RAP离析对再生沥青混合料性能的影响分析

俞志龙，黄 刚 ，何兆益，王国伟，陈先勇

(1.重庆交通大学 土 木建筑学院，重庆400074;2.重庆重交再生资源开发有限公司，重庆 4 01120)

我国公路进入大中修阶段或改建阶段时产生大量的废旧沥青混合料是一种可再生材料，如果废弃，不但造成资源浪费，同时也污染环境，因此沥青路面再生技术引起了人们的广泛关注。

热再生料的路用性能影响因素较多，其中旧料的性能是影响因素之一。但是采用旧料离散性很大，不同行车条件、路面铣刨深度、旧料运输、破碎和堆积状态都会对旧料级配造成很大的影响。而旧料级配的变异又会对再生料性能产生影响［1］，特别是在沥青回收料(RAP)高掺量情况下影响尤其显著。因此，研究旧料级配离析对再生料的性能影响有其重要意义。文中旧料级配离析是相对于在做再生料配合比设计中的设计旧料级配而言。

研究旧料级配离析对再生料强度特性和路用性能的影响首先要掌握旧料的离析规律，这样才能具有针对性和现实性。因此有必要调查路面材料经过行车荷载、铣刨、运输、堆积等环节后的级配波动规律，并运用恰当的室内模拟试验方法，分析RAP不同程度和类型的离析对再生料的路用性能影响。笔者主要用级配差异值S来评价集料级配离析，见式(1)。

式中：pi，j为离析混合料集料筛孔 j的通过百分率;pa，j为标准混合料集料筛孔j的通过百分率。

1 RAP级配波动规律调查

选取重庆江北区某市政道路，调查路面集料的离析规律。按照JTJ 059—95《公路路基路面现场测试规程》随机取样方法确定取样点位置，将试样拌匀通过抽提法测定RAP矿料级配。J1代表整条路面的级配;J2取自主干道路面上非轮迹位置;J3取自路面靠近红绿灯位置;J4取自路面上轮迹位置;J5取自通向小区的路面;J6取自路面边缘位置。各个取样位置的矿料级配差异值见表1。路面不同部位取样测得的级配见图1。从图1中可以看出RAP的级配变化比较明显，从J3、J4可以看出处于车辆经常行驶碾压和刹车使用比较频繁的部位集料级配偏细。

表1 试样的级配差异值STable 1 Gradation difference value S of the samples

图1 路面不同部位取样测得的级配Fig.1 Sampling gradation from different parts of the pavement

对成都某厂拌热再生料厂进行调查，该厂对RAP未进行分档堆放，而是经过破碎机破碎后，集中堆放。对料堆RAP的取样方法参照JTG—E42《公路工程集料试验规程》粗集料料堆取样法，Y1表示采用规范方法取样试验得到RAP级配的代表值;Y2，Y3，Y4，Y5，Y6分别表示在料堆顶部、中部、底部等不同部位取样得到的试验结果。从图2中可以看出通过路面铣刨(挖掘)、运输、破碎、堆放等过程会对RAP级配造成一定的离析，从表1可以得出从料堆取样测得的级配偏差值最大值为33，以这个作为模拟RAP级配离析的标准。

图2 料堆不同部位取样测得的级配Fig.2 Sampling gradation from different parts of material pile

2 试验方案设计

再生方法采用70#基质沥青和本课题研发的再生剂(ZS1)模拟厂拌热再生，再生剂最佳掺量为旧沥青的7%［2-3］，采用的各种沥青性能见表2。

表2 沥青的性质Table 2 Properties of the asphalt

RAP矿料颗粒大小分为3档，级配和沥青含量如表3。

表3 旧沥青混合料级配及沥青含量Table 3 Gradation and asphalt content of the old asphalt mixture

通过调整不同档RAP的比例来得到试验所需要的级配，试验采用AC-16C型级配中值［4］，旧料掺量为50%。

本试验是室内模拟热再生料在RAP级配离析情况下对路用性能的影响，所以不考虑在再生后在装载、运输、摊铺等环节后出现的二次离析，因此设计的5种再生料级配(Ⅰ～Ⅴ)只是旧料的级配在变动而其他材料用量则不变。以级配偏差值S表示级配离析的程度，D1级配代表RAP级配偏细离析，D2级配代表RAP级配不离析，D3，D4和D5级配代表RAP级配偏粗离析程度为轻度、中度和重度，掺配新料后，所对应的再生料级配用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示，其级配如表4，从表4中可以看出再生料随着RAP级配(D1～D5)由细向粗变化时其沥青含量也随之减少。设计的5种级配(Ⅰ～Ⅴ)，在没有添加RAP情况下，其性能也有所变化，Z1是对应原生料偏细离析，Z2表示原生料不离析，Z3、Z4和Z5表示对应原生料的偏粗离析。

表4 试验混合料级配组成Table 4 Gradation composition of trial mixtures

3 旧料级配离析对再生料体积参数及力学性能的影响

按照表4中的试验混合料的级配组成制作马歇尔试件，试件的毛体积密度用表干法测得，试件的各项体积参数见表5。

表5 试验混合料试件的体积参数Table 5 Volumetric parameters of samples of trial mixtures

由表5可见，当发生RAP级配粗离析时，随着离析程度的提高，试件的密度降低而空隙率显著增加，沥青饱和度降低;而当发生细集料离析时，试件密度和空隙率受离析程度的影响较小，重度粗离析与不离析空隙率差值4.4%，沥青饱和度差值22%，这将对沥青混合料的使用性能产生显著的影响。从表5中可以看出原生料体积参数的变化规律，Z5级配与Z2级配孔隙率差值2.1%，沥青饱和度的差值12.7%，按照美国国家沥青研究中心(NCAT)提出的基于沥青含量、级配和孔隙率变化的沥青混合料离析评价标准，原生料Z5的偏粗离析只属于轻度离析。通过比较可以看出在级配偏粗离析程度一样的情况下，再生料体积指标变化比原生料要大，主要原因是再生料中的再生沥青随着RAP级配的变化其性能也是变化的因此造成了体积指标的变化更为敏感。

图3为5组再生料的劈裂强度值。当RAP发生细集料离析时其再生料的劈裂强度在15℃降低6%，在25℃时增加了45%，该现象说明RAP细集料含量较高时对其力学指标影响不大，而且有助于提高较高温度下的劈裂抗拉强度。当发生RAP级配粗离析时随着离析程度越大，其劈裂强度也降低，重度离析时劈裂抗拉强度约为标准再生料的60%～70%，其变化规律与再生料的沥青用量和空隙率是一致的。

图3 再生料的劈裂强度值Fig.3 Tensile strength value of recycled asphalt mixture

由图4可以看出，原生料随着级配偏粗离析其劈裂强度也降低，Z5级配比Z2级配劈裂强度值降低了80%左右，显然比再生料降低幅度要小。分析其原因，是沥青混合料的力学强度是有两部分组成，由沥青与集料间的粘附力和沥青本身的黏结力提供的，当沥青用量在一定的范围内增大时，混合料的黏附力和黏结力也增大，因此其力学强度也增大;当空隙率增大，其沥青有效黏结面积减小，混合料力学强度也相应降低［5］。由于RAP级配粗离析其旧料沥青含量相对就减少，因此在加入同量的再生剂时会使再生沥青粘度比设计小造成再生沥青黏结力的降低，相应的再生料强度也降低，且再生料孔隙率增加幅度比原生料大，所以其劈裂强度降低幅度也就越大。

图4 原生料的劈裂强度值Fig.4 Tensile strength value of asphalt mixture

4 RAP级配离析对再生料路用性能的影响

4.1 离析对高温稳定性的影响

表6是各个混合料的车辙试验结果。从表6中可见，原生料中随着级配偏粗离析其动稳定度是有所增加的，总体来看再生料的动稳定度比原生料要提高很多。与Ⅱ级配相比，Ⅲ级配动稳定度增加了7.6%，Ⅳ级配动稳定度降低了4.3%，Ⅴ级配动稳定度增加了8.7%，因此可以看出当RAP发生级配粗离析时，对再生料的抗车辙性能并没有不利的影响，甚至还有助于提高其性能，说明RAP偏粗离析下再生料在充分压实的前提下，对高温性能影响较小，集料偏粗的再生料虽然空隙率较大，但是由于粗集料含量高，形成骨架，对提高再生料的抗车辙能力是有利的［6］。当原生料级配发生偏细离析时其动稳定度降低了38%左右，而当RAP发生细集料离析时，其再生料的动稳定度下降了34%，下降幅度相差不大。说明RAP级配偏细离析时不利于再生料的高温性能，因此，当RAP发生细集料离析时，集料偏细的部位将可能是路面车辙损坏的高发区域，与原生料的研究结果比较一致［7-8］。

表6 车辙试验结果Table 6 Wheel tracking test results

4.2 对再生料水稳定性的影响

试验采用冻融劈裂强度比(TSR)来表征再生料的水稳定性。从图5可以看出，原生料随着级配偏粗离析其TSR是有所降低的;当RAP发生细集料离析时，其TSR是最大的为88%，而当发生RAP粗集料离析时，随着离析程度的加重，再生料的TSR下降。原生料Z5级配下降了12%，Ⅴ级配下降了36%，说明再生料下降幅度比起原生料要大。分析其原因为：当再生料级配由细变粗时，再生料的空隙率将显著的增加，且增加幅度比原生料要大，且沥青含量也随之降低，从而导致再生料的水稳定性降低，且降低幅度比原生料要大。

图5 冻融劈裂试验结果Fig.5 Results of water stability test

4.3 对再生料低温性能的影响

采用－10℃的小梁低温弯曲试验来评价再生料的低温性能，试验结果见表7。

表7 小梁弯曲试验结果Table 7 Low-temperature trabecular bending test

试验结果表明，原生料发生偏细离析时由于沥青含量增加，孔隙率降低使得其低温性能有大幅度的改善，当RAP偏细离析时再生料的弯拉强度变大，而抗弯拉应变降低。分析其原因是，由于RAP偏细离析使再生沥青中旧沥青含量变大造成再生沥青变硬和劲度变大，从而造成上述结果。在原生料试验中偏粗离析的几个级配中，只有Z5级配对低温性能的影响较为明显，而当RAP发生中度离析时，对低温性能的影响就已经很显著，而当发生重度离析时，其弯拉应变降低了42%，这对其低温性能产生了不利的影响。其原因是随着RAP偏粗离析，再生料的沥青含量降低，孔隙率明显增加(增加幅度比原生料大)，且再生沥青的延度比新沥青要差，从而造成再生料级配偏粗离析时对低温性能造成的不利影响更为显著。

4.4 对再生料疲劳性能的影响

采用疲劳试验进一步研究RAP离析对再生料的长期耐久性能的影响。疲劳试验采用标准马歇尔试件进行间接拉伸疲劳试验，试验温度为15℃，试验荷载采用半正矢荷载，荷载频率为10 Hz，试验的应力比取 0.4，0.5，0.6，0.7，试验结果见表 8。

表8 疲劳试验结果Table 8 Results of fatigue test

疲劳方程参数中N是截距表示疲劳方程的位置，N值越大再生料抗疲劳性能越好;而K值表示曲线斜率，K值越大曲线越陡说明应力水平对疲劳寿命的影响越大。从表8可以看出原生料级配偏细离析有利于混合料疲劳寿命的提高，同样RAP偏细离析有利于再生料疲劳寿命的提高，但与不离析相比对应力的敏感程度增加，这是由于RAP偏细离析使得再生料中旧沥青含量增加，使再生沥青变硬，劲度变大造成的;而当RAP偏粗离析时随着离析程度的加大疲劳寿命是越来越低的，且同时增加了对应力的敏感性，特别是当RAP是重度离析时对再生料疲劳性能具有显著的影响，与原生料相比随着RAP级配偏粗离析其对疲劳寿命的不利影响要大的多。

5 结论

1)在热再生沥青混合料中，当RAP掺量越高，RAP的性能对再生料的影响就越显著，笔者选取50%的旧料掺量进行相关性能的研究。RAP离析导致再生料的沥青含量和空隙率产生变化，从而导致其性能的变化。

2)当RAP偏粗离析时，随着离析程度的加重，再生料的水稳定性、低温性能、疲劳性能和强度大幅度降低，且同一离析程度下，再生料的降低幅度比原生料要大。在RAP偏细离析时，虽然对再生料的水稳定性和抗疲劳性能无不利影响，但将使再生料的抗车辙性能和低温抗裂性能显著降低。

3)在RAP发生偏粗中度离析时，虽然再生料沥青含量只下降了0.35%，级配偏差值只有12.2，但对其抗疲劳性能和低温性能都产生明显不利的影响，因此RAP的离析对再生料的性能的影响是比较显著的，所以在厂拌热再生沥青混合料生产中对控制RAP的均匀性是必要的，可以通过RAP的分档来控制其级配的变异，从而提高再生料的质量。

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