基于室内试验的再生沥青混合料性能研究_李舜.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315027基于室内试验的再生沥青混合料性能研究收稿日期:2022 09 22基金项目:湖南省教育厅科学研究项目(21C1148)作者简介:李舜(1996 )，男，工程师，从事高速公路养护管理研究*通信作者:蔡双阳(1993 )，男，硕士，讲师，工程师，从事新型混凝土及道路材料性能研究李舜，郑明，周健，刘琛，蔡双阳*(湖南交通工程学院，湖南 衡阳421001)摘要:对衡邵高速公路综合治理养护工程项目的沥青混合料回收料(AP)进行了化学处理及性能测试，首先采用规划求解和马歇尔试验确定了 30%和 40%AP 掺量下的 AC 20 型再生沥青混合料的最佳合成级配和油石比，随后又采用浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验和冻融劈裂试验、高温稳定性试验以及四点弯曲小梁疲劳试验对其路用性能进行了评估，试验结果显示:再生沥青混合料的水稳定性、疲劳特性与 AP 掺量呈现负相关，而高温稳定性与 AP 掺量成正相关，各项指标均满足规范要求，AP 的掺入可降低工程成本，应用于高等级沥青路面。关键词:再生沥青混合料;AP 掺量;室内试验;路用性能中图分类号:TU535文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0105 030引言沥青路面因为其良好的抗荷载能力、路用性能和行车舒适度，被广泛应用在高速公路和机场路面1。沥青路面的修建需要大量原材料，其中道路石油沥青属于不可再生资源，而石料开采也对生态环境造成破坏，废旧沥青路面中老化沥青一旦发生化学反应将产生有毒化学物质，会严重危害到水源和土地资源。厂拌或就地热再生技术是沥青混合料回收料(AP)再生利用的有效手段2 4。由于 AP 的掺入，AP 变异性和现阶段材料质量评测粗略性的存在，致使热再生沥青混合料路用性能得不到稳定性保障，而沥青混合料耐疲劳断裂性的劣化会严重影响它的使用寿命5。为增加废旧沥青在中国国内道路上的应用范围，以及提高可再生沥青混合料的使用寿命，对再生沥青混合料的路用性能研究显得尤为重要。为此，通过对 AP 性能的深入研究，将 AP 料掺量按照30%和40%比例加入AC 20 新拌沥青混合料中，对其进行了水稳定性、高温性能和疲劳性能等试验研究，从而分析由于 AP 的添加对沥青混合料的性能造成的影响。路面可再生技术在中国应用周期相对较短，广泛应用经验也不足，希望为我国大面积使用再生沥青的实际工程应用提供帮助。1试验材料11AP 材料AP 是再生沥青混合料中影响最大的组成材料，其变异性也是导致再生沥青混合料各项路用性能出现偏差的最重要原因之一。试验中所用的 AP 材料取自湖南省衡邵高速公路管理养护工程，将 AP 料烘干至恒重后采用离心分离法将 AP 中的旧沥青和旧骨料分离，并采用阿布森法试验回收三氯乙烯与沥青混合物中的废旧沥青。在进行再生利用之前，为防止再生沥青老化而失去再生价值，对其进行沥青三项关键基本参数试验，结果如表 1 所示。为确定 AP 掺入后的骨料级配贴近目标级配，在抽提后对其进行筛分试验，结果如表 2 所示，通过抽提试验测定油石比可知所用的 AP 材料沥青含量较大，可利用价值较高。表 1再生沥青性能指标性能指标针入度/0 1 mm软化点/延度/cm再生沥青37 957 632 8技术要求10实测实测表 2AP 抽提筛分结果类型筛孔通过率/%191613 2 9 5 4 75 2 36 1 18 0 60 3 0 15 0 075沥青含量/%AP100 99 3 97 7 94 1 67 64431 8 20 8 12 6 8 70 45 4912新料本次研究所用骨料和填料均为石灰岩，各项指标均满足公路沥青再生技术规范6 要求，沥青采用 70 号道路石油沥青，其各项指标均满足要求。2再生料配合比设计21矿料级配设计参照公路沥青施工技术规范7 要求，考虑到该工程位于南方路段，夏季炎热且高温时段长，同时道路交通量较大，所以根据规范建议降低了细骨料用量，适当增加了粗骨料用量。根据所检测得到的 AP 中矿料级配，与新加矿料的筛分结果一同做表，再生沥青混合料按照 AP料与新集料重量比例分别以 30 70，40 60 进行级配设计，新拌沥青混合料全部采用新集料设计，在 EXCEL 中的规划求解求得集料合成比例，合成级配得到曲线见图1。501第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug202310090807060504030201000.0750.31.184.7513.2190.150.62.369.51626.5级配上限；0%RAP；20%RAP；30%RAP；目标级配；级配下限筛孔尺寸/mm通过率/%图 1合成级配曲线图22最佳油石比确定根据确定的矿料级配对试验材料进行配比，并选取35%，4%，45%，5%和5 5%的油石比，通过马歇尔试件试验、混合料密度和空隙率得出各项指标后确定不同 AP掺量下的混合料最佳油石比，再通过与 AP 原有沥青量计算可得到混合料新加沥青量，各项结果如表3 所示。表 3最佳油石比及添加沥青用量混合料类型最佳油石比/%添加沥青用量/%0%AP3 72 7530%AP3 92 1740%AP4 21 75在 AP 掺量因素的影响下，最佳油石比随之增长而增大，因为随着 AP 掺量的增加，充当旧集料作用的旧沥青越来越多，需要补充这部分胶结料空缺的新沥青也越来越多，导致在理论计算中最佳油石比越来越大。随着 AP 掺量的增加，旧沥青含量也增加，因为 AP 旧料中的油石比比新拌沥青混合料油石比大，所以随着 AP的增加新加沥青仍是不断减少。3路用性能研究31水稳定性沥青混合料在含有水和冻融循环作用下，承受反复作用的荷载所能抵抗沥青剥落的能力为水稳定性。通过对各组沥青混合料试件进行浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验和冻融劈裂试验，对比马歇尔试验残留稳定度比和冻融劈裂试验强度比，评价再生沥青混合料的水稳定性。试验结果如图 2 所示。图 2水稳定性试验结果图90898887868584839089888786858483残留稳定度 MS/%03040RAP 掺量/%冻融劈裂强度比 TRS/%浸水马歇尔试验；真空饱水马歇尔试验；冻融劈裂试验由图 2 可知，在 AP 掺量为 30%和 40%时，试验各项指标均满足规范要求，随着 AP 的掺入，各项指标均出现不同程度的下降，这是因为 AP 中的旧沥青存在出现了老化现象，存在老化沥青胶质，降低了沥青原有的活性、弹性和黏结性，在水和冻融循环的作用下，集料更容易与沥青发生分离剥落情况，水稳定性出现下降。32高温稳定性高温稳定性主要是检验沥青混合料在高温情况下，长期承受车轮反复热荷载作用，抵抗自身变形的能力。主要通过室内车辙试验(60)来判断沥青混合料高温性能，结果如图 3 所示。RAP 掺量/%3 5003 0002 5002 0001 5001 0005000030401 4272 0033 013动稳定度/（次 mm-1）图 3高温车辙试验结果图由图 3 可知，各 AP 掺量下的动稳定度均满足规范要求(800 次/mm)，随着 AP 的掺入，沥青混合料的动稳定度有很大程度的增加。高温稳定性的机理是因为沥青混合料的高温黏结性和矿料之间的嵌挤作用8，在AP 中的沥青发生老化现象，沥青与骨料结合后变硬，沥青混合料抵抗车轮反复荷载作用能力越强，从而再生沥青混合料高温抗车辙能力较强。33疲劳性能疲劳破坏，是指一个损伤累积的自然过程。在等幅交变应力作用下，可用材料或构件的 S N 曲线得到不同应力水平下到达破坏时所需要的循环次数，即疲劳寿命9。目前，再生沥青混合料疲劳试验常用的方法有间接拉伸疲劳试验，重复加载半圆弯曲疲劳试验，四点弯曲疲劳试验10，采用四点弯曲疲劳试验，对 AP 掺量为0%，30%和 40%的再生沥青混合料小梁进行试验，在应变控制为 200，试验温度为 15，加载频率为 10 Hz的条件下，试验要求为试验开始第 50 次循环的弯曲劲度模量下降至 50%时，所经历的重复荷载次数为试样疲劳寿命。其试验原理如图 4 所示。图 4四点弯曲小梁疲劳试验原理图6 5006 0005 5005 0004 5004 0003 5003 000040 00080 000120 000实验结束劲度模量/MPa重复荷载作用次数/次初始劲度模量试件在重复荷载作用下逐渐损坏，劲度模量逐渐降601第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑低，前期因为沥青混合料存在不均匀性，内部有一定的空隙率，所以在试验初期混合料的模量会急剧下降，而试验后期能量不断扩散，内部结构逐渐平衡，模量下降进入一个稳定且缓慢的阶段，最终试验结束。不同 AP 掺量疲劳试验结果如图 5 所示。1054321003040RAP 掺量/%疲劳寿命/次359 285244 358195 624图 5四点弯曲小梁疲劳试验结果图图 5 显示了 30%AP，40%AP 和无 AP 沥青混合料在 15 和 10 Hz 弯曲荷载下的疲劳行为。该图说明，对于相同的应变水平，在恒定工作温度和加载频率下，与新拌沥青混合料比较，再生沥青混合料具有更短的疲劳寿命，所以再生沥青混合料的抗疲劳开裂性较低，疲劳寿命与 AP 含量呈现负相关。4结论1)再生沥青混合料中由于 AP 的增加，混合料油石比虽不断增加，但因为 AP 中存在着大量再生沥青，所以胶结料中新加沥青不断下降，所以将 AP 加入新拌沥青混合料中，不仅可以处理废弃的沥青路面，还可以降低现场造价，具有很重要的经济效益。2)AP 掺量为 30%和 40%的再生沥青混合料的动稳定度均满足规范要求，且与 AP 掺量呈现正相关，说明 AP 的掺入使沥青混合料具备更好的高温稳定性，沥青老化过程中模量大幅增加，复合材料宏观特征为自身硬化，动稳定度显著增加。3)AP 的掺量与混合料的水稳定性呈现负相关，但30%AP 和 40%AP 试验结果均满足规范要求，这是因为 AP 中沥青发生老化现象导致黏附力损失，水分更容易进入混合料内部导致水稳定性变低。4)随着 AP 掺量的增加，再生沥青混合料疲劳寿命逐渐减小，试验基于劲度模量降低 50%失效标准，加入AP 会使混合料将更多的输入能量转化为损伤，导致疲劳寿命缩短。参考文献:1 Abolfazl Hassani，Mohammad Taghipoor，Mohammad MKarimi A state of the art of semi-flexible pavements:Introduction，design，and performance J Constructionand Building Materials，2020(253):119/96 2 马涛，赵永利，黄晓明 沥青路面热再生关键技术 M 南京:东南大学出版社，2015 3 胡槟，欧阳睿，刘东海 厂拌热再生沥青混合料路用性能试验研究 J 江西建材，2021(10):25 26，28 4 汪小东 厂拌热再生沥青路面应用研究 J 公路，2018，63(12):274 277 5 张科，郑鑫，张旭 热再生沥青混合料疲劳特性试验研究 J 公路工程，2017，42(1):228 232 6 交通运输部公路科学研究院 公路沥青路面再生技术规范:JTG/T 55212019 S 北京:人民交通出版社，2019 7 交通部公路科学研究所 公路沥青路面施工技术规范:JTG F402004 S 北京:人民交通出版社，2004 8 罗代松，田春林，郭猛，等 改性再生沥青混合料配合比设计及性能验证 J 公路交通科技，2018，35(12):7 13 9 吴志勇 基于多级等幅荷载下的沥青混合料损伤累积和沥青面层疲劳损伤破坏研究 D 广州:华南理工大学，2014 10吕松涛，刘超超，屈芳婷，等 沥青混合料疲劳性能试验与表征方法综述J 中国公路学报，2020，33(10):67 75esearch on the pe