50%掺量RAP面层沥青混合料性能研究

李 伟

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004)

0 前言

早在1915年美国已开展对回收沥青路面材料(RAP)再生利用的试验研究，至上个世纪80年代，美国80%的RAP 得到再生利用。欧洲沥青路面协会EAPA 也在互联网上公布，其成员国100% 的RAP 通过再生方式得以重复利用。近年，我国逐步加大对RAP 的研究和使用，以降低成本和保护环境。交通部2014年8月印发的“公路水路交通运输主要技术政策”提出，聚焦“绿色交通”的发展，中国公路学会道路工程分会2013年的“道路(公路)工程学科发展报告”也将RAP 作为路面材料的重点研究对象。

我国 RAP 掺量范围一般为 15%～30%［1］，对高掺量RAP 的研究相对较少，一般认为添加50%的RAP 后原样混合料高温性能有较大幅度提高［2～6］，低温性能和抗水损害性能有所降低［5～7］或持平［2，7］或提高［8］，疲劳性能则遭到削弱［3，10］，而可压实行却得到改善［11］。美国有学者对高掺量 RAP(0～40%)的研究结果表明，TRS 均满足75%的技术要求，混合料模量显著提高(随掺量增加而提高)［12］，抗车辙性能提高，抗疲劳和温度裂缝能力降低［13］，但是RAP 掺量超过25%后，混合料性能应实际试验测定，一般与预期偏离较大(或好或差)［13］。且我国以往修筑高掺量RAP 的试验段，在通车运营几年后没有因为RAP 的影响出现严重病害［14］。鉴于掺加RAP 混合料显著的环保效益［15］和经济性，尤其是高掺量的用于面层混合料［2］，以及目前在抗水损害和低温性能的评估仍有所差异，作者本人也希望针对面层混合料进行系统研究，因此以常用SBS 改性沥青面层混合料(上面层AC－13，中、下面层AC－20)为对照组，开展对掺加50%RAP 的混合料路用性能的研究。采用APA、汉堡轮辙仪和间接拉伸试验、冻融劈裂试验评定 AC－13(原样)和 AC －13(+50%RAP)抗车辙性能、低温抗裂性和水稳定性，针对AC－20(原样)和 AC－20(+50%RAP)，以弯曲疲劳试验评定其疲劳性能。

1 混合料设计

1.1 沥青试验

测定了原样SBS 改性沥青以及原样沥青经RTFOT 老化后的常规技术指标和PG 等级，以查看原样沥青的老化程度，试验结果见表1。试验结果显示，经过RTFOT 后，沥青的PG 高温等级提高了2 个等级，低温等级降低了2 个等级，达PG88 －10。集料及填料的技术指标均符合规范要求，不一一列举。

表1 胶结料试验

1.2 配合比及体积参数

原样混合料最佳沥青用量的确定采用马歇尔试验，沥青混合料拌和温度控制为:SBS 改性沥青加热至165 ℃，集料和矿粉加热至180 ℃，加入拌和锅搅拌1 min。其中RAP 是采用公路沥青及沥青混合料试验规程T0734 －2000 的方法对混合料先进行短期老化后，再进行长期老化。为使原样混合料和50%RAP 充分拌和，其拌和过程为:将RAP 加热至165℃，集料和矿粉加热至180 ℃，先将RAP 和已称量的集料加入拌和锅，拌和1 min，然后将原样沥青加入拌和锅，拌和1 min，最后加入矿粉，拌和1 min。由于此次采用实验室模拟的RAP，所以RAP 的矿料级配不会变化太大，不在单独验证RAP 的矿料级配，仅对拌和好的掺加50%RAP 的混合料进行级配验证(取样抽提筛分)，验证结果及SBS 原样混合料配合比见表2。体积参数见表3。

表2 SBS 原样混合料配合比和加50%RAP 混合料抽提级配验证

表3 体积参数

2 混合料性能试验

2.1 高温性能

2.1.1 沥青路面分析仪试验

由于沥青路面分析仪APA 与路面实际使用性能相关性较好［16］，有着良好的加载、温度控制和数据收集系统。采用APA 评价AC－13(原样)和AC－13(+50%RAP)混合料的抗车辙性能。每种混合料成型6 个试件，高度75 mm，空隙率7% ±0.5%。轮载0.45 kN，软管压力700 kPa，8 000 次循环加载，水浴温度60 ℃。LVDT 自动测定车辙深度。为确保试验的准确，同时对车辙深度采用手动测量。自动测量的和手动测量APA 车辙深度见图1。

由图1，手动测量的APA 车辙深度比自动测量的车辙深度大，基于手动测量以实际为依据，则更能准确反映混合料的抗车辙性能。与预测结果相反，添加50%RAP 后的AC－13 混合料，抗车辙性能减弱。出现该现象的原因可能是由于RAP 的加入，使得有效沥青含量较小的原因，缺乏有效沥青用于将集料裹覆在一起［17，18］，抗车辙性能降低。

通过室内APA 车辙深度与现场实测车辙深度的回归曲线求得，室内APA 车辙深度因不超过5.5 mm，相当于现场不超过 10 mm［19］，因此 AC－13(原样)和AC－13(+50%RAP)混合料均能满足抗车辙性能的要求。

2.1.2 汉堡轮辙仪试验

理论上RAP 的添加应该对混合料的抗车辙性能有所提高，而以上APA 试验结果显示，添加50%RAP 混合料的抗车辙性能反而有所降低(仍可以满足抗车辙要求)，这与预期结果有所差异，故加以汉堡轮辙仪试验来进一步验证50%RAP 的添加对混合料抗车辙性能的影响。

采用旋转压实仪成型，并切割为直径150 mm、高度40 mm 的试件，每种混合料成型6 个试件。空隙率7% ±1%，50 ℃水浴30 min，采用接触荷载约0.73 MPa，施加10 000 次循环(20 000 通过)荷载。车辙深度由LVDT 自动记录。

汉堡轮辙仪试验采用车辙变化率(车辙变化率:混合料的变形随加载次数的关系)和剥离拐点来评定沥青混合料在水和轴载共同作用下的抗水损害和抗车辙性能，剥离拐点即为车辙和水损害都产生时对应的循环加载次数［20］，示意图如图2。其中小的剥离拐点则表明混合料抗水损害性能差，目前没有大家公认的剥离拐点最小值，一般采用5 000作为一个标准［20］，且剥离拐点大于10 000 次则会被认为是好的混合料。小的车辙变化率表明混合料抗车辙性能好，汉堡轮辙仪试验数据如图3。

图2 汉堡轮辙仪试验示意图

图3 汉堡轮辙仪车辙率数据、剥离拐点

由图3，AC－13(+50%RAP)车辙变化率不到AC－13(原样)的1/3，说明 AC－13(+50%RAP)的抗车辙性能比AC－13(原样)好，且有明显提高。汉堡轮辙仪试验结果与以上APA 试验结果不同，但更接近理论预估AC－13(+50%RAP)的抗车辙性能变化趋势，即更硬的混合料应该具有更强的抗车辙能力，也与老化后胶结料高温性能增强的理论相符。这也说明了，汉堡轮辙仪可能更适用于高掺量RAP混合料的抗车辙性能评价。

原样混合料在经过6 078 次循环加载后产生了水损害病害，AC－13(+50%RAP)在经过10 000 次循环加载仍未出现水损害。即AC－13(+ 50%RAP)剥离拐点是大于10 000 次的，说明AC－13(+50%RAP)抗水损害性能好，且优于AC－13(原样)。

2.2 低温性能

本次间接拉伸试验(IDT)主要用于评定AC－13 混合料的抗温度裂缝能力。试验参照AASHTO T 322 －07 的方法，每种混合料成型3 个试件，空隙率为7% ±0.5%，切割成直径150 mm、高50 mm 的柱体。采用一固定荷载以15.5 mm 的加载速率，分别在 －20 ℃，－10 ℃，0 ℃沿径向连续加载 100 s。其中间接抗拉强度测定采用－10 ℃。在中心附近测量试件的水平和竖直方向的变形，用于计算蠕变柔量(材料蠕变过程中任意时刻的应变与应力之比值)。如果蠕变柔量的试件经过100 s 加载后为被破坏，则在－10 ℃下加载至破坏，用于测定抗拉强度。

进行IDT 的主要目的是评价AC－13(原样)和AC－13(+50%RAP)的抗温度裂缝能力，采用临界温度分析法，间接拉伸强度曲线与温度应力曲线的交点即为产生温度裂缝的临界温度。以开裂临界温度(该温度时，混合料估计的温度应力等于混合料试验所得的间接抗拉强度)来描述沥青混合料的低温抗裂性能。临界开裂温度低，则说明混合料的低温抗裂性能好。

表4给出了AC－13(原样)和 AC－13(+50%RAP)在加载50 s 时的蠕变强度和－10 ℃时的间接抗拉强度，以及预估的临界开裂温度。

表4 间接拉伸试验结果

一种混合料的蠕变强度小和间接抗拉强度大，则表明其低温抗裂性能好。由表4，AC－13(+50%RAP)的蠕变强度约为AC－13(原样)的1.5 倍，且间接拉伸强度也比AC－13(原样)小，表明AC－13(+50%RAP)低温抗裂性能较AC－13(原样)差。

AC－13(+50%RAP)的临界开裂温度比AC－13(原样)高，升高幅度为3.9 ℃，再次说明50%RAP 的添加降低了 AC－13(原样)的低温抗裂性能。

2.3 抗水损害

冻融劈裂试验的真正含义是检验沥青混合料的抗水损害能力［21］。每种混合料成型8 个标准试件，击实次数为双面50 次，其中4 个试件作为对照组，不经过冻融循环;另外4 个试件饱水30 min，于－18℃冰冻15 h，随后60 ℃恒温水槽中保温24 h。试验采用马歇尔试验仪，加载速率采用50 mm/min。

试验结果见表5。

表5 冻融循环劈裂试验残留强度比(TSR)试验数据

表5知，两种混合料的劈裂强度比均满足公路沥青路面施工技术规范规定的80%的要求［22］，且AC－13(+50%RAP)的冻融循环劈裂残留强度比远大于AC－13(原样)，此结果与汉堡轮辙仪试验结果一致，即AC－13(+50%RAP)抗水损害性能好，且优于AC－13(原样)。

2.4 疲劳性能

中、下面层沥青混合料的疲劳性能是沥青路面结构疲劳寿命的关键［23］。本次采用梁的弯曲疲劳试验模拟沥青混凝土层在路面结构中的弯曲，以评定AC－20(原样)和AC－20(+50%RAP)的抗疲劳性能。

试验选择200、400、800 微应变(με)，每种混合料成型3 个试件，空隙率6% ±1%，试件尺寸切割为380 mm×63 mm×50 mm。试验温度20 ℃，采用一正弦荷载以5～10 Hz 的加载频率在3 分点处加载，加载至刚度为初始刚度(50 次循环加载测得)的50%。表6汇总了各应变水平下加载至破坏的循环加载次数，表7是采用SPSS 软件对试验结果的方差分析。

表6 加载至破坏的重复加载次数平均值

表7 梁的弯曲疲劳试验结果方差分析

表6知，虽然各应力水平下两混合料的平均值有所差异，在 200 με 和 400 με 水平 AC－20(+50%RAP)的疲劳寿命为 AC－20(原样)的127%、342%，疲劳性能有显著优势，在800 με 时则仅为AC－20(原样)的36.6%，表明在小应变水平时AC－20(+50%RAP)的疲劳性能较好，而大应变水平时AC－20(+50%RAP)的疲劳性能差。表7对两混合料疲劳试验结果的方差分析，显示F 值5.899，P=0.029 ＞0.005，即可以认为 AC －20(原样)和AC－20(+50%RAP)两混合料总体之间的总体均数是相等的，疲劳寿命没明显差异，这可能是由于试件疲劳寿命波动较大的原因。

为了能够更准确的区分二者的疲劳性能，利用此次试验数据，基于常用的疲劳寿命预估方程式(1)，方程回归系数见表8。采用回归的梁的疲劳寿命方程，以刚度降低50%为标准，预估各混合料的疲劳极限，疲劳极限预估结果见表9。

其中:Nf是加载至破坏时的循环加载次数;K1、K2是回归系数;ε 是试件的拉应变。

表8 方程回归系数

表9 预估混合料疲劳极限

由表9，AC－20(+50%RAP)的疲劳极限与AC－20(原样)基本相等，但比 AC－20(原样)高3 με。AC－20(+50%RAP)的疲劳性能较AC－20(原样)稍好。

3 结论

1)APA 试验结果与预测结果相反，添加50%RAP 后的AC－13 混合料，抗车辙性能减弱。但仍能满足抗车辙性能的要求。出现该现象的原因可能是由于RAP 的加入，使得有效沥青含量较小的原因，抗车辙性能降低。

2)汉堡轮辙仪试验，AC－13(+50%RAP)车辙变化率不到 AC －13(原样)的 1/3，说明 AC －13(+50%RAP)的抗车辙性能比AC－13(原样)好，且有明显提高。该结果更接近理论预估 AC－13(+50%RAP)的抗车辙性能变化趋势。

3)汉堡轮辙仪试验，AC－13(+50%RAP)在经过10 000 次循环加载仍未出现水损害，即其剥离拐点是大于10 000 次的，说明AC－13(+50%RAP)抗水损害性能好，且优于AC－13(原样)。

4)间接拉伸试验，AC－13(+50%RAP)的临界开裂温度比AC－13(原样)高，升高幅度为3.9 ℃，说明50%RAP 的添加降低了AC－13(原样)的低温抗裂性能。

5)冻融劈裂试验结果与汉堡轮辙仪试验结果一致，即AC－13(+50%RAP)抗水损害性能好，且优于AC－13(原样)，两混合料TSR 均满足公路沥青路面施工技术规范规定的80%的要求。

6)梁的弯曲疲劳试验，在小应变水平(200 με和400 με)时 AC －20(+50%RAP)的疲劳性能较较好，大应变水平(800 με)时 AC－20(+50%RAP)的疲劳性能差。而方差分析显示AC－20(原样)和AC－20(+50%RAP)的疲劳寿命没有统计学差异，可能是因为数据波动较大的原因。预估的AC－20(+50%RAP)的疲劳极限与AC－20(原样)基本相等，但仍比 AC－13(原样)高3 με。

［1］JTG F41 －2008，公路沥青路面再生技术规范［S］.

［2］朱 成.高比例RAP 热再生沥青混合料性能试验研究［D］.广州:华南理工大学，2012.

［3］邹桂莲，徐 剑.再生沥青混合料路用性能试验研究［J］.公路与汽运，2011(3):121 －124.

［4］张洪瑞，曹 露，尹凌云.高掺量再生沥青路面材料的高模量混合料性能评价［J］.中外公路，2012(6):254 －258.

［5］查旭东，闵 斌，宋 微.RAP 掺量对热再生沥青混合料性能影响分析［J］.长沙理工大学学报(自科版)，2013(4):1 －8.

［6］张继森，吴超凡，曾梦澜，等.再生沥青混合料RAP 掺量对使用性能的影响［J］.公路工程，2013(4):107 －110.

［7］耿九光，戴经梁，陈忠达.热再生沥青混合料低温抗裂性能全程评价［J］.武汉理工大学学报，2008(12):1029 －1032.

［8］谷 雨.热再生沥青混合料配合比设计与性能研究［D］.重庆:重庆交通大学，2013.

［9］李 波，杨小龙，李晓辉.沥青超薄磨耗层材料回收再利用及其性能评价［J］.中外公路，2014(6):283 －287.

［10］董玲云.厂拌热再生沥青混合料疲劳性能研究［D］.重庆:重庆交通大学，2013.

［11］方 杨，吴传海.基于GTM 的高掺量RAP 热再生混合料压实特性［J］.武汉理工大学学报，2014(2):181 －183.

［12］Li X.，T.R.Clyne，M.O.Marasteanu.Recycyled Asphalt Pavement(RAP)Effects on Binder and Mixture Quality［R］.Minnesota Department of Transportation，No.MN/RC －2005 －02，2004(7).

［13］Daniel J.S.，A.Lachance.Mechanistic and Volumetric Properties of Asphalt Mixtures with Recycled Asphalt Pavement［J］.Journal of the Transportation Research Board，2005.

［14］兰 青，徐 伟，赵劲松，等.高比例RAP 厂拌热再生沥青混合料在广惠高速公路试验与评价［J］.公路工程，2013(8):79－83.

［15］刘利军.再生沥青混合料节能与减碳效益研究［J］.公路工程，2014(8):10 －16.

［16］Williams R C，Prowell B D.Comparison of Laboratory Wheel Tracking Results to WesTrack Performance［A］.Preprint.Annual Meeting of Transportation Research Board Washington D.C.1999.

［17］Apeagyei A.，B.Diefenderfer，S.Diefenderfer.Rutting Resistance of Asphalt Concrete Mixtures Containing Recycled Asphalt Pavement［R］.Transportation Research Board Annual Meeting，No.11 －1840，Washington D.C.，2011.

［18］Daniel J.S.，A.Lachance.Mechanistic，Volumetric Properties of Asphalt Mixtures with Recycled Asphalt Pavement［J］，Journal of the Transportation Research Board，No.1929，National Academies，Washington，D.C.，2005:28 – 36.

［19］Willis R.，D.Timm，R.West，B.Powell，M.Robbins，A.Taylor，A.Smit，N.Tran，M.Heitzman，A.Bianchini.Phase III NCAT Test Track Findings［R］.NCAT Report 09－08，Auburn University，2009.

［20］David H.Timm，Mary M.Robbins，J.Richard Willis，Nam Tran，Adam J.Taylor.Field and laboratory study of Trinidad lake asphalt mixtures at the NCAT test track［R］.NCAT Report 14 －05，2014.

［21］JTG E20 －2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［22］JTG F40 －2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.

［23］孙兆辉，杨国峰，于保阳，等.中、下面层沥青混合料疲劳性能研究［J］.沈阳建筑大学学报，2011(6):1093 －1098.