率為30%時，最佳瀝青用量為4.22%；3）混合料RCA摻配率為60%時，最佳瀝青用量為5.22%；4）混合料RCA摻配率為100%時，最佳瀝青用量為6.86%[6]。

針對四種不同的再生集料摻加比例，按最佳瀝青用量配制試驗樣本，通過馬歇爾試驗可知四種瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物的馬歇爾指標(biāo)均符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范[7-8]。

3 瀝青穩(wěn)定再生集料路用性能分析

3.1 ATRCA水穩(wěn)定性

（1）水穩(wěn)定性試驗結(jié)果：1）試驗材料為石灰石、花崗巖、再生水泥混凝土、SBS改性瀝青、70#基質(zhì)瀝青、活化后再生聚合物。2）通過試驗得到瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物表面張力大小及接觸角θ，換算出黏附功，以衡量瀝青與集料的黏附性[9]，具體試驗數(shù)據(jù)見表1。

（2）由表1測試結(jié)果可知，同類瀝青與不同集料之間的附著力從小到大依次為再生水泥混凝土、花崗巖、活化再生聚合物、蛇紋石、石灰石，可見，瀝青、石灰石之間的附著力最強(qiáng)；70#基層瀝青與各類集料的黏附功低于改性瀝青與各類集料之間的黏附功。

表1 ATRCA水穩(wěn)定性補(bǔ)充評價指標(biāo)黏附性能試驗結(jié)論

（3）根據(jù)4種不同的再生集料摻加比例配制的瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物水穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。

（4）根據(jù)圖1可知，隨著再生集料摻加比例的上升，瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物的殘留穩(wěn)定度、融劈裂強(qiáng)度比降低，且瀝青穩(wěn)定再生集料的水穩(wěn)定性不低于75%，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

圖1 ATRCA水穩(wěn)定性試驗結(jié)論

3.2 疲勞性能

通過MTS測試瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物的抗疲勞性能：測試加載頻率為15 Hz；應(yīng)力水平分別取0.70、0.75、0.80；環(huán)境溫度15 ℃。試驗結(jié)論如下：

（1）混合料RCA摻配率為0%時，測試時應(yīng)力水平分別為0.70、0.75、0.80，疲勞壽命分最小值分別為5 822次、4 477次、2 477次。

（2）混合料RCA摻配率為30%時，測試時應(yīng)力水平分別為0.70、0.75、0.80，疲勞壽命分最小值分別為7 235次、5 011次、3 088次。

（3）混合料RCA摻配率為60%時，測試時應(yīng)力水平分別為0.70、0.75、0.80，疲勞壽命分最小值分別為8 526次、5 995次、3 757次。

（4）混合料RCA摻配率為100%時，測試時應(yīng)力水平分別為0.70、0.75、0.80，疲勞壽命分最小值分別為5 902次、4 531次、3 586次。

4 瀝青穩(wěn)定再生集料路面基本設(shè)計參數(shù)

4.1 基本設(shè)計參數(shù)之劈裂強(qiáng)度

（1）通過試驗得到四種不同再生集料摻加比例的瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物的劈裂強(qiáng)度參數(shù)。

（2）以保證率為95%時的劈裂強(qiáng)度為基準(zhǔn)值σS，其計算公式見式（1），結(jié)果見表2。

表2 四種不同RCA摻配率的ATRC聚合物劈裂強(qiáng)度參考值

式中，σS——ATRCA聚合物路面，劈裂強(qiáng)度參數(shù)值（MPa）；——ATRCA聚合物試件，劈裂強(qiáng)度均值（MPa）；S——樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

（3）通過分析表2的數(shù)據(jù)可以得到瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物劈裂強(qiáng)度參考值為：0.660～0.749 MPa，且σS與再生集料的摻加比例無關(guān)。

4.2 基本設(shè)計參數(shù)之抗壓回彈模量

（1）通過抗壓回彈模量試驗確定采用四種不同的再生集料摻加比例的瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物在環(huán)境溫度15 ℃、20 ℃時的抗壓回彈模量值。

（2）以保證率為95%時的抗壓回彈模量作為瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物抗壓回彈模量指標(biāo)參考值E，其計算公式見式（2），結(jié)果見表3。

表3 四種不同RCA摻配率的ATRC聚合物抗壓回彈模量參考值

式中，E——ATRCA聚合物路面，抗壓回彈模量參數(shù)值（MPa）；E——ATRCA聚合物試件，抗壓回彈模量均值（MPa）；S——樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

（3）見表3的試驗數(shù)據(jù)，試驗環(huán)境溫度分別為15 ℃、20 ℃，相應(yīng)的取值范圍分別為1 200～1 380 MPa、1 000～1 120 MPa。

4.3 基本設(shè)計參數(shù)之抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)

（1）以理論力學(xué)為試驗基礎(chǔ)依據(jù)，運(yùn)用經(jīng)驗法設(shè)計瀝青路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)各層底部抗拉應(yīng)力σS不超過容許應(yīng)力值σR，具體計算如下:

式中，σm——瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物路面層底部抗拉應(yīng)力（MPa）；σR——瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物路面設(shè)計抗拉應(yīng)力容許值（MPa）；σS——瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物試件的劈裂強(qiáng)度臨界值（MPa）；KS——瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物路面抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

（2）根據(jù)已知材料疲勞特性確定抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)值KS，獲得路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，以有效保證瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性。當(dāng)前設(shè)計規(guī)范中為確定最佳瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)值KS，該次研究以對數(shù)形式列出疲勞方程，得到KS值計算公式：

式中，N——室內(nèi)試驗對應(yīng)的瀝青路面疲勞壽命；a′，b′——樣本檢測數(shù)據(jù)線性回歸系數(shù)。

（3）室內(nèi)試驗得到的疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)與實際情況存在差異，由此給出室內(nèi)試驗得到的疲勞壽命與實際路面疲勞壽命的關(guān)聯(lián)公式:

式中，Ne——實際的瀝青路面疲勞壽命；N——室內(nèi)試驗得到的瀝青路面疲勞壽命；A1——荷載作用時間系數(shù)調(diào)整值，取0.8；A2——行車荷載橫向分布系數(shù)調(diào)整值，取0.5；A3——荷載狀態(tài)系數(shù)調(diào)整值，實際的瀝青路面基層結(jié)構(gòu)為三維受力，室內(nèi)試驗的瀝青路基層結(jié)構(gòu)為二維受力，故按實際值的2/3取值；A4——外部因素決定的非有效施工天數(shù)調(diào)整值，取60/365。由此得到校正后的KS計算公式如下：

（4）瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物疲勞方程系數(shù)取保證率為95%，代入上式求得對應(yīng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)，設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)取抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)值

5 結(jié)論

我國正處于道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，每年都會產(chǎn)生大量的施工廢棄物，廢棄混凝土材料取材方便，將類型差異較大、制作工藝不同、強(qiáng)度等級不同的混凝土摻加到瀝青穩(wěn)定再生集料聚合物中會導(dǎo)致其基礎(chǔ)性能、路用性能改變。因此，該次試驗研究成果及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)推薦值存在較大局限性，在瀝青路面設(shè)計及施工中可參考該次試驗研究成果，確定更加合理的設(shè)計參數(shù)。