含高摻量瀝青混合料回收料的高模量瀝青混合料性能研究

吳文信

（廣西路建工程集團有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

近年來，瀝青混合料回收料（RAP）被廣泛用于瀝青路面再生，節約了大量的自然資源和施工成本。當RAP 的摻量控制在30%以下時，再生瀝青混合料具有較好的性能［1］；但是，當RAP 摻量高于30%時，就會對再生瀝青混合料的各項性能產生影響［2］。隨著瀝青路面材料成本控制和環保意識的不斷提高，RAP 在瀝青路面施工中的應用范圍不斷擴大。盡管RAP 料的使用能減少天然骨料的使用量，但RAP 的加入被認為是導致瀝青路面熱裂、疲勞開裂和水損害的潛在影響因素［3］。以上問題的出現主要是由于瀝青結合料暴露在環境中，隨著輕質組分的揮發和氧化，導致老化后瀝青結合料的流變性能下降［4］。為解決RAP 中的瀝青混合料老化問題，傳統的解決方案是使用再生劑或較高標號的瀝青結合料摻入RAP中［5］。然而，再生劑和高標號瀝青結合料的加入可能會導致瀝青混合料的抗車轍性能降低，并且使用再生劑或高標號瀝青結合料對再生瀝青混合料的抗裂性和水分穩定性的改善作用有限。因此，受當前再生技術的限制，大摻量RAP 的應用尚未實施。現有的大摻量RAP 再生瀝青混合料的應用多處于實驗室階段，投入工程實踐的較少［6］。高模量瀝青混合料（HMAC）于20 世紀80 年代初起源于法國，最初是用于降低瀝青層的厚度。隨后，HMAC 被普遍用于重載交通、高溫地區、長大縱坡路段及機場道面，主要解決路面強度不足、瀝青混合料高溫性能不良造成的車轍等變形類病害。為獲得良好的抗車轍性能，通常使用高模量瀝青混合料（HAMB）生產HMAC。HAMB按照來源可分為以下3 類［7］：①采用低標號青結合料（如30#瀝青）；②采用高模量添加劑或特殊改性瀝青；③天然瀝青，如巖瀝青或湖瀝青。盡管世界各地對HMAC 沒有統一的設計方法或性能要求，但是目前普遍接受的HMAC 的重要特征如下：采用高模量瀝青混合料滿足混合料的高模量要求；HMAC 在15°C 和10 Hz 條件下，動態模量應大于14 000 MPa；HMAC 的配合比設計采用細級配、高瀝青含量（如集料重量的5.5%～6.5%）和低空隙率（3%左右）。由于RAP 中老化瀝青的高剛度類似于硬質瀝青，因此結合HMAC 的設計理念，在高模量瀝青混合料中加入RAP，提高RAP 的摻量水平，從技術上可行。本文開展動態模量試驗、車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、水穩定性試驗和疲勞性能試驗，對不同RAP 含量的高模量瀝青混合料的力學性能進行分析和評價，以期平衡高RAP 含量高模量瀝青混合料的各項性能和研究高含量RAP 在高模量瀝青混合料中的創新應用。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗采用的瀝青混合料回收料（RAP）來自四川某高速公路，該公路已經使用10年，已出現車轍和裂縫等病害。通過抽提回收方法分離RAP 中的瀝青混合料和集料。RAP 的集料級配見表1，選用特立達湖瀝青作為高模量瀝青結合料，其技術指標見表2。

表1 RAP的集料級配

表2 瀝青技術指標

由表2 可知，提取的RAP 老化瀝青的技術指標與特立達湖瀝青的技術指標差距不大，由此得出，瀝青混合料在長期老化后，隨著輕質組分揮發和氧化程度增加而變得更硬。

1.2 配合比設計

參考我國規范《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）對瀝青混合料AC-20 級配的要求，采用馬歇爾擊實方法進行配合比設計，對馬歇爾試件雙面擊實75 次。按照4%的設計空隙率確定不同RAP摻量瀝青混合料礦料級配（見表3）。

表3 不同RAP摻量瀝青混合料礦料級配

1.3 試驗方法

根據“1.2”章節確定的配合比設計，制備不同RAP 含量的高模量瀝青混合料用于實驗性能評估。對高模量瀝青混合料進行動態模量試驗，確定RAP對高模量混合料力學性能的影響。通過車轍試驗和低溫彎梁試驗對高模量瀝青混合料的高溫和低溫性能進行評價。采用馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對高模量瀝青混合料的水分穩定性進行評價。采用四點彎曲梁疲勞試驗對高模量瀝青混合料的疲勞性能進行評價。試驗過程嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的要求進行。

2 結果和討論

2.1 動態模量試驗結果

用于測量不同應力狀態下瀝青混合料在拉伸或壓縮下的動態模量的方法較多，本研究使用單軸壓縮試驗進行動態模量測試。試驗使用高度為150 mm、直徑為100 mm 的圓柱形試樣。在試樣上施加循環正弦載荷后，測量其軸向應力和軸向應變，進而計算得出動態模量，計算方法如下：

其中：|E*|為動態模量，σ0為應力，ε0為應變。

在0.1～25 Hz 的不同加載頻率、15 ℃溫度條件下進行動態模態試驗，測試結果如圖1 所示。從圖1 可知，隨著RAP摻入量的增加，相比不摻入RAP的高模量瀝青混合料，摻入RAP 高模量瀝青混合料的動態模量逐漸降低，尤其是在RAP 的摻量為30%～50%時，對高模量瀝青混合料的動態模量有顯著的負面影響。當RAP 摻入量為30%～50%時，高模量瀝青混合料動態模量不斷下降，然而在15 ℃和10 Hz 條件下，摻入RAP 的高模量瀝青混合料動態模量值仍高于14 000 MPa，滿足高模量瀝青混合料動態模量的要求。

圖1 動態模量試驗結果

2.2 車轍試驗

在60 ℃溫度條件下對不同RAP 摻入量的高模量瀝青混合料進行車轍試驗，評估其干燥條件下的抗車轍性能。混合料試件的寬度和長度均為300 mm，厚度為50 mm。通過接觸寬度為50 mm的橡膠輪對試件施加0.7 MPa 的恒定載荷。使用線性可變差動變壓器（LVDT）測量試樣沿輪徑的垂直位移。試驗期間，每20 s 記錄一次位移（車轍深度）；動穩定度（DS）計算方法如下：其中：DS為動穩定度（次/mm），N為每分鐘的車輪加載循環次數（在本研究中，N=42 次/min），d45和d60分別是在45 min和60 min時測得的車轍深度（mm）。

車轍動穩定度試驗結果如圖2 所示。由圖2 可知，高模量瀝青混合料動穩定度隨著RAP 摻入量的增加而降低，這與上一章節的動態模量測試結果一致。RAP 摻入量為30%～50%時，盡管高模量瀝青混合料動穩定度有所下降，但是仍在工程項目要求允許范圍內，50%RAP 高模量瀝青混合料動穩定度為3 407 次/mm，相比0RAP 高模量瀝青混合料，降低幅度更大。《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）對改性瀝青混合料的動穩定度要求為不小于3 000 次/mm，因此本文所有含RAP 高模量瀝青混合料均滿足規范要求。

圖2 車轍動穩定度試驗結果

2.3 低溫小梁彎曲試驗

在-10℃溫度條件下，采用萬能試驗機對不同RAP摻入量的高模量瀝青混合料進行低溫小梁彎曲試驗。在試驗前準備6個尺寸為250 mm×30 mm×35 mm（長×寬×高）的小梁試樣。以50 mm/min的位移速率在梁試樣的跨度中心施加載荷，直到梁斷裂為止。通過載荷傳感器和線性可變差動變壓器（LVDT）記錄梁試樣跨度中心的施加載荷和相應的垂直撓度。基于施加載荷-位移的測試曲線，可以根據公式（3）和公式（4）計算每個試樣的破壞應變和應變能。

其中：εb、d、E和εv分別為梁受彎時的彎曲-拉伸破壞應變、垂直撓度、應變能和垂直應變，h和L分別為測試試樣的高度和長度。

低溫小梁彎曲試驗結果如圖3 所示。從圖3 可知，添加RAP 后，破壞應變和應變能呈現出緩慢的下降趨勢，高模量瀝青混合料的低溫性能隨著RAP 摻入量的增加而逐漸降低。盡管RAP 中的老化瀝青結合料比高模量瀝青混合料（特立達湖瀝青）更軟，但它可能更脆弱，導致結合料的低溫性能降低。

圖3 低溫小梁彎曲試驗結果

2.4 水穩定性試驗

進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，評估高模量瀝青混合料的水穩定度。在浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗中均使用高度為150 mm、直徑為100 mm的圓柱形試樣。在浸水馬歇爾試驗中，馬歇爾試驗以50 mm/min 的恒定速率加載，直到試樣被破壞，并記錄其荷載大小。浸水馬歇爾殘留穩定度（MSR）用于評估瀝青混合料的水穩定性，即試樣在60 ℃的水中浸泡48 h后的強度與試樣在60 ℃水中浸泡30 min后的強度比；MSR的計算公式如下：

其中：MS0是6 個試樣在水中浸泡30 min 的平均馬歇爾強度，MS1是6 個試樣在水中浸泡48 h 的平均馬歇爾抗拉強度。

劈裂試驗用于確定瀝青混合物在雙軸應力狀態下的抗拉強度。在凍融劈裂試驗中，采用凍融劈裂強度比（TSR）評價瀝青混合料的水分穩定性。TSR被定義為樣品在凍融條件下和正常溫度下的劈裂強度比。在凍融條件下，將樣品在真空狀態下浸入水中15 min，然后在-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，最后在60 ℃的水中冷凍24 h。TSR計算公式如下：

其中：R2為6個凍融處理試樣的平均劈裂強度，R1為6個未凍融處理的試樣的平均劈裂強度。

水穩定性能試驗結果如圖4所示。根據浸水馬歇爾殘留穩定度（MSR）和凍融劈裂強度比（ISR）的測試結果可以看出，摻入RAP 的高模量瀝青混合料的水穩定性隨著RAP 摻入量的增加而降低，主要原因為長期的老化作用導致RAP 中老化瀝青混合料的黏附性變得比高模量瀝青混合料（特立達湖瀝青）弱，從而影響高模量瀝青混合料的水穩定性。然而，從測試數據中也可以發現，不同摻量RAP 的高模量瀝青混合料的MSR和TSR隨著RAP 摻量增加，其值降低幅度不大。《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）對改性瀝青混合料的水穩定度要求為MSR和TSR均不小于80%，因此試驗中所有摻入RAP 的高模量瀝青混合料均滿足規范要求。

圖4 水穩性性能試驗結果

2.5 疲勞性能試驗

基于應力控制試驗模式，對高模量瀝青混合料開展四點彎曲試驗。在15℃溫度條件下施加頻率為10 Hz 的循環正弦應力。疲勞試驗是使用恒定應力或恒定應變載荷進行的，考慮到應變控制模式所需的試驗時間相對較長，選擇應力控制模式。將梁斷裂時加載循環次數記錄為瀝青混合料的疲勞壽命。基于不同的應力比（0.2、0.3、0.4 和0.5），進行6 次重復試驗。疲勞壽命試驗結果如圖5 所示。從圖5 可知，所有高模量瀝青混合料樣品的疲勞壽命和應力比趨勢相似。在RAP 摻量為30%～50%時，RAP 的摻量越高，對高模量瀝青混合料疲勞壽命的負面影響越大，但相比未摻RAP 的高模量瀝青混合料，摻入RAP 的瀝青混合料的疲勞壽命降低幅度小，特別是在應力比較高時。因此，RAP 對高模量瀝青混合料的疲勞壽命的影響是可接受的。

3 結語

本研究開展抗車轍性能、低溫開裂性能、水穩定性能和疲勞性能等試驗，評估摻入RAP 的高模量瀝青混合料的各項性能，根據測試結果得出以下結論：①RAP 的摻入不會對高模量瀝青混合料的力學行為產生顯著的負面影響。盡管高模量瀝青混合料的動態模量隨著RAP 摻入量的增加而降低，但RAP 摻入量為30%～50%的高模量瀝青混合料的動態模量仍能滿足規范要求。②摻入RAP 的高模量瀝青混合料的動穩定度、水穩定性能和疲勞性能與RAP 的摻入量有關，RAP 摻入量越高，高模量瀝青混合料的動穩定度、水穩定性能和疲勞壽命降低，但RAP 對高模量瀝青混合料的各項性能的負面影響都在項目要求范圍，如摻入RAP 的高模量瀝青混合料的水穩定性能和高溫性能在50%RAP 含量時仍然滿足規范要求。考慮到含RAP 高模量瀝青混合料的各項性能滿足規范要求，可將其用于瀝青下面層和基層。然而，由于RAP 對高模量瀝青混合料的低溫性能的負面作用較大，因此不建議用于瀝青表面層。