道路改扩建工程沥青混合料热再生技术性能研究

韩晓宇

(山西交通养护集团有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

近年来，随着交通量的日益饱和，我国前期建设的高速公路已无法满足高速通行的要求，因此对诸多高速公路都进行了改扩建[1～3]。而高速公路改扩建工程中较多的老路路面已出现了严重的破坏，需将其铣刨进行重铺，如此一来势必产生较多的废弃沥青混合料[4，5]，废弃沥青混合料如果得不到合适的利用，就会对资源产生较大的浪费，且会造成一定的环境污染[6，7]。沥青路面热再生技术是将废弃沥青混合料加工后，以一定比例掺入新沥青混合料中重新铺筑，通过这一技术为我国工程建设平均每年节省材料投入近百亿元[8，9]，产生了巨大的经济效益。然而RAP中的集料和沥青经过多年的使用，其性能出现了较大幅度的弱化，将其掺入到新沥青混合料中势必会影响沥青路面的路用性能。因此如何在保证新建路面性能和RAP最大规模应用之间的平衡，找到能同时兼顾最大经济效益和沥青路面性能的RAP掺量，是一项重要的课题[10，11]。以山西晋阳高速公路改扩建项目为例，对旧路面铣刨混合料进行热再生处理，研究不同RAP掺量时，沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和疲劳性能的变化，以此提出合适的RAP掺量。项目原路面结构为：4 cm AC-13+5 cm AC-16+6 cm AC-20+20 cm水泥稳定碎石+20 cm级配碎石，本文对AC-20下面层沥青混合料进行热再生研究。

1 原材料

对沥青路面材料(RAP)进行机械破碎处理，利用标准筛分试验测定每档矿料含量，并以相同比例进行混合后得到RAP矿料合成级配，级配见表1。利用离心抽提仪对RAP中沥青含量进行测定，显示旧沥青含量为4.5%。新沥青混合料矿料级配选用AC-20，其级配组成如表2所示，新沥青采用AS70#基质沥青，其主要技术指标如表3所示。将RAP和新沥青混合料按不同比例混合后，添加5%的再生剂，并由马歇尔试验确定最佳用量。

表1 RAP集料合成级配

表2 新集料合成级配

表3 新沥青的基本技术指标

2 试验结果及分析

2.1 高温稳定性

沥青路面车辙是在高温和荷载的双重作用下，沥青混合料抗剪切能力不足出现侧向流动变形而引发的。而RAP的加入改变了沥青混合料的级配组成，因而会对高温稳定性造成一定影响，基于此，利用60 ℃车辙试验，测定沥青混合料动稳定度随RAP掺量的变化，结果如图1所示。

图1 动稳定度随RAP掺量的变化曲线

从图1可以看出，当RAP掺量小于10%时，沥青混合料动稳定度随RAP掺量的增多缓慢增长，而当RAP掺量在20%～30%之间时，增大RAP掺量会使动稳定度急剧增大，而当RAP掺量大于30%时，沥青混合料动稳定度趋于稳定，再增大RAP掺量对提高稳定度效果很小。当RAP掺量由0%增大至10%、30%和50%时，沥青混合料动稳定度分别为1 445、1 621、2 329和2 402次/mm，表明掺入10%、30%和50%RAP时，高温稳定性分别提高了12.2%、61.2%和66.3%。说明在合理的范围内，RAP的掺入能极大地改善沥青混合料的高温稳定性，但当RAP掺量超过30%时对高温稳定性的改善作用有限，当在其他性能能满足要求的前提下可以继续增大RAP掺量以进一步实现废弃料的利用。解释其原因主要为，沥青中含有大量的饱和芬和芳香芬等轻质组分，轻质组分的存在虽然使沥青有一定程度的变形能力，但是会降低沥青抵抗变形的能力。在受热、氧气、阳光和水等环境因子的作用下，RAP中的旧沥青会发生氧化、挥发和聚合等一系列化学变化，造成饱和芬和芳香芬等轻质组分挥发，沥青质含量的上升，使沥青内部化学结构发生变化。体现到性能上，会使沥青的粘度和针入度提高，高温下抗变形的能力增强，因此使沥青路面抵抗高温车辙的能力提高。

2.2 低温抗裂性

作为一种典型的温度敏感性材料，沥青性能随着温度的变化会出现较大幅度的改变，低温时沥青材料变硬变脆，外力时发生的形变大幅降低，此时在荷载作用下极易出现低温开裂。利用低温(-10 ℃)小梁弯曲试验，测定热再生沥青混合料的最大弯拉应变和弯曲劲度模量随RAP掺量的变化曲线，研究RAP对热再生沥青混合料低温抗裂性的影响，并确定合适的RAP掺量，结果如图2所示。

从图2可以看出，RAP掺量对最大弯拉应变和弯曲劲度模量的影响呈现相反的规律，沥青混合料的最大弯拉应变随RAP掺量的增多逐渐减小，弯曲劲度模量随RAP掺量的增多，逐渐增大，且当RAP掺量大于30%时，再增大RAP掺量会使最大弯拉应变急剧减小，当RAP掺量由0%增大至30%和50%时，最大弯拉应变分别由3 387 με减小至2 834 με和2 402 με，分别降低了16.3%和29.1%，当RAP掺量达到50%时沥青混合料的最大弯拉应变降低幅度较大，此时低温抗裂性极差，因此从低温抗裂性角度考虑RAP掺量不应该大于30%。解释其原因主要为，沥青混合料的低温抗裂性一方面取决于级配组成，另一方面主要与沥青性质密切相关，低温时沥青的变形能力越好，则沥青混合料在低温时更不容易断裂，低温抗裂性越好。在环境因素的作用下RAP中的旧沥青逐渐发生老化，硬度和脆性慢慢增加，变形韧性逐渐降低，此时在荷载作用下更容易发生断裂，因此使沥青混合料的低温抗裂性出现下降。

图2 最大弯拉应变和弯曲劲度模量随RAP掺量的变化曲线

2.3 水稳定性

路面水损害是指水浸入沥青混合料中后，在荷载作用下水破坏了沥青和集料之间的粘结界面，导致集料剥落进而引发坑槽、剥落等损害。测定沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比随RAP掺量的变化曲线，研究RAP掺量对沥青混合料水稳定性的影响，同时确定合理的RAP掺量，结果如图3所示。

图3 残留稳定度和冻融劈裂强度比随RAP掺量的变化曲线

从图3可以看出，沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比随着RAP掺量的增多同时呈现先增大后减小的变化规律，残留稳定度和冻融劈裂强度比达到最大值时对应的RAP掺量分别为20%和30%，综合这两个指标考虑，RAP掺量在20%～30%之间时，热再生沥青混合料的水稳定性较好。这是因为水稳定性主要与沥青和集料之间的粘附性密切相关，而RAP中旧沥青的粘结性较差，当RAP掺量超过30%时，新沥青混合料中旧沥青的比例增加，使沥青与集料粘结界面处的孔洞和缺陷增多，因此造成了水稳定性的下降；另一方面RAP中部分集料被压碎或磨光，粉尘量较大，因此其掺量越多，代入混合料中的粉尘越多，使新沥青与旧沥青之间，沥青与集料之间的粘结性变差，沥青混合料的整体粘结强度降低，在水作用下更容易出现破坏。

2.4 疲劳性能

疲劳破坏是指沥青混合料在荷载循环作用下，其内部出现裂缝，裂缝随着荷载的作用逐渐扩展，力学性能逐渐衰减，直至沥青混合料发生疲劳断裂。利用三分点加载试验测定沥青混合料疲劳寿命随RAP掺量的变化规律，研究热再生沥青混合料的疲劳性能，试验结果如图4所示。

图4 疲劳寿命随RAP掺量的变化曲线

试验条件如下：试验温度为15 ℃，加载方式为应力控制，应力比为0.7，加载速率为10 Hz，试件尺寸为250 mm×40 mm×40 mm，试验时对试件进行重复循环加载，直至试件发生断裂，将试件断裂时荷载的作用次数定义为疲劳寿命，

从图4可以看出，沥青混合料的疲劳寿命与RAP掺量之间存在良好的对数关系，相关系数为0.987 3。RAP掺量越多，疲劳寿命越低，当RAP掺量由0%增大至30%和50%时，疲劳寿命分别由7 114次降低为3 352次和2 679次，分别降低了52.9%和62.3%。沥青混合料的疲劳寿命主要取决于材料组成，RAP的加入，一方面旧沥青使得整个沥青结合料的硬度增加，韧性降低，沥青整体的变形性能不足，且旧沥青与集料的粘结性能较差，在粘结界面处存在薄弱区，在荷载的反复作用下薄弱区优先发生疲劳破坏，造成了沥青混合料整体疲劳寿命的锐减；另一方面RAP中存在较多的粉尘和泥土等杂质，杂质的代入使混合料中易形成不均匀的缺陷，缺陷处在荷载作用下更容易出现应力集中现象，应力集中使沥青混合料内部出现一定数量的微裂缝，在荷载作用下微裂缝不断扩展，直至裂缝连通后引发沥青混合料的疲劳破坏，进而降低了热再生沥青混合料的疲劳寿命。

3 结 论

(1)热再生沥青混合料的动稳定度随着RAP掺量的增多逐渐增大，最后趋于稳定，当RAP掺量超过30%时，再增大其掺量，动稳定度的增长幅度较小，高温稳定性的改善效果不明显。

(2)热再生沥青混合料的最大弯拉应变随RAP掺量的增多逐渐减小，弯曲劲度模量随RAP掺量的增多逐渐增大，低温抗裂性逐渐变差，当RAP掺量超过30%时，最大弯拉应变急剧减小，沥青混合料的低温抗裂性出现大幅度下降。

(3)沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比都随RAP掺量的增多呈现先增大后减小的变化规律，两者达到最大值对应的RAP掺量分别为20%和30%，从水稳定性角度考虑，RAP掺量不易大于30%。

(4)沥青混合料疲劳寿命随RAP掺量的增多以对数规律递减，相关系数为0.987 3，加入30%的RAP后，使疲劳寿命降低了52.9%。综合沥青混合料路用性能和经济效益，热再生沥青混合料中RAP掺量不易大于30%。