凍融循環條件對再生瀝青混合料路用性能的影響規律研究

摘要：為探究再生瀝青混合料在凍融作用下的性能變化規律，文章以凍融循環次數、冷凍溫度、凍融環境鹽濃度作為自變量，研究其對RAP混合料高溫動穩定度、低溫彎曲破壞應變以及浸水殘留強度比的影響。結果表明：隨著冷凍溫度降低，RAP混合料路用性能均降低；在短期循環凍融環境中的鹽對RAP混合料具有一定的補強作用，但在長期循環過程中鹽對瀝青的腐蝕作用逐步加深，并超過補強作用；RAP混合料路用性能普遍在第3次循環后快速下降，并在7次循環后逐步穩定；對RAP混合料路用性能影響最顯著的因素是凍融循環次數，其次是冷凍溫度與環境鹽度。相關結論可為再生路面建設施工提供參考。

關鍵詞：道路工程；再生瀝青混合料；凍融循環；路用性能

中圖分類號：U416.03 A 04 010 3

0 引言

根據國家統計局數據，截至2021年末，我國公路總里程達到528.07萬km，我國公路建設戰略已經由“重建輕養”逐步向“建養并重”過渡。在改建與養護階段產生了大量舊瀝青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），通過回收這部分舊骨料，并重新應用在新路建設之中，能有效降低道路造價，同時減少舊料處理所帶來的環境污染與資源浪費問題。

由于RAP在使用過程中性質發生了變化，其必然導致新RAP混合料部分路用性能的降低。因此需探究RAP瀝青混合料性能影響因素與規律，進一步在施工過程中對其進行控制，從而綜合提升道路價值。針對凍融循環作用下RAP混合料的路用性能，已有大量道路工作者進行了研究。陶莉萍［1］主要研究了RAP摻量與凍融循環次數對瀝青混合料水穩定性的影響，結果表明當RAP摻量為30%時混合料擁有最佳的水穩定性能，此外RAP摻量越高則再生瀝青混合料的快速損傷期出現越早，容易發生早期水損壞。陳龍等［2］通過低溫彎曲試驗與凍融劈裂試驗發現高RAP摻量同樣對混合料長期水穩定性與低溫性能產生較大負面影響。崔亞楠等［3］的研究證實了高濃度鹽凍融循環過程會對瀝青產生嚴重腐蝕，從而降低瀝青低溫開裂性能，但同時一定濃度的鹽環境會對SBS瀝青低溫性能產生補強效應。王嵐等［4］通過斷裂力學試驗研究表明，各因素對瀝青混合料抗裂性能的影響力大小依次為瀝青種類＞凍融循環次數＞除冰鹽濃度。

本文在上述研究基礎上綜合考慮多種凍融循環條件對RAP瀝青混合料高溫、低溫與水穩定性能的影響，探究不同氣候分區內RAP混合料性能的適應性，為道路建設者提供參考。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

本研究中再生瀝青混合料來源于廣西某二級公路上面層銑刨舊料，瀝青再生劑選用市售HRA2型再生劑。新瀝青采用AH-90瀝青，新瀝青與再生瀝青以1∶2質量比混合后的混合瀝青性質介于新舊瀝青之間，經檢測其品質達到70#基質瀝青的規定，如表1所示。根據國家標準GB/T 25033-2010與JTG F40-2004的規定，再生瀝青混凝土粗集料應滿足表2中的相關規定。新瀝青混凝土粗細集料與礦粉均為石灰巖，技術性能滿足規范要求。

1.2 試驗設計方法

1.2.1 混合料配合比設計

本研究采用AC-13骨料級配，級配曲線如圖1所示。先將新舊集料分別進行篩分，之后將每檔集料按一定比例混合，從而確保各檔集料中新舊集料的占比一致。根據馬歇爾配合比設計方法，確定最佳瀝青用量為5.3%。

1.2.2 凍融循環條件控制方法

試驗設置凍融循環次數、冷凍溫度、凍融環境鹽度三組變量，對混合料的路用性能進行研究。其中凍融循環次數用以模擬在不同使用年限下因凍融循環導致的道路性能變化；冷凍溫度通過調節所使用冰箱溫度進行控制，用以模擬不同地區溫度差異導致的道路性能變化；凍融環境鹽度通過配制不同氯鹽濃度的凍融液體環境進行控制，用以模擬凍融過程中鹽性道路除冰劑對道路性能的影響。

試驗過程分兩個階段，第一階段進行凍融循環：將混合料試件在常溫下飽水 2 h，放入恒溫冰箱靜置冷凍 16 h，取出后放入 60 ℃恒溫水浴箱保溫融化 24 h，最后將試件取出置于常溫條件 2 h，即完成一個凍融循環。之后可開始第二階段試驗：使用第一階段凍融過后的試件進行路用性能試驗。當冷凍溫度不作為變量時設置為 -18 ℃，當環境鹽濃度不作為變量時設置為0。

1.2.3 路用性能室內試驗評價方法

采用T 0719方法進行車轍試驗，以評價混合料高溫穩定性能；采用T 0715方法進行混合料低溫彎曲試驗，試驗溫度為 -10 ℃，用以評價混合料低溫性能；采用T 0709方法進行馬歇爾穩定度試驗，以評價瀝青混合料水穩定性能。需說明的是，其中非浸水與非凍融的穩定度與劈裂試件無須進行凍融循環，以作為對照。

2 試驗結果

2.1 凍融循環條件對再生瀝青混合料高溫穩定性能的影響

圖2展示了在 -18 ℃、 -10 ℃、 -2 ℃三種不同冷凍溫度下，RAP混合料的動穩定度隨凍融循環次數的變化趨勢。由圖2可知，冷凍溫度越低則混合料動穩定度越低，但其差距較小。當凍融循環次數＜6次時，三種冷凍溫度下混合料動穩定度均滿足夏炎熱區動穩定度 1 000次/mm的要求。當凍融循環次數達到7次后混合料動穩定度趨于穩定。

圖3則展示出了在清水中以及在2%、4%、6%氯鹽溶液中凍融循環的RAP混合料動穩定度變化情況。鹽的加入對瀝青與瀝青混合料產生了腐蝕作用，導致混合料高溫性能降低，但是在前三次凍融循環中，2%與4%鹽濃度凍融后RAP混合料的動穩定度卻高于清水對照組，其原因可能是鹽在冷凍過程中發生結晶，填補混合料內部孔隙并提供了一定強度。而當鹽濃度達到6%時，鹽的腐蝕作用對混合料強度的影響顯著高于結晶鹽脹作用，因此6%鹽濃度下混合料動穩定度均低于其他三組。

2.2 凍融循環條件對再生瀝青混合料低溫性能的影響

由圖4可知，當凍融循環中冷凍過程溫度 ＞-10 ℃時小梁試件的彎曲破壞應變變化并不顯著。但當冷凍溫度達到 -18 ℃時，凍融循環后RAP混合料低溫抗彎曲性能明顯下降，且當凍融循環次數達到5次時混合料破壞應變降低速率加快，此后已不滿足冬嚴寒區破壞應變 2 600 με的要求。而 -10 ℃與 -2 ℃冷凍的小梁在經過11次凍融循環后才會低于這一界限。其原因是在較高的冷凍溫度下，在 16 h的冷凍時間內，試件完全凍結所需時間較長，試件大部分時間處于冰水混合的環境之中，受到冰凍效果的影響較小。反之當冷凍溫度較低，則瀝青易變脆，瀝青內部分子間作用力降低，不足以抵抗外部彎拉荷載而易發生脆性斷裂。

由圖5可看出，鹽凍融環境對RAP混合料抗彎性能影響顯著。鹽濃度＞4%時，經過一次凍融循環的試件破壞應變已經低于冬嚴寒區標準 2 600 με，經過7次凍融循環后已基本低于冬冷區與冬溫區最低破壞應變要求 2 000 με。

2.3 凍融循環條件對再生瀝青混合料水穩定性能的影響

由圖6可知，不同冷凍溫度下RAP混合料殘留穩定度變異性較大，但整體趨勢一致。在第3～7次凍融循環過程中， -18 ℃冷凍混合料水穩定性下降速率陡增；對于 -10 ℃與 -2 ℃冷凍的試件，在第5～7次凍融循環過程中水穩定性極速下降；超過7次循環后混合料水穩定性趨于穩定，且不滿足半干區與干旱區殘留穩定度75%的要求。冷凍溫度越低、凍-融過程中的溫度差越大，則分子間的相對熱運動越劇烈，RAP集料與瀝青的粘附性劣于新集料，因此瀝青易從RAP集料表面脫落，最終導致水分容易侵入瀝青-RAP集料界面，同時加劇瀝青混合料內部強度的不均勻性，使得強度與水穩定性同步降低。

后頁圖7凍融環境鹽濃度對RAP混合料殘留穩定度的影響曲線顯示，氯鹽濃度越高，在凍融過程中對瀝青的腐蝕性越大，特別是會腐蝕結構瀝青薄膜，使得集料暴露并與水接觸，降低水穩定性。但是在凍融循環次數較少時，凍融液含鹽量越高，則混合料殘留穩定度越高于清水凍融對照組，2%與4%鹽凍融試件殘留穩定度甚至＞100%。這種現象說明鹽的浸入可能通過結晶與鹽脹作用為混合料抵抗水損害提供了一定強度，這與前文所述鹽濃度對RAP混合料高溫性能的影響是一致的。但隨著凍融次數的增加，鹽腐蝕所產生的危害逐步累積，并超過鹽結晶與鹽脹帶來的補強作用。當凍融循環次數達到5次后，全部混合料試件均不滿足所有氣候分區下混合料殘留穩定度要求。凍融循環次數達到7次后，RAP混合料的水穩定性趨于穩定。

3 結語

（1）隨著凍融循環時冷凍溫度降低，RAP混合料高、低溫性能與水穩定性能均降低。冷凍溫度過低則混合料在融化階段瀝青容易從粘附性差的RAP集料上脫落，導致整體力學性能不良。

（2）鹽性凍融環境對RAP混合料存在結晶鹽脹補強作用與腐蝕作用。隨著使用年限的增加，負面的腐蝕作用逐漸積累，并成為混合料質量的主要控制因素。因此在冬季應盡量避免在RAP路面上使用氯鹽除冰劑，或者控制除冰劑濃度，以延長道路使用壽命。

（3）在經過3～7次凍融循環后，RAP混合料的路用性能顯著下降，并在第7次循環之后其高低溫性能與水穩定性能趨于穩定。

（4）凍融循環條件中，對RAP混合料路用性能影響的顯著性順序為：凍融循環次數gt;冷凍溫度gt;凍融環境鹽濃度。

參考文獻

［1］陶莉萍.凍融循環對熱再生瀝青混合料水穩定性影響研究［J］.交通節能與環保，2022，18（3）：87-91.

［2］陳 龍，朱建勇，何兆益，等.廠拌熱再生瀝青混合料低溫抗裂與水穩定性研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（4）：39-45.

［3］崔亞楠，孫廣寧，韓吉偉，等.鹽凍循環條件下兩種瀝青的微觀結構及高低溫性能［J］.復合材料學報，2017，34（4）：678-686.

［4］王 嵐，王 宇.鹽凍破壞下瀝青混合料的抗裂性能及影響因素［J］.建筑材料學報，2016，19（4）：773-778.

收稿日期：2022-10-26