短期老化法制備RAP的再生瀝青混合料路用性能

黃軍瑞,張兆杰,苑兆迪,張歡

山東省交通科學研究院,山東 濟南 250102

0 引言

我國公路建設發展迅速,截至2022年底,我國的公路總里程已達535.48萬km,瀝青路面約占90%[1]。公路養護里程急劇上升,路面翻修過程中產生大量廢舊瀝青混合料(reclaim asphalt pavement,RAP),長期堆放易造成嚴重的環境污染。我國交通運輸量逐年遞增,2022年完成營業性貨運量506.63億噸,客運量55.87億人次,公路營業性貨運量和客運量分別占73.3%、63.5%。其中,貨運方面以重載交通居多,對瀝青路面的性能提出更高要求。

通常公路改擴建項目中會在瀝青中下面層鋪設廠拌熱再生瀝青混合料[2-4],研究老化改性瀝青混合料的性能可知,改性再生瀝青混合料在間接拉伸試驗中的耐久性和低溫性能較好[5]。研究多種改性瀝青老化再生原理及老化過程中各類改性劑組成的變化可知,改性瀝青老化后不應再增加高標號瀝青和再生劑,否則易造成改性瀝青軟化[6];改性瀝青在短期老化過程中,SBS改性劑可減緩老化速度,對瀝青性能的影響相對較小[7]。但現有文獻中研究對象相對單一,分析改性瀝青的再生機理較多,研究不同類型改性再生瀝青混合料的路用性能較少[8]。

本文采用短期老化模擬法模擬苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)改性瀝青、巖瀝青(rock asphalt,RA)改性瀝青的老化,拌和制備再生瀝青混合料,通過浸水高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩定性能試驗等對比不同類型AC-20瀝青混合料的路用性能,分析改性-再生AC-20對瀝青混合料路用性能的影響。

1 再生瀝青混合料的模擬制備

1.1 試驗原材料

RA是天然瀝青,常溫下為黑褐色粉末狀,在生產及運輸過程中易受潮,受潮的RA不僅影響自身性狀,還會對施工道路帶來安全隱患[9-10]。RA的含水率為1.54%,滿足含水率不大于2%的技術要求[11]。工程中巖瀝青與礦料的質量比通常為0.03～0.04[12-14],為減小試驗的變量,采用70#基質瀝青進行改性,SBS改性劑與基質瀝青的質量比、RA與基質瀝青的質量比均設為0.035。SBS改性瀝青、RA改性瀝青各指標的技術要求及檢測結果如表1、2所示。結果表明,2種改性瀝青均符合技術要求。

表1 2種改性瀝青各指標的技術要求

表3 原材料和填料測試結果

采用石灰巖為原材料和填料,表觀相對密度不小于2.500,吸水率不大于3.0,采用水洗法檢測粒徑小于0.075 mm的質量分數不大于1.0,按粒徑分為0～5 mm、>5～10 mm、>10～20 mm 3檔,測試結果如表3所示。礦粉的表觀相對密度為2.650。

1.2 改性瀝青混合料的級配設計

采用熱熔法制備SBS改性瀝青。制備RA改性瀝青時,需將RA過方孔篩,篩孔邊長為1.18 mm,防止瀝青在剪切過程中不均勻沉降;將70#基質瀝青加熱至150～160 ℃,將篩好的RA粉末按設計質量比加入70#基質瀝青,攪拌約40 min,放入轉速為10 000 r/min的剪切機中剪切60 min,在剪切過程中升溫至170 ℃。

為減少試驗中的誤差,SBS改性瀝青混合料、RA改性瀝青混合料均采用同一級配。對0～5 mm、>5～10 mm、>10～20 mm石灰巖和礦粉進行篩分試驗,確定改性瀝青混合料的級配,各組成成分的通過率如表4所示。

表4 AC-20級配及集料通過率

1.3 再生瀝青混合料

采用文獻[15]室內短期老化方法對AC-20進行模擬老化。將制備的SBS改性瀝青、RA改性瀝青分別置于試樣盤中,用試驗鏟把混合料攤鋪開,攤鋪面質量約為(20±1)kg/m2,將試樣盤置于135 ℃烘箱內,加熱通風老化約4 h。為使2種改性混合料充分老化,通風加熱期間需每h攪拌1次混合料,以達到瀝青混合料在施工過程中形成的老化狀態[16]。

將模擬老化的SBS改性瀝青混合料、RA改性瀝青混合料作為RAP,進行再生瀝青混合料配合比設計,RAP與新瀝青的質量比為0.2[17],分別制備SBS再生瀝青混合料、RA再生瀝青混合料。模擬老化的AC-20與新AC-20的質量比為0.2, 二者拌和制備普通再生瀝青混合料。

2 再生瀝青混合料的路用性能分析

2.1 高溫穩定性

采用車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性,按文獻[15]要求將混合料制成30 cm×30 cm×5 cm的車轍板,A-20、普通再生瀝青、SBS再生瀝青、RA再生瀝青的動穩定度分別為1 241、2 461、3 008、2 869 次/mm。

普通再生瀝青的高溫性能較好,動穩定度約為AC-20的2倍,原因是RAP中的瀝青老化嚴重,重質組分較高,瀝青整體較硬;2種改性再生瀝青的高溫性能優于普通再生瀝青,原因是混合料中有老化后的改性瀝青,2種改性瀝青的黏度相對較大,改性再生瀝青的黏度和勁度進一步增大。

2.2 低溫抗裂性

表5 各混合料低溫彎曲試驗結果

采用低溫彎曲試驗評價4種瀝青混合料的低溫性能,將車轍板試件沿行車方向加工為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件,試驗機加載速率為50 mm/min,溫度為-10 ℃,結果如表5所示。文獻[15]中要求冬冷區(溫度為-9～21.5 ℃)瀝青混合料的破壞應變不小于2×10-3。

由表5可知:4種瀝青混合料均滿足規范要求,破壞應變由大到小依次為AC-20、RA再生瀝青、SBS再生瀝青、普通再生瀝青。普通再生瀝青混合料中瀝青老化后,輕質組分流失,瀝青變硬變脆,且不能較好地融合新摻入的瀝青,低溫性能較差[18];改性-再生瀝青混合料含部分改性瀝青,老化后的性能整體優于基質瀝青,SBS改性瀝青、RA改性瀝青的低溫性能較好[19],在混合料老化過程中,改性瀝青的性能未明顯下降,改性再生瀝青的低溫性能未明顯降低。

2.3 抗車轍性能和水穩定性

采用漢堡車轍試驗評價瀝青混合料抗車轍性能和水穩定性[20],將4種混合料通過SGC成型制備Ф150 mm×170 mm的標準試樣,并加工成圖1試樣。ST1～ST11為試驗點位,ST3、ST9為記錄點。

將試件置于50 ℃水浴中碾壓,設定輪碾機碾壓10 000次,或試樣車轍深度為12.7 mm時停止試驗,結果如表6所示。ST3、ST9點處漢堡車轍數據如圖2所示。由圖2可知:碾壓第10 000次時的車轍深度從大到小依次為AC-20瀝青混合料、普通再生瀝青混合料和2種改性再生瀝青混合料,2種改性再生瀝青混合料的碾壓車轍深度相當。改性再生瀝青混合料的抗車轍性能整體優于AC-20瀝青混合料、普通再生瀝青混合料。AC-20瀝青混合料的車轍深度出現拐點,碾壓第10 000次時車轍深度最大,說明AC-20瀝青混合料的抗車轍性能最差;2種改性再生瀝青混合料的浸水高溫穩定性最好;普通再生瀝青混合料中含RAP,瀝青老化后黏附性下降,水穩定性降低,仍有一定抵抗車轍的能力,未出現拐點;改性再生瀝青混合料中的改性瀝青老化后仍具有良好的黏附性[21],抗車轍能力有一定提高,改性再生瀝青混合料具有良好的抵御高溫水損壞的能力。

表6 漢堡車轍試驗結果

a) ST3 b) ST9 圖2 ST3、ST9點處車轍深度與碾壓次數的關系

3 結論

1)采用室內短期老化法模擬制備RAP,拌和制備SBS再生、RA再生、普通再生瀝青混合料,再生瀝青混合料的高溫穩定性比AC-20瀝青混合料好,改性再生瀝青混合料的高溫性能最佳,改性瀝青老化后仍起一定作用。

2)再生瀝青混合料因瀝青老化后輕質組分流失,整體變硬變脆;改性再生瀝青混合料的低溫抗裂性能無明顯劣化。

3)3種再生瀝青混合料在漢堡車轍試驗中均未出現拐點,表明三者具有良好的水穩定性及浸水高溫穩定性,SBS再生瀝青和RA再生瀝青混合料的穩定性能相當,均優于AC-20和普通再生瀝青混合料。