RAP摻量對廠拌熱再生瀝青混合料性能的影響研究

摘要：文章研究RAP（瀝青路面回收料）摻量對廠拌熱再生瀝青混合料性能的影響，通過在室內制備不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料，研究其高溫性能、低溫性能、水穩定性以及疲勞性能。試驗將RAP摻量分別設置為礦料質量的0%、15%、30%、45%，再生劑摻量為4%。試驗結果表明：RAP摻量的提升改善了熱再生瀝青混合料的高溫性能，但削弱了其低溫性能和水穩定性能；在低應變水平下，含RAP的混合料展現出較好的疲勞壽命，但隨著應變水平的提高，疲勞壽命衰減較快，從總體上看，RAP摻量的提升不利于熱再生瀝青混合料的疲勞性能。經對比分析發現，RAP摻量的變化對混合料的低溫性能和水穩定性能有顯著影響，因此在低溫和降雨量較大的地區應用時，需針對性地提升這兩種性能。

關鍵詞：廠拌熱再生；RAP；路用性能；主成分分析

中圖分類號：U41" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）08-0090-04

0 引言

瀝青路面回收料（RAP）是一種含有大量舊瀝青和優質集料的寶貴資源，自20世紀30年代以來，便成為再生瀝青混合料［1］。近年來，廠拌熱再生技術的研究主要聚焦于瀝青混合料路用性能的提升和RAP摻量的影響，以及實現性能優化的手段。孟建瑋等［2］以菜籽油作為基礎油分制備的植物油再生劑有效改善了熱再生瀝青混合料的路用性能，并確定了適宜的植物油摻量。胡文娟［3］采用天然瀝青和聚酯纖維對熱再生瀝青混合料進行復合改性，通過室內試驗獲得了天然瀝青與聚酯纖維的最優配比。SABER等［4］使用納米材料對再生瀝青混合料進行改性，發現添加納米二氧化硅可以顯著改善熱再生瀝青混合料的疲勞性能。肖滿哲［5］通過試驗證明了高RAP摻量對熱再生瀝青混合料的疲勞性能有不利影響，并提出了疲勞壽命預估方程。此外，國內學者［6-7］通過室內試驗證明了高RAP摻量的可行性。上述研究表明，通過技術手段可以有效提升熱再生瀝青混合料的路用性能和RAP摻量。然而，實際工程中大多將RAP摻量保守地控制在30%左右，并且研究多關注于摻量變化對混合料性能的影響，較少探討路用性能對RAP摻量的敏感性。基于此，本文在現有文獻的基礎上，將RAP摻量的上限提升至45%，并對不同RAP摻量下的熱再生瀝青混合料展開路用性能研究，通過主成分分析獲得熱再生瀝青混合料路用性能對RAP摻量變化的敏感程度。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本試驗使用的再生劑選用江蘇某公司生產的HLJ再生劑，相關技術指標見表1。檢測指標滿足《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG/T 5521—2019）對RA-1型再生劑的要求。

瀝青路面回收料采自某地已使用5年的SBS改性瀝青混合料高速公路路面的銑刨材料。采用抽提篩分法檢測，測得RAP中老化瀝青的含量為4.6%。新加入的粗細集料及礦粉均為石灰巖，并且其各項性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的要求。新采用的瀝青為SBS改性瀝青，各項技術指標亦滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的要求。

1.2 配合比設計

1.2.1 級配設計

采用馬歇爾配合比方法設計不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料的室內目標配合比。本文選擇AC-13C作為級配類型，RAP的摻量分別為礦料質量的0%、15%、30%和45%，不同RAP摻量熱再生瀝青混合料礦料級配比見圖1。

1.2.2 最佳油石比

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中規定的最佳油石比確定方法，對于不含RAP（0%）的熱再生瀝青混合料，其最佳油石比為4.8%；當RAP摻量分別為15%、30%、45%時，最佳油石比依次為5.0% 、5.1% 、5.2%。RAP中舊瀝青的含量為4.6%，熱再生瀝青混合料中的油石比包括這部分老化瀝青，再生劑摻量為瀝青質量的4%。在各種摻量的最佳油石比條件下，熱再生瀝青混合料的馬歇爾體積指標見表2。

1.3 試驗方法

路用性能試驗包括車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗及疲勞性能試驗。其中，車轍試驗在60 ℃的條件下進行，采用的是標準試驗方法；低溫小梁彎曲試則在-10 ℃的環境下通過三點加載方式，以50 mm/min的加載速率進行，上述試驗過程均需遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的要求。根據該規程中的四點彎曲試驗方法（T0739）對熱再生瀝青混合料疲勞性能進行研究，疲勞性能試樣采用切割車轍試件。試驗溫度分別設定為15℃、20℃和25℃，加載頻率為10 Hz，試驗采用恒定應變控制下的連續正弦加載模式。為了獲得不同溫度條件下熱再生瀝青混合料的疲勞壽命變化規律，試驗采用600、700和800 με 3種不同的應變水平。疲勞破壞的判定依據為試件模量降低至其初始模量的50%。

2 試驗結果及分析

2.1 車轍試驗

熱再生瀝青混合料車轍試驗結果見圖2。從圖2可以看出，摻入RAP的熱再生瀝青混合料，其動穩定度均大于未摻RAP的瀝青混合料，車轍深度變化則呈相反趨勢。此外，熱再生瀝青混合料的動穩定度遠高于《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中針對“1-3氣候分區”設定的2 800次/mm的標準。隨著RAP摻量由15%提升至45%，熱再生瀝青混合料的動穩定度提高了3.9%～33.0%，同時車轍變形降低了7.1%～25.0%。以上結果表明增加RAP摻量能顯著提高熱再生瀝青混合料的高溫性能。

2.2 低溫小梁彎曲試驗

熱再生瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結果見圖3。從圖3中可以看出，隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的彎曲破壞強度及最大破壞應變均逐漸降低。當RAP摻量為45%時，熱再生瀝青混合料的強度僅為9.5 MPa，最大破壞應變值為2 914 με，表明RAP的摻入使熱再生瀝青混合料的彎曲破壞強度和最大破壞應變下降。盡管如此，該最大破壞應變值（2 914 με）仍滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中對冬寒區材料的最低要求。上述研究結果表明，RAP的摻入對熱再生瀝青混合料的低溫性能產生了不利影響，但在適當條件下，在實際工程中將RAP摻量至45%是可行的。

2.3 凍融劈裂試驗

熱再生瀝青混合料凍融劈裂試驗結果見圖4。從圖4中可以看出，熱再生瀝青混合料的劈裂強度和凍融劈裂強度比（TSR）隨著RAP摻量的遞增而降低，表明RAP摻量對混合料的水穩定性能有負面影響。雖然最小TSR仍保持在82%，滿足了《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）對潮濕區的要求（≥80%），但是與未摻RAP的瀝青混合料相比，RAP摻量從15%增加至45%時，劈裂強度下降了2.8%～12.0%，TSR也下降了3.4%～7.9%。性能下降的原因可歸結為RAP含量的提高加劇了新舊瀝青混合的不均勻性，進而削弱了熱再生瀝青混合料的水穩定性能。因此，從確保水穩定性的角度出發，RAP的摻量應受到合理限制；然而，考慮到水穩定測試結果，最大RAP摻量（45%）在實際應用中仍被視為可行。

2.4 疲勞性能試驗

2.4.1 疲勞方程的建立

本文采用四點彎曲法對試件進行疲勞試驗，研究熱再生瀝青混合料的疲勞性能，通過分析不同因素的影響，揭示熱再生瀝青混合料疲勞性能的變化規律。構建不同RAP摻量熱再生瀝青混合料應變水平與疲勞壽命之間的關系模型，采用的疲勞壽命方程如下：

[Nf=aε-n]，" " " " " " " " " " " " " （1）

其中：Nf為疲勞壽命，ε為加載應變；a和n為擬合系數。

對疲勞方程的兩邊取對數，可得以下公式：

[lgNf=lga-nlgε]。" " " " " " " " " " "（2）

2.4.2 疲勞性能試驗結果分析

不同RAP摻量熱的再生瀝青混合料的疲勞性能試驗結果見圖5。從圖5中可以看出，溫度對熱再生瀝青混合料的疲勞性能影響顯著，隨著溫度的上升，熱再生瀝青混合料的疲勞壽命提高。熱再生瀝青混合料的疲勞壽命擬合方程結果見表3。從表3可知，雙對數模型具有較好的擬合效果，各方程的決定系數R2均在0.9以上。因此，本文采用雙對數模型對瀝青混合料的疲勞性能進行研究，并通過統計回歸分析方法進行分析，結果表明，熱再生瀝青混合料在不同溫度條件下的疲勞回歸平方是合理的。

在混合料的性能評估中，疲勞曲線的截距（ lgε）是衡量材料在低應變條件下抗疲勞能力的重要指標，截距值越大，表明材料在較低應變水平下的抗疲勞性能越好。n值作為疲勞方程的斜率，反映了疲勞性能隨應變水平增長而衰減的速率，n值越大，則疲勞壽命隨應變增加的衰減趨勢越顯著。分析表3中的數據可知，在相同應變水平下，其lgε值大于未摻入RAP的瀝青混合料，表明RAP的摻入增強了混合料在低應力水平下的疲勞性能。同時，熱再生瀝青混合料的n值也較大，并且隨著RAP摻量的增加，lgε與n值之間的差距有擴大的趨勢。這一結果說明，雖然RAP摻量的增加可以提升熱再生瀝青混合料在低應力水平下的疲勞能力，但是隨著應變水平增高，疲勞壽命的衰減速度加快。

3 主成分分析

在疲勞壽命分析中，以動穩定度（x1）、彎曲破壞強度（x2）、最大破壞應變（x3）、劈裂強度（x4）、TSR（凍融劈裂強度比，x5）以及25℃和700 με下的疲勞壽命（x6）作為主成分，通過SPSS軟件計算這些指標之間的相關系數矩陣和特征根，然后根據計算結果確定主因子和主成分的數量。主成分特征根和主成分貢獻率見表4。

從表4中的數據可以看到，第一主成分的特征根為5.601，貢獻率為93.6%。因此，選擇第一主成分對總變量進行分析，并假設它包含其他指標的所有信息。通過SPSS軟件計算初始因子荷載矩陣（結果見表5），每個荷載表示主成分和相應變量之間的相關系數。

根據上述計算結果，可以得到相應的主成分綜合評價函數，其表達式如下：

F = F1 = -0.171x1 + 0.176x2 + 0.178x3 + 0.176x4 + 0.178x5 + 0.154x6。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

從主成分綜合評價函數可以看出，最大破壞應變、TSR與第一主成分密切相關。這一結果表明熱再生瀝青混合料的低溫性能和水穩定性對RAP摻量的敏感程度較高。因此，在規劃低溫和多雨地區的道路建設時，應考慮RAP摻量的增加對熱再生瀝青混合料低溫性能和水穩定性能的降低作用。

4 結語

本文針對未摻RAP瀝青混合料及RAP摻量分別為15%、30%、45%的熱再生瀝青混合料進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗及疲勞性能試驗后，得出以下結論。

（1）隨著RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的高溫性能有所改善，但其低溫性能和水穩定性能有所下降。盡管如此，從路用性能分析結果來看，45%RAP摻量的熱再生瀝青混合料仍能滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的要求，因此在實際施工中，可考慮采用高摻量RAP的熱再生瀝青混合料，以充分利用RAP資源。

（2）不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料在較低應變水平下的抗疲勞性能較好，但其疲勞壽命對應變水平的變化較為敏感。總體而言，其疲勞壽命低于未摻RAP的瀝青混合料。

（3）主成分分析結果表明，RAP摻量對熱再生瀝青混合料的低溫性能和水穩定性影響較大，在低溫和多雨地區的道路建設中，應重點考慮高RAP摻量熱再生瀝青混合料的低溫性能和水穩定性能。

5 參考文獻

［1］岳陽.廠拌熱再生瀝青混合料低溫性能研究［D］.南京：東南大學，2018.

［2］孟建瑋，魏琳，曹志國，等.植物油再生瀝青及其混合料路用性能試驗研究［J］.公路交通技術，2022，38（3）：1-6，20.

［3］胡文娟.TLA與聚酯纖維復合改性熱再生瀝青混合料路用性能研究［J］.粉煤灰綜合利用，2024，38（1）：22-27.

［4］SABER K B，MAHMOUD R K，GHOLAMALI S.Experimental investigationof the fatigue phenomenon in nano silica-modified warm mix asphalt containingrecycled asphalt considering self-healing behavior［J］.Construction and BuildingMaterials，2020，246：117558.

［5］肖滿哲.高RAP摻量熱再生瀝青混合料路用性能實驗及疲勞預估模型研究［D］.長沙：湘潭大學，2019.

［6］康建峰.高RAP摻量熱再生瀝青混合料路用性能研究［J］.四川水泥，2024（7）：221-224.

［7］魏必成.大摻量RAP再生瀝青混合料性能研究［J］.建材世界，2023，44（5）：65-69.