熱再生瀝青混合料的抗車轍性能研究*

文元勇，李 舒，王高新

(1 云南交投集團投資有限公司，云南 昆明 650000； 2 清華大學合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230071；3 中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

據國際能源署（IEA）統計，2020年全球碳排放交通運輸業占比26%，我國土建材料已成為能源和水資源之后新的戰略資源。公路建設面臨著生態文明和碳達峰的雙重壓力。瀝青路面再生技術因其能實現廢舊材料的循環再生利用，是一種資源節約、節能減排的綠色養護技術，是未來養護技術的發展必然方向，也是“雙碳”戰略下必須面對的重要課題。目前，熱再生混凝土的研究成果有許多，主要集中在不同種類再生劑、RAP級配和瀝青性質對混凝土性能的影響方面，如抗水損、抗疲勞性能[1-3]。但是關于熱再生的施工環境和條件對熱再生混凝土性能的影響程度關注較少。通過云南省數字交通重點實驗室和高速公路隧道智慧化、無人化的路面性能監測研究中發現，從材料和施工多因素共同考慮熱再生瀝青路面抗車轍能力的研究更少。路面車轍的影響因素較為復雜，既包括材料本身的原材料性質、配合比，也包括外界的環境溫度、荷載條件等因素[4-6]。從瀝青混凝土的材料方面，研究表明向下的車轍是由骨料的向下和橫向運動引起的，而駝峰是由集料的向上和橫向運動引起的，瀝青混凝土的種類、瀝青的性質和級配對骨料的移動有顯著的影響[7-11]。在此基礎上，Ling等通過骨料接觸力學的建模得到了相似的結論[12]。從實際路面的行車荷載方面，Zhao等人在瀝青路面現場取芯的基礎上，分析道路年齡和等效單軸載荷（ESAL）的累積數量都可能影響永久變形性能[13]。Liu等也基于重復荷載的角度考慮瀝青路面的抗車轍性能，并提出將殘余應變比作為不受骨料結構影響的評價指標[14]。在此基礎上，路面結構以及在使用前后的環境條件如溫度與荷載，也發揮著重要的作用，然而在實際工程中，熱再生混凝土的設計與路面的施工會過分地依賴規范或者工程經驗，并沒有將二者進行統一平衡，所以經常出現過早的車轍病害。

為了研究不同因素對熱再生瀝青路面抗車轍性能的影響規律及程度，從設計和施工角度提出改進的建議，本文依據瀝青路面抗車轍的路用性能需求，通過車轍試驗，研究熱再生瀝青混凝土的材料特性和施工條件，如瀝青軟化點及用量、RAP摻量、集料級配、壓實度和荷載以及層厚等因素對路面高溫穩定性的影響。

1 原材料與設計

1.1 瀝青

瀝青種類的選取對瀝青路面的性能至關重要。試驗選用的瀝青是SBS Ⅰ-C改性瀝青。其主要技術指標試驗結果見表1，均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）[15]要求。

表1 SBS I-C改性瀝青技術性能Table 1 Technical performance of SBS I-C modified asphalt

1.2 集料及礦粉

集料的選擇需要考慮棱角性、壓碎值及磨耗值等，優選質地堅硬、表面粗糙且多棱角的集料，同時應該確保礦粉的潔凈與干燥無結團。試驗選用的集料和礦粉均為玄武巖，原材料性能均滿足規范要求[15]。

1.3 級配設計

現階段在我國瀝青路面面層中大多采用密級配瀝青混凝土。試驗中集料的級配設計如圖1所示，符合規范中AC-13瀝青混凝土的級配范圍[15]，并接近級配中值。

圖1 瀝青混凝土的級配曲線Fig. 1 Grading curve of asphalt mixture

1.4 RAP

為了控制瀝青的老化程度，通過實驗室中加速長期老化的方法獲得模擬RAP。原材料選用70#基質瀝青，技術性能見表2。集料、礦粉以及級配的選擇見圖1。采用4%的瀝青含量來制備熱拌瀝青混凝土。參考《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗規程》（JTG E20-2011）[16]中熱拌瀝青混凝土的加速老化試驗方法，將瀝青混凝土在松散狀態下均勻攤鋪在搪瓷盤中，放入135±3 ℃的烘箱中在強制通風的條件下連續加熱4h±5min。

表2 70#基質瀝青技術性能Table 2 Technical performance of 70# base asphalt

在此基礎上，模擬長期老化需要將混凝土制成試件后放在85±3 ℃烘箱中連續加熱120±0.5 h。由此獲得的RAP中老化瀝青性質與實際現場回收的RAP接近[17]，見表3，滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG/T 5521-2019）[18]要求。

表3 RAP技術性能Table 3 Technical performance of RAP

在選擇20% RAP摻量和圖1所示的級配設計基礎上，按標準馬歇爾方法成型試件[16]，確定混凝土的最佳油石比為4.3%，試驗結果見表4，滿足規范要求[15]。

表4 20% RAP摻量的SBS改性瀝青混凝土 AC-13級配 馬歇爾試驗結果Table 4 Results of marshall tests of SBS modified asphalt mixture with 20% RAP (AC-13)

用于研究瀝青混凝土高溫穩定性的試驗方法很多，其中車轍試驗[16]模擬現場應力狀態較好、設備精度要求不高并且與實際車轍深度相關性好，所以本文采用車轍試驗研究熱再生混凝土的高溫穩定性。在20% RAP摻量和圖1級配的基礎上，將拌和、保溫后的松散混合料倒入預制的鐵板模具中，然后將模具放置在輪碾機上，輕放輾壓輪，成型車轍板試件，試件的標準尺寸為300mm×300mm×50mm。瀝青路面的高溫抗車轍能力可以通過車轍試驗得到的動穩定度（DS）和車轍深度（RD）表示。

2 熱再生瀝青特性對混凝土高溫穩定性的影響

2.1 軟化點及環境溫度

瀝青作為一種典型的溫度敏感性材料，試驗溫度產生的影響非常重要。瀝青軟化點能夠反映瀝青材料的溫度敏感性，因此試驗分別選用SBS I-C改性瀝青和70#基質瀝青進行軟化點與試驗溫度的對比。為了研究熱再生瀝青結合料軟化點對混凝土高溫穩定性的影響，在20%RAP摻量和圖1的AC-13級配設計基礎上，通過馬歇爾試驗確定混凝土的最佳油石比分別為4.3%和4.1%，制備SBS I-C改性瀝青混凝土和70#基質瀝青混凝土。根據瀝青結合料的軟化點，確定車轍試驗溫度，并依據JTG E20-2011進行車轍試驗，結果如圖2所示。

圖2 不同溫度下的車轍試驗結果Fig. 2 Results of rutting tests under different temperatures

由圖2結果可知，隨著試驗溫度的升高，兩種瀝青混凝土的動穩定度下降，車轍深度增加，變化趨勢基本相同。DS變化可由圖2（c）三個直線段的斜率表示，其過程為由小變大、再由大變小，直觀反映了瀝青混凝土抗車轍性能對溫度變化的敏感程度。其下降速度在瀝青軟化點附近最大，軟化點以前次之，軟化點之后最小。因此可以看出，瀝青結合料軟化點±3℃的范圍內是瀝青混凝土抗車轍性能對溫度變化最敏感的溫度區間。

從RD變化曲線可以得到，兩種混凝土在某一溫度后的RD值發生突變，而突變點正是軟化點溫度附近，這說明瀝青結合料的軟化點是影響混凝土高溫穩定性的一個關鍵性指標。此外，SBS I-C改性瀝青混凝土的抗車轍性能明顯優于70#基質瀝青混凝土，60℃時RD顯著降低，說明瀝青的種類對混凝土的高溫抗車轍性能有十分重要的影響[19]。

2.2 RAP摻量

對熱再生混凝土而言，RAP中的舊瀝青能夠較好地與新瀝青融合，集料也能夠相對獨立地發揮骨架作用，因此級配設計采用RAP中的礦料和新礦料的合成級配。為了研究不同RAP摻量對熱再生混凝土的高溫抗車轍能力的影響，制備分別摻入20%、40%及60% RAP的混凝土，馬歇爾試驗確定最佳油石比分別為4.3%、4.3%和4.2%。車轍試驗結果如圖3所示。

圖3 不同RAP摻量的車轍試驗結果Fig. 3 Results of DS with different RAP dosages

圖3規律表示RAP摻量增加，DS有明顯的提升，車轍變形逐漸減小。這種現象可能與RAP中的老化瀝青有關，老化瀝青中的重質組分增多，瀝青黏度增大，同時最佳油石比的下降也從一定程度上減少瀝青感溫性對車轍變形的影響，促使熱再生混凝土抗永久變形的能力增強，這與圖2結論一致。

2.3 集料級配

為了研究級配不同時對瀝青混凝土性能的影響，在圖1級配和20%RAP摻量的基礎上，調整新料組成再設計2種級配進行試驗對比分析。

試驗基于骨架對混凝土性能的影響，考慮了貝雷法中粗細集料的分界點，認為4.75mm是粗細集料的控制篩孔[20-21]，因此為了考察骨架顆粒對瀝青混凝土性能的影響，設計第一種級配C1為4.75～9.5 mm之間的粗集料含量減少，第二種級配C3為4.75～9.5 mm之間的粗集料含量增大。三種集料級配曲線如圖4所示，其中C2曲線為圖1級配中的合成級配曲線。

圖4 三種合成級配曲線Fig. 4 Three kinds of grading curves

由圖4確定的級配曲線，成型標準馬歇爾試件，確定混凝土的最佳油石比分別為4.2%、4.3%及4.5%。為了對比各種級配的高溫穩定性，對每種級配按照最佳瀝青用量成型車轍板，車轍試驗結果如圖5所示。

圖5 不同級配下的車轍試驗結果Fig. 5 Results of rutting tests with different grading curves

由于C1與C3級配中骨架顆粒增多，所以這兩種級配的動穩定度都比較高，其中C3級配是4.75～9.5 mm顆粒增多的級配，其動穩定度最高，車轍深度最小。這說明在骨架顆粒中，4.75～9.5 mm顆粒是形成骨架的主要部分，其含量有利于動穩定度的提高和抗車轍能力，這一結論與Kim在骨料尺寸對瀝青路面抗車轍性能方面的研究結果一致[22]。從3種不同級配的抗車轍性能可以看出，級配對熱再生瀝青混凝土的高溫穩定性的影響還是較大的。

2.4 瀝青用量

瀝青用量也是影響瀝青混凝土特性的重要因素之一。在20% RAP摻量和圖1的級配的基礎上，混凝土的最佳油石比為4.3%，對油石比進行±0.3的調整進行車轍對比試驗，結果如圖6所示。

圖6 不同瀝青用量下的動穩定度Fig. 6 Results of DS with different asphalt dosages

圖6 反映了隨著瀝青用量的增加，瀝青混凝土的動穩定度明顯下降，即高溫穩定性變差。同時在最佳瀝青用量的基礎上，適當減少瀝青用量時，可使混凝土的動穩定度明顯提高。這種現象可能是RAP表面被瀝青膜包裹，混凝土吸油能力變弱，隨著瀝青含量增加會產生較多的自由瀝青。這說明馬歇爾試驗所確定的最佳瀝青用量，并不完全對應混凝土的最佳高溫穩定性。因此在實際工程中，在滿足混凝土空隙率和耐久性要求的前提下，可適當降低混凝土的瀝青用量，以提高其高溫穩定性。

3 施工條件對混凝土高溫穩定性的影響

3.1 壓實度和荷載

施工中壓實不足和道路使用過程中超載嚴重是我國瀝青路面不同于其它國家的兩個典型特征，同時也是影響瀝青混凝土高溫抗車轍性能的兩個重要因素。因此需要對高溫、重載以及壓實不足情況下的瀝青路面抗車轍性能的變化規律進行研究。

由于壓實度受影響因素多，設計與實際中會出現一定差異，在此采用先成型再反算的方法研究壓實度與荷載對抗車轍性能的影響。試驗選用20% RAP摻量和圖1級配制備SBS改性瀝青混凝土。依據JTG E20-2011，調整壓實荷載和碾壓次數，每級荷載成型6塊車轍板。在脫模后用表干法測量毛體積密度，計算壓實度并在室溫下自然風干后進行車轍試驗。此外，考慮超載影響，在車轍試驗中施加三種荷載78kg、87.5kg和102kg，對應壓力分別約為0.7、0.78、0.9 MPa。動穩定度和車轍深度的變化如圖7所示。

圖7 不同壓實度與荷載下的車轍試驗結果Fig. 7 Results of rutting tests under different compactness and load

圖7顯示出熱再生瀝青混凝土的抗車轍性能與壓實度具有相關性，隨著壓實度的增加，混凝土的抗車轍性能得到明顯的提高。在標準荷載（0.7MPa）條件下，壓實度增加5%（93.2%增加到98.2%），DS增加了1.4倍，相應地RD減小到原來的29%。由圖7（a）可知，行車荷載增加導致DS明顯下降。98%壓實度下，0.9MPa行車荷載對應的動穩定度下降為0.7MPa時的70%，所以限制超載是避免瀝青路面車轍病害的有效途徑之一。在圖7（b）中，隨著壓實度的減小，RD呈指數增加，故現場壓實度不足時，車轍不僅是壓實變形，還進一步產生了流動變形。

因此施工中應通過加強碾壓來確保路面的壓實度。現行規定要求壓實度為100%±1%，而施工規范中為97%，存在一定差異，這將導致對瀝青路面高溫穩定性的誤判和過高估計。綜上所述，壓實度和行車荷載均會影響路面的高溫穩定性，因此在施工階段控制壓實度和在運營階段控制超載都是避免早期車轍病害的必要手段。

3.2 層厚

瀝青路面層厚影響著路面結構性能和混凝土內部骨架狀態，也是施工中的重要控制參數。目前，現行規范規定采用5cm厚的車轍板[16]，工程中常選取瀝青混凝土最大公稱粒徑的3倍作為層厚，以確?；炷恋墓羌芙Y構。為了研究層厚對混凝土骨架結構的影響，采用不同厚度的車轍板進行試驗。

同樣地，選用20% RAP摻量和圖1級配制備SBS改性瀝青混凝土，車轍板厚為最大公稱粒徑的2.5倍、3倍、4倍和5倍，即分別為3cm、4cm、5cm和6.5cm。車轍試驗結果如圖8所示。

圖8 不同層厚的車轍試驗結果Fig. 8 Results of rutting tests with different thickness

隨著板厚與最大公稱粒徑的比值的增加，DS明顯下降并沒有出現最佳值，相應地車轍深度也逐漸增大。從試驗結果來看，減少板厚有助于提高混凝土的動穩定度，同時預示著板厚與最大公稱粒徑的比值在一定程度上反映了混凝土的骨架構成狀態。此外，試驗結果說明規程中采用5cm的板厚并不能完全反映實際的抗車轍能力，因此實際瀝青層厚度的幅度值得進行深入的研究。

4 結論

（1）瀝青軟化點±3℃的范圍內是瀝青混凝土抗車轍性能對溫度變化最敏感的溫度區間。

（2）RAP摻量增加，老化瀝青中的重質組分增多，瀝青粘黏度增大，混凝土的抗車轍能力提高。

（3）4.75～9.5 mm顆粒是形成骨架的主要部分，能夠較多地承受車輛荷載，其含量的增加有利于提高路面的抗車轍能力。

（4）在實際工程滿足混凝土空隙率和耐久性要求的前提下，可適當降低瀝青用量提高高溫穩定性。

（5） 隨著壓實度的減小以及行車荷載的增加，車轍深度呈指數增加，故現場壓實度不足時，車轍不僅是壓實變形，還進一步產生了流動變形。

（6）瀝青層厚度與最大公稱粒徑的比值在一定程度上反映了混凝土的骨架構成狀態，并與路面的抗車轍能力存在相關性。