摻有RAP及鋼纖維的溫拌瀝青混合料力學性能研究

呂玉蓉 袁盛杰 廖亞雄 黃蔚源

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430050)

0 引 言

生產常規熱拌瀝青混合料需要消耗大量的自然能源，致使大量溫室氣體的排放.每生產1 t熱拌瀝青混合料所消耗得能量和大氣中的CO2放量估計分別為300 MJ和28.8 kg[1-2].與熱拌瀝青混合料相比，溫拌瀝青混合料(WMA)技術使得CO2和SO2排放量降低了30%～40%，CO排放量降低了10%～30%，廣泛應用于道路行業[3].在瀝青混合料中加入RAP(舊瀝青混合料)材料減少了原集料和瀝青黏結料的消耗，在改性瀝青混合料中添加RAP材料能夠減少環境中沉積的廢棄物.Willis等[4]通過研究發現，在瀝青混合料中摻入25%～50%的RAP材料，筑路所需的材料成本可降低20%～35%.馬登成等[5-6]對瀝青混合料熱再生配合比進行了優化設計，并對此進行了路用性能測試.Zhen等[7]研究發現，使用壽命相同時(以15年計)，就地熱再生節省的成本可達5%，減少對環境的污染達16%.姚曉光等[8]研究確定了不同再生方式下RAP的最佳摻量.何兆益等[9]通過室內試驗，探討了RAP摻量對廠拌熱再生瀝青混合料路用性能及疲勞性能的影響.目前RAP摻量低于25%的廠拌熱再生技術已比較成熟，再生瀝青混合料性能與新拌瀝青混合料的性能相當，部分性能甚至優于新拌瀝青混合料[10]，但目前對RAP溫拌再生技術的研究較少，以及外加劑對RAP再生混合料性能的提升作用.

文中結合WMA技術和摻加不同比例RAP的方法，對12種瀝青混合料進行研究.使用不同含量的鋼纖維來改善瀝青混合料的性能，通過進行彈性模量、動態蠕變、間接拉伸強度、間接拉伸疲勞和，對不同類型瀝青混合料的性能進行了評價和比較.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

用石灰石作為集料，性能指標見表1.選用70號基質瀝青作為膠結料，其三大指標見表2.

1.2 配合比與試樣制備

根據馬歇爾混合料設計方法制備了12種不同類型的瀝青混合料試件，確定各類型混合料的最佳油石比，見表3.級配曲線見圖1.試驗試件通過馬歇爾擊實儀成型為63.5 mm高、直徑101.6 mm的圓柱形試件.

表1 石灰石集料的基本性質

表2 瀝青性能指標

有機溫拌添加劑按瀝青膠結料重量的2%加入到基質瀝青中，溫拌添加劑的性能見表4.鋼纖維的物理性質見表5.選用納米聚合物油作為再生劑，按RAP料中舊瀝青重量的2.5%加入到預熱的RPA材料中，根據實驗計算得到RAP材料中舊瀝青含量為5.17%.

表3 不同類型瀝青混合料組成 單位：%

表4 溫拌添加劑物理性能

表5 鋼纖維物理性能

圖1 瀝青混合料集料級配設計曲線

1.3 性能測試

通過動態劈裂拉伸試驗測定瀝青混合料的動態回彈模量，試驗溫度設定為25 ℃，采用半正弦加載，加載頻率為10 Hz，荷載峰值為400 N，試驗開始前將試件放入(25±0.5) ℃的環境箱中恒溫24 h.

瀝青混合料抵抗永久變形的能力可通過動態蠕變試驗進行評價.試驗應力設為200 kPa，頻率為0.5 Hz(加載時間0.5 s、卸載時間1.5 s)，試驗溫度為50 ℃，通過LVDT測量試樣的永久變形.

為了評價各類瀝青混合料的抗裂性能以及水穩定性，根據規范開展了常規條件下以及凍融循環條件下的間接拉伸強度試驗，最后進行試驗時，試驗溫度為25 ℃，加載速率為50.80 mm/min.記錄試樣破壞時的荷載峰值.為了評價各類瀝青混合料的疲勞特性，根據規范開展了間接拉伸疲勞試驗，試驗溫度為25 ℃，荷載峰值為400 kPa，加載頻率為10 Hz，通過壓條對試樣施加半正弦的循環荷載，記錄疲勞破壞時的循環加載次數.

為了評價摻入RAP材料及鋼纖維后，瀝青混合料是否會產生嚴重的飛散掉粒病害，根據規范開展了肯塔堡飛散試驗.試驗開始前，將試件在(20±0.5) ℃的恒溫水槽中養生20 h.試驗過程中，洛杉磯試驗機以30～33 r/min的速度旋轉300轉，記錄試驗結束后殘留試件質量.

2 試驗結果與分析

2.1 動態回彈模量

根據回彈模量試驗結果(見圖2)，RAP的使用增強了彈性模量，這與以往研究的結果一致.含RAP的瀝青混合料的回彈模量遠高于不含RAP的瀝青混合料.在RAP材料中，由于硬化和老化瀝青黏結劑的作用，使得RAP瀝青混合料的回彈模量增加.同樣，添加鋼纖維提高了瀝青混合料的回彈模量，在沒有RAP的情況下，在瀝青混合料中添加對鋼纖維會導致混合料的彈性模量顯著增加.然而，對于含有RAP的瀝青混合料，鋼纖維對提高混合料的彈性模量的影響較小，且隨著RAP值的提高，鋼纖維對混合料回彈模量的提高作用越小.在沒有RAP的混合料中，每添加0.06%的鋼纖維，回彈模量增加約14.9%.同時，在含有50%和100%RAP的瀝青混合料中，在相同的鋼纖維用量下，彈性模量增加了約3.1%.

圖2 瀝青混合料回彈模量試驗結果

2.2 動態蠕變

動態蠕變試驗結果見圖3.結果表明：RAP材料的添加使混合料流變次數有了極大的增加，同時，混合料抵抗變形的能力也相應提高.含100%RAP的瀝青混合料的流變次數遠高于其他混合料.由100%RAP材料成型的瀝青瀝青混合料的流變次數遠高于其他類型瀝青混合料.這是因為在RAP材料中存在著老化的瀝青，這使得它與用原始瀝青黏結劑成型的混合料相比更硬.同樣，鋼纖維的添加也提高了混合料的流變次數，在含有50%和100%RAP的瀝青瀝青混合料中加入鋼纖維，混合料流變次數顯著增加.每添加0.06%的鋼纖維，未添加RAP的瀝青混合料、含有50%以及100%RAP的瀝青混合料，其流變次數分別增加約16.4%、37.5%和29.6%.

圖3 瀝青混合料動態蠕變試驗結果

2.3 間接抗拉強度及水穩定性

瀝青混合料的水穩定性可通過凍融循環試樣與正常條件下的試樣的劈裂抗拉強度來評價，所有樣品的劈裂抗拉強度(ITS)見圖4.RAP和鋼纖維的加入提高了凍融循環前后試樣的間接抗拉強度.這是因為RAP材料中存在著可提高瀝青混合料的整體剛度的硬瀝青.含RAP的瀝青混合料的水穩定性會受到各種因素的影響，如再生劑的類型、瀝青的性能，以及RAP材料中瀝青的含量的影響.在本研究中，RAP的加入使得試樣的TSR(凍融循環試件與正常試件劈裂強度之比)值有所下降(見圖5)，這可能是受再生劑的影響所致.加入0.06%的鋼纖維提高了瀝青混合料的水穩定性，提高了樣品的TSR值.根據標準，TSR值高于80%的瀝青混合料水穩定性是合格的.

圖4 瀝青混合料間接抗拉強度

圖5 各類瀝青混合料凍融循環前后間接抗拉強度之比

2.4 間接拉伸疲勞壽命

圖6為所有類型瀝青混合料的間接拉伸疲勞試驗結果.加入RAP降低了瀝青混合料的疲勞壽命.這是由于RAP材料中老化瀝青的影響，使瀝青混合料變硬脆.含100%RAP的瀝青混合料的疲勞壽命遠低于其他混合料.而鋼纖維能夠增加瀝青混合料的疲勞壽命，因為鋼纖維可以分擔瀝青混合料中產生的應力，防止裂縫的產生和擴展，進而提高了瀝青混合料的抗拉能力.RAP值越高，鋼纖維對瀝青混合料疲勞壽命的提高就越小.在無RAP的瀝青混合料中，鋼纖維顯著提高了瀝青混合料的疲勞壽命.每加入0.06%的鋼纖維，未添加RAP的瀝青混合料、含50%,以及100%RAP的瀝青混合料的疲勞壽命平均分別增加了約11.8%、5.5%和4.4%.

圖6 各類瀝青混合料的疲勞壽命

2.5 抗飛散性

圖7為所有類型瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗結果.隨著RAP材料摻量的增加，瀝青混合料飛散損失隨之增加，這是由于RAP材料中含有老化瀝青，降低了瀝青混合料黏結能力.HS型瀝青混合料比VS型瀝青混合料的分散損失平均高1.78%，RS型瀝青混合料比HS型瀝青混合料的分散損失平均高2.69%.在瀝青混合料中加入鋼纖維提高了瀝青混合料的模量、疲勞壽命等力學性能，同時也稍微增加了瀝青混合料的飛散損失，這是因為鋼纖維本身并不能作為一種膠結劑，不能提供黏結力.VS型以及HS型瀝青混合料的飛散損失率均在10%以下，這是可以接受的.

圖7 肯塔堡飛散試驗結果

3 結 論

1) 使用RAP可大大提高瀝青混合料回彈模量.此外，在瀝青混合料中加入鋼纖維亦可提高混合料的回彈模量.在不含RAP的瀝青混合料和含有50%和100%RAP的瀝青混合料中，每添加0.06%的鋼纖維，回彈模量值分別上升約14.9%、3.1%和3.1%.

2) 加入RAP后，TSR值略有降低，但加入0.06%鋼纖維后，試樣TSR值有所增加，瀝青混合料的水穩定性提高.

3) 加入RAP后，瀝青混合料流變次數顯著增加.此外，鋼纖維能夠提高瀝青混合料抗永久變形的能力.在不含RAP的混合料、含有50%和100%RAP的混合料中，每添加0.06%的鋼纖維，流變次數分別增加了16.4%、37.5%和29.6%.

4) RAP降低了瀝青混合料的疲勞壽命.鋼纖維能夠提高混合料的疲勞壽命，并在含有50%RAP的瀝青混合料中加入鋼纖維后，得到了具有合適疲勞壽命的瀝青混合料.在不含RAP的瀝青混合料中、含有50%和100%RAP的瀝青混合料，每添加0.06%的鋼纖維，疲勞壽命分別增加11.8%、5.5%和4.4%.

5) 加入RAP增大了瀝青混合料的飛散損失.HS型瀝青混合料比VS型瀝青混合料的分散損失平均高1.78%，RS型瀝青混合料比HS型瀝青混合料的分散損失平均高2.69%，此外摻入鋼纖維也稍微增大了混合料的飛散損失，其中摻入0.06%鋼纖維與不摻入鋼纖維的瀝青混合料肯塔堡飛散試驗結果相差極小.

6) 加入RAP后，使得瀝青混合料的回彈模量和抗永久變形的能力增加.然而，RAP的加入降低了混合料的疲勞壽命降低，這可能是由于瀝青混合料的剛度增加所致.同樣，在瀝青混合料中加入鋼纖維會提高混合料的疲勞壽命，這可以通過加入鋼纖維的混合料具有更強的抗拉強度和柔韌性來解釋.隨著RAP用量的增加，瀝青混合料的回彈模量及抗變形能力也隨之增大，但考慮到含有100%RAP的混合料疲勞壽命的急劇減小，使用含50%RAP的混合料似乎更合理.此外，對于含有50%RAP的瀝青混合料的TSR值，可通過加入0.06%的鋼纖維為瀝青混合料提供更加理想的力學性能.