高摻量RAP和溫拌技術對瀝青混合料性能的影響

王錦輝,司馬利凡

(河南省公路工程局集團有限公司,河南 鄭州 450000)

溫拌瀝青(WMA)技術和瀝青混合料回收料(RAP)為生產新的瀝青混合料提供了一種環境友好且經濟高效的方法。但是,由于RAP摻入新瀝青混合料中,老化結合料會使其硬度增加,瀝青路面的松弛能力降低,RAP含量高的混合料表現出更高的中低溫開裂敏感性[1-3]。此外,研究表明,RAP的添加與改善抗車轍性能相關,RAP剛度的增加會對瀝青混合料的抗疲勞開裂能力產生負面影響[4-5]。另外,WMA混合料中高摻量RAP(例如15%或30%等)研究表明,較低的生產溫度和RAP來源會顯著影響溫拌再生瀝青混合料的工作性和穩定性,若加入再生劑可以進一步提高RAP的摻量[6]。RAP材料在實際工程中逐步使用出現了諸多問題,為了解決RAP對瀝青混合料性能的正面和負面影響,在室內開展了不同的WMA技術,評價其對制備的混合料抗車轍和抗裂性能的影響,旨在提高RAP材料摻量的同時,采用溫拌技術達到節能環保的目的。RAP材料來源于連霍高速鄭洛段大修工程,使用三種WMA技術生產了高含量RAP的不同瀝青混合料。溫拌技術分別為Sasobit?(有機)、Evotherm?(化學)和Advera?(發泡),RAP含量為0%、25%和35%的混合料,試驗結果與對照混合料HMA(含和不含RAP)的結果進行比較,以評價使用WMA添加劑和不含RAP的WMA混合料對抗車轍、抗裂和疲勞性能的影響。

1 溫拌瀝青技術

1.1 有機助劑

在瀝青混合料或結合料中摻加有機添加劑(如有機蠟)可降低結合料的黏度,使骨料在結合料中更自由地移動。此外,使用有機添加劑也可降低混合料的拌和溫度至20～30 ℃。Sasobit?是最常見的商用有機添加劑之一,可在混合過程中直接添加到HMA混合料中,可與結合料機械或手動混合。建議Sasobit使用量為0.8%～4%(按結合料重量計)。

1.2 化學添加劑

Evotherm?是最典型的化學WMA添加劑之一,用于結合料可提高骨料顆粒的涂覆率。Evotherm是一種深色液體化學添加劑,包括表面活性劑,可降低固體和液體或兩種液體之間的表面張力。Evotherm旨在降低瀝青混合料的生產溫度,在生產過程中,熱骨料和Evotherm之間的相互作用導致乳液中的水蒸發,結合料充分覆蓋熱骨料。有研究結果表明,瀝青混合料的混合和壓實溫度降低20～30 ℃左右,它可以在與骨料混合之前直接粘貼到加熱的瀝青結合料中。對于聚合物改性結合料,使用量為結合料重量的0.30%～0.75%。

1.3 發泡技術

Advera?是著名的發泡添加劑之一,加入結合料后,溫度會突然下降,因為一部分能量用于蒸發水分,結合料封裝釋放的蒸汽,導致結合料的瞬時體積膨脹,同時降低結合料黏度。Advera是一種粉末狀沸石發泡技術,使其更容易生產試驗室WMA混合料,添加約5%(按結合料重量計)。通過向混合料中添加混合的Advera和結合料,可以產生微小的水噴霧,使瀝青結合料的體積增大,從而在較低溫度下增強和易性和骨料涂層,此技術可將混合和壓實溫度降低約30 ℃。

有研究結果表明,廣泛用作有機添加劑的Sasobit材料,它可以提高WMA混合料的抗車轍性能,含有化學添加劑的WMA混合料的抗車轍性能降低。這是因為Sasobit含有蠟晶體,這使得它比其他添加劑更硬。與其他WMA技術相比,Advera具有更好的疲勞壽命,因此,建議在含有Sasobit的WMA混合料中使用軟結合料,以提高混合料的疲勞壽命。

2 試驗材料與方法

2.1 材料

表1總結了12種不同的HMA和WMA組合類型,混合料代碼名稱、RAP摻量及溫拌劑摻量見表1。

表1 試驗用混合料組合

2.2 瀝青結合料和助劑

瀝青結合料為SBS改性PG 76-22,對比三種常見WMA技術生產的WMA混合料的性能;溫拌技術為Sasobit?(有機)、Evotherm?(化學)和Advera?(發泡)。

Sasobit在120 ℃下與熱瀝青結合料混合,按結合料總重量的3%計算。使用帶有標準槳葉的機械剪切混合器(不需要高剪切混合),將Sasobit與熱結合料徹底混合。混合后的結合料可以毫不延遲地達到目標混合溫度,也可以保存在倉庫中以備日后使用,結合料中的Sasobit應在數周內保持均勻。

添加Evotherm的劑量和程序依照添加劑生產商的建議,將Evotherm添加到248 ℃的加熱瀝青結合料中(120 ℃),使用帶有標準槳葉的機械剪切攪拌機,摻量為PG 76-22結合料重量的0.6%。

發泡添加劑:添加約5%(按結合料重量計),在與骨料混合之前,將Advera以結合料重量的5%添加到熱結合料中。

2.3 RAP級配

RAP材料收集為細粒和粗料(結合料含量分別為4.7%和3.1%),取自連霍高速鄭洛段大修工程。表2為兩種RAP材料的骨料級配,針對RAP含量為0%、25%和35%的混合料制定了設計骨料級配,滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)的要求。

表2 兩種RAP材料的骨料級配

2.4 試驗方案

為了評價HMA和WMA混合料及RAP含量較高的溫拌瀝青混合料的性能,對12種混合料的力學特性進行了試驗和分析,以確定WMA技術和高RAP含量對中溫(疲勞開裂)和高溫(永久變形)的影響。表3顯示了瀝青混合料的體積特性,HMA混合料分為不含RAP和不含再生劑的對照組混合料。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)要求,從短期老化的松散混合料中提取舊瀝青結合料,采用三氯乙烯作為溶劑進行提取。

表3 瀝青混合料的體積特性

2.5 瀝青結合料流變性能評價

DSR測試應在76 ℃旋轉薄膜烘箱(RTFO)老化條件下進行試驗,先是旋轉薄膜烘箱(RTFO)進行標準短期老化后,使用壓力老化容器(PAV)進行長期老化。根據規范要求進行MSCR試驗,以評價提取和回收瀝青結合料在高溫下的抗車轍性,該試驗考慮了氣候和交通水平。采用BBR試驗對提取的瀝青結合料的低溫性能進行了評價。

2.6 瀝青混合料性能評價

采用輪轍試驗對不同瀝青混合料的永久抗變形能力進行評價,評價指標為車轍深度;采用SCB半圓彎曲試驗對瀝青混合料的低溫性能進行評價,評價指標為臨界斷裂能Jc,其表達式見公式(1)。

(1)

式中:Jc為臨界斷裂能,kJ/m2;a為切口深度,mm;dU/da為單位切口深度的應變能變化率;b為試樣厚度,mm;U為破壞應變能,N·mm。

3 試驗結果分析

3.1 瀝青結合料試驗

(1)MSCR試驗結果。

MSCR的試驗結果見表4,Jnr是不可恢復的蠕變柔量,在兩個應力水平下進行,根據表4中的結果,所有含RAP的混合料的Jnr值均低于不含RAP的混合料,這證實了RAP結合料的硬化效果。

表4 MSCR試驗結果

根據圖1,與HMA對照混合料相比,所有WMA混合料(包括不含RAP)的Jnr值較低,這表明WMA混合料的抗車轍性能較好,尤其是WS35R混合料更突出。但不是所有的WMA混合料都是這樣的規律(包括25% RAP或35% RAP),與H35R混合料相比,兩個應力水平下,WS35R都具有較低的Jnr值,具有較強的抗變形能力。

圖1 多重應力恢復試驗Jnr結果

εr是相對于峰值應力量的可恢復應變量的度量。可以得出結論,恢復率εr較高的結合料更耐永久變形。表4中εr的結果證實了WMA混合料的更好性能。降低拌和與壓實溫度并使用WMA技術有助于使軟化的結合料具有更高的可恢復應變值。結果表明,WS0R、WS25R和WS35R混合料的Jnr和εr值分別較低和較高,這訪問明三種不同WMA技術的所有混合料在兩種應力水平下的Sasobit性能更好。

(2)LAS試驗。

LAS試驗是一種加速試驗,可以識別瀝青瑪蹄脂或結合料在長期老化后的疲勞性能,應變水平為2.5%和5%,采用材料連續損傷疲勞模型得到了瀝青的疲勞壽命,如圖2所示。圖2(a)表明,由于應變敏感性較高,從含35%RAP的HMA混合物中提取的結合料具有較低的疲勞壽命。RAP結合料和WMA技術的結合改善了結合料的疲勞性能,與其他WMA和HMA結合料相比,WE35R具有更高的疲勞壽命Nf。因此,WMA添加劑具有疲勞潛力,Evotherm的作用更為顯著。同時,H25R的疲勞壽命Nf損耗意味著來自RAP材料的老化結合料將降低應變控制載荷模式下的疲勞性能。

圖2 不同應變水平時瀝青結合料的疲勞壽命

(3)BBR試驗。

結合料在RTFO老化后進行PAV老化,以評價瀝青結合料的低溫性能,試驗溫度為-12 ℃。表5的BBR試驗結果顯示,再生料含量為25%時的所有溫拌瀝青混合料能滿足-12 ℃的性能要求,摻量為35%的溫拌瀝青混合料、不添加和添加25%再生料的熱拌瀝青混合料不能滿足-12 ℃的性能要求。但是所有混合料的數據差異并不大,也可以說WMA混合物和HMA對照混合物之間低溫性能沒有顯著差異。

表5 BBR試驗結果

3.2 瀝青混合料性能試驗

(1)車轍試驗結果。

評價了12種瀝青混合料的平均車轍深度結果,如圖3所示。結果表明,混合料WS25R是抗車轍性能最優的混合料,而不含RAP混合料的H0R是抗車轍性能最差的混合料。與沒有RAP的HMA瀝青混合料相比,向HMA中添加RAP會減小車轍深度。然而,向WMA混合物中添加RAP對WMA混合物的永久變形沒有顯著影響。還需要注意的是,Sasobit的性能在其他系統中是最好的,WMA技術和含有Sasobit的混合物的車轍深度值較低。RAP含量的增加速度顯著降低WMA和HMA混合物中的車轍深度。

圖3 不同混合料的平均車轍深度

車轍試驗結果與表4所示的MSCR測試結果一致,含有Sasobit和35%RAP的混合料的Jnr值較低,剛度越高,預計其抗車轍能力越強。基于不含RAP、WMA混合料的MSCR和LWT測試結果優于HMA對照混合料,與HMA控制組合進行性能比較可以推斷,RAP和WMA技術的結合在提高瀝青混合料的抗永久變形和水穩定性方面具有良好的效果。

(2)SCB試驗。

圖4顯示了含有0%、25%和35%RAP的HMA和WMA混合物的臨界斷裂能Jc值比較,根據之前的研究,瀝青混合料應滿足≥0.5 kJ/m2的最小要求值,以降低中溫開裂敏感性。SCB測試結果表明,含有RAP的HMA混合物的Jc值幾乎與不含RAP的HMA混合物相似或更低。然而,含有RAP的WMA的混合物Jc值高于未添加RAP的WMA混合物,并且隨著WMA混合物中RAP含量的增加,增幅不斷增加。這一觀察結果表明,WMA添加劑摻入RAP混合料是有效的,尤其是Sasobit。基于WS0R的Jc值,添加Sasobit產生的Jc值最低,也是所有混合物中的最硬的,這與LWT和MSCR測試的結果一致。

圖4 不同混合料的SCB試驗臨界斷裂能Jc值

4 結 論

(1)添加35%RAP材料顯著提高了HMA和WMA混合物的永久抗變形能力,Sasobit作為溫拌劑時其高溫性能更好。而且,在不同測試應變水平下,MSCR和LWT測試結果之間穩定關聯,該試驗可以有效地用于預測瀝青混合料的車轍性能。

(2)BBR試驗結果表明,從WMA混合物中提取所有瀝青結合料滿足-12 ℃條件下蠕變速率M值和剛度標準,與HMA混合料相比具有更高的蠕變速率M值和更低的剛度(不包含RAP)。

(3)根據SCB試驗結果,WMA技術用于在低溫下生產瀝青混合料,但不會影響瀝青混合料的抗裂性。此外,在WMA混合物中加入高達35%的RAP含量可產生類似或更好的斷裂性能。

(4)基于LAS試驗結果,考慮到循環載荷條件下的響應,所有三種WMA添加劑對瀝青結合料的疲勞性能表現出幾乎相似的影響,RAP結合料和WMA技術的結合提高了混合料的疲勞壽命,與其他WMA添加劑和HMA混合物相比,化學技術的效果更為明顯。