RAP温度对泡沫沥青冷再生配合比设计及路用性能的影响

严超君

(浙江广播电视大学 教学中心工程教研部， 浙江 杭州　310030)



RAP温度对泡沫沥青冷再生配合比设计及路用性能的影响

严超君

(浙江广播电视大学 教学中心工程教研部， 浙江 杭州310030)

[摘要]回收沥青路面材料(RAP)的温度受季节和一天当中空气温度的影响，既有泡沫沥青冷再生混合料配合比设计方法并没有考虑RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料性能的影响。研究了RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度、高低温性能和泡沫沥青分散性状的影响。结果表明，随着RAP温度增加，泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度增大，混合料最佳泡沫沥青用量减小，RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度有显著的影响；增加RAP预热温度可显著改善泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性和低温抗裂性，不同RAP预热温度下，泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件劈裂破坏界面的泡沫沥青面积百分比与试件干湿劈裂强度之间的线性拟合关系良好，RAP预热温度对泡沫沥青冷再生混合料的影响机理在于其影响了泡沫沥青在混合料的分散形状和分散的均匀性，提高了混合料的压实特性。

[关键词]路面工程； 沥青路面冷再生； 泡沫沥青冷再生混合料； 劈裂强度； 泡沫沥青分散性状

在国家发展循环经济、走可持续发展道路战略方针的指引下，沥青路面再生技术受到广泛关注。泡沫沥青冷再生技术是指将沥青路面经过铣刨、翻挖、回收、破碎和筛分后，加入一定比例的泡沫沥青、新集料(如需要)和水，经过拌和、摊铺和碾压等工艺，形成满足一定性能要求的路面结构层的一种路面养护维修技术[1，2]，其具有便捷节能、环保高质、高效低价 、旧料利用率高、使用寿命长等多项技术优势。随着我国公路养护所面临的新形势与挑战，以及我国公路建设、养护中的环境保护与可持续发展问题的日益凸显，在我国推广应用泡沫沥青冷再生技术已势在必行。泡沫沥青冷再生混合料可作为高速公路和一级公路下面层以及二、三级公路路面结构承重层，混合料强度影响因素和配合比设计方法一直备受道路工作者关注，目前已经开展了大量关于泡沫沥青冷再生混合料高低温性能、疲劳性能和力学性能以及配合比设计方法的研究[3-8]，但是目前国内较少涉及RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料强度特性、力学性能和最佳泡沫沥青用量的影响方面研究，鲜见RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料强度的影响机理方面报道，以就地冷再生为例，就地泡沫沥青冷再生混合料施工一般始于早春，结束于深秋时节，一天当中气温和路面温度变化也较为明显，RAP的温度视其施工季节以及一天当中气温和路面温度而变化。《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)规定泡沫沥青冷再生混合料最低的施工温度为10 ℃[1]，混合料配合比设计时在室温条件下进行。美国爱荷华州交通部规范规定泡沫沥青就地冷再生混合料施工环境温度不应低于15 ℃，Bowering推荐泡沫沥青冷再生混合料拌合前RAP最低临界温度范围为13～23 ℃之间[10]。Casted和Wood研究结果表明，RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料最佳泡沫沥青用量设计结果有一定的影响，并推荐配合比设计时RAP的温度宜控制在10～38 ℃之间[11-13]。本文研究了RAP预热温度对泡沫沥青冷再生混合料强度特性、路用性能以及泡沫沥青分散性状的影响，并揭示了养生温度对泡沫沥青冷再生混合料的影响机理。

1试验计划

①考虑到现行再生规范要求泡沫沥青冷再生混合料施工环境温度不低于10 ℃，本文RAP最低温度采用10 ℃，间隔15 ℃变化RAP的温度为10、 25、 40、 55 ℃，研究不同RAP预热温度下泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度随泡沫沥青用量(1.6%、2.1%、2.6%、3.1%、3.6%)的变化趋势，以湿劈裂强度最大，同时兼顾干劈裂强度也较大的原则确定泡沫沥青冷再生混合料的最佳泡沫沥青用量(OFAC)，进而比较出RAP预热温度对泡沫沥青冷再生混合料最佳沥青用量的影响； ②研究不同RAP预热温度对泡沫沥青冷再生混合料的高低温性能的影响； ③基于数字图像处理技术研究不同RAP温度下泡沫沥青在马歇尔试件劈裂破坏界面上的分布面积，并建立其与干湿劈裂强度之间的关系。

2不同RAP温度泡沫沥青冷再生混合料配

合比设计

2.1原材料技术性能检测

2.1.1泡沫沥青发泡特性

泡沫沥青是将热沥青和水在发泡装置内混合、膨胀，形成含有大量均匀分散气泡的沥青材料。用于泡沫沥青冷再生混合料一般是90号或70号基质沥青标号，现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)以膨胀率和半衰期指标来评价泡沫沥青的发泡特性，SK90基质沥青发泡试验结果见表1。

表1 SK90沥青发泡试验结果Table1 SK90foamedasphaltresults发泡水量/%发泡温度/℃150155160膨胀率/倍半衰期/s膨胀率/倍半衰期/s膨胀率/倍半衰期/s1.01812.31315.81618.11.52211.6228.8209.92.0279.8248.2238.3

2.1.2回收沥青路面材料RAP

RAP来源于陕西某高速公路大中修施工现场，将RAP带回实验室在自然条件下晾干至含水率小于0.2%，采用筛分法确定RAP级配，结果见表2。

表2 RAP料筛分试验结果Table2 RAPmaterialscreeningtestresults筛孔/mm通过百分率/%筛孔/mm通过百分率/%26.597.42.3624.41990.51.1814.01686.70.68.013.280.50.33.79.569.80.152.14.7539.70.0751.1

2.1.3新集料

根据RAP筛分试验结果确定需要添加0～5 mm机制砂来改善混合料级配，试验时采用的机制砂是石灰岩，经检测机制砂各项技术指标均满足要求。

2.1.4水泥

研究结果表明，水泥的加入可显著提高泡沫沥青冷再生混合料的早期强度、增加冷再生混合料的水稳定性和抗永久变形能力，适量的水泥可提高冷再生混合料的疲劳性能。本文水泥采用陕西耀县水泥厂生产的32.5普通硅酸盐水泥，经检测水泥的各项指标均满足规范要求。

2.2确定混合料合成级配

根据中粒式泡沫沥青冷再生混合料工程级配范围要求，确定RAP量为83%，机制砂掺量为17%，水泥以外掺的形式加入，掺量为1.5%，试验过程中为了控制混合料级配变异对试验结果的影响，首先将石屑、RAP、碎石分别进行了筛分，然后根据合成级配要求逐档确定需要添加的各档集料，混合料合成级配见表3。

表3 中粒式泡沫沥青冷再生混合料试验级配Table3 Medium-grainedfoamasphaltcoldrecycledmixtestgrading级配通过下列尺寸(mm)的质量百分率/%26.5191613.29.5合成级配100979589.681.2规范上限10010090—85规范下限1009066—60通过下列尺寸(mm)的质量百分率/%4.752.361.180.60.30.150.07553.838.125.216.09.77.36.46555——30—203530——10—6

2.3确定最佳拌合用水量(OWC)

采用重型击实试验确定泡沫沥青冷再生混合料的最佳拌合用水量，固定泡沫沥青用量为3%，变化拌和用水量4%、5%、6%、7%、8%进行重型击实试验，以最佳击实含水率的85%确定泡沫沥青冷再生混合料的最佳拌和用水量，试验结果见图1，重型击实结果表明，泡沫沥青冷再生混合料的最佳拌合用水量为6.5%×85%=5.5%。

图1　泡沫沥青冷再生混合料重型击实试验结果Figure 1　Foamed bitumen cold recycling mixes heavy compaction test results

2.4确定最佳泡沫沥青用量(OFAC)

2.4.1泡沫沥青冷再生混合料拌合试验

混合料拌合过程中先将称好质量水泥和集料一起干拌60 s，加入预定质量的拌合用水量拌合60 s，最后边搅拌边喷入泡沫沥青，继续搅拌60 s，总拌合时间3 min，观察泡沫沥青的裹附状况，泡沫沥青只是选择性的和褁附细集料，若发现混合料中出现沥青结团或沥青拉丝等褁附状况不佳等情况，应调整拌合用水量或搅拌速度重新拌合。

2.4.2成型马歇尔试件及养生

采用马歇尔锤击 “50+25”次成型试件，第一遍双面各击实50次，40 ℃模内养生3 d后双面击各实25次，总击实次数为75次。

2.4.3最佳泡沫沥青用量

按照《公路沥青路面再生技术规范》附录E的试验步骤确定泡沫沥青冷再生混合料的最佳泡沫沥青用量，以湿ITS峰值对应的泡沫沥青用量确定最佳泡沫沥青用量，同时需兼顾最佳泡沫沥青用量下的马歇尔试件干湿ITS比不小于75%，空隙率满足9%～14%要求。试验方法严格按照JTG F41-2008和JTG E20-2011执行，干湿劈裂试验结果见表4。

表4 劈裂强度试验结果Table4 SplittingstrengthtestresultsRAP温度/℃FAC/%ITS/MPa干湿干湿劈裂强度比/%101.60.28(12.4)0.22(12.7)78.62.10.34(11.7)0.27(11.4)79.42.60.39(11.1)0.34(10.9)87.23.10.42(10.9)0.40(10.3)95.23.60.40(9.9) 0.33(9.7) 91.7251.60.37(11.4)0.31(11.9)83.82.10.49(11.1)0.42(11.4)85.72.60.57(10.9)0.54(10.2)94.73.10.62(9.6) 0.58(9.8) 93.53.60.53(9.1) 0.50(9.5) 94.3401.60.41(10.9)0.33(11.3)80.52.10.56(10.4)0.52(10.3)92.92.60.68(10.1)0.63(9.8) 92.63.10.66(9.4) 0.60(9.6) 90.93.60.58(9.0) 0.52(9.3) 89.6551.60.59(9.7) 0.52(10.3)88.12.10.64(9.4) 0.61(9.3) 95.32.60.73(8.7) 0.69(8.9) 94.53.10.68(8.4) 0.64(8.5) 94.13.60.63(7.9) 0.60(8.4) 95.2 注:()内的试验数据为空隙率实测结果。

由表4试验结果可知： ①RAP预热温度相同条件下，随着泡沫沥青用量的增大，泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度呈先增大后减小的变化趋势(见图2)，RAP预热温度10、15、40、55 ℃条件下泡沫沥青冷再生混合料最佳泡沫沥青用量(OFAC)分别为3.3%、3.1%、2.8%、2.6%，可见提高RAP预热温度可降低泡沫沥青冷再生混合料的最佳沥青用量； ②相同泡沫沥青用量下，随着RAP预热温度的增加，泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度均增大(见图3)，混合料试件空隙率减小，RAP预热温度由10 ℃增加到55 ℃，浸水后湿劈裂强度越大，混合料抗水损坏能力越强，2.6%泡沫沥青用量下冷再生混合料的湿劈裂强度由0.34 MPa增加到0.69，增大了103%。 ③双因素方差分析结果表明RAP预热温度和沥青用量均对泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度有显著影响。

图2　不同泡沫沥青用量劈裂强度试验结果Figure 2　Splitting strength test results with differentfoamed bitumen dosage

图3　不同RAP预热温度泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度试验结果Figure 3　Foam asphalt cold recycled mixture splitting strength test results with different RAP preheating temperature

3RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料路用

性能的影响

3.1高温稳定性

采用车辙试验评价各RAP温度下泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性，控制唯一的试验变量是RAP预热温度，试验时泡沫沥青用量为3.0%，混合料拌合、养生方法参照2.4.1和2.4.2，成型车辙板时以马歇尔毛体积密度反算车辙板所需的泡沫沥青冷再生混合料质量。车辙试验温度采用60 ℃，轮压0.7 MPa，车辙试验结果见表8。

表8 不同RAP预热温度车辙试验结果Table8 RuttingtestresultswithdifferentRAPpreheattemperatureRAP预热温度/℃车辙试验60min变形量/mm车辙试验动稳定度/(次·mm-1)101.7675416251.6685896401.6346363551.6026648

车辙试验结果表明，随着RAP预热温度提高，泡沫沥青冷再生混合料车辙试验变形量减小，车辙试验动稳定度呈二次函数关系增大，RAP预热温度由10 ℃提高到55 ℃，泡沫沥青冷再生混合料车辙试验动稳定度提高了22.7%。分析其原因，由于沥青的感温性，随着RAP预热温度提高，泡沫沥青混合料更易于压实，混合料密实度增大，强度提高。此外根据泡沫沥青冷再生混合料的强度形成机理，泡沫沥青冷再生混合料的强度与泡沫沥青的分散形状影响较大，由于泡沫沥青冷再生混合料中的沥青呈“点焊”状分布[14]，点焊越密集混合料强度越高，混合料拌合时较高的温度有利于泡沫沥青更加均匀的分散，而低温状态下易造成泡沫沥青在冷再生混合料内部产生结团，不利于混合料强度的形成。

3.2低温抗裂性

现行规范采用小梁弯曲试验(试验温度-10 ℃，加载速率50 mm/min，评价指标为抗弯拉强度、弯拉应变和弯曲劲度模量)评价沥青混合料的低温抗弯拉强度和变形能力[14-17]。考虑到泡沫沥青冷再生混合料制成小梁试件比较困难，笔者采用半圆弯拉试验针对不同RAP预热温度下的泡沫沥青混合料低温抗裂性能展开研究，试验时将不同预热温度的泡沫沥青混合料成型直径152.4 mm，高95.3 mm大马歇尔试件，并采用具有较高切割精度的芬兰产双面锯取马歇尔试件中部50 mm厚的圆形试件，再将其从中间对称打开，即制得半圆弯曲试件。试验前将试件放在-10 ℃下保温6 h，试验采用单点加载方式，支点间距为SCB试件直径的0.8倍，即S=0.8D，加载速率为0.5 mm/min，一组6个平行试件，记录破坏荷载和破坏应变(计算式(1)～式(3))，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表9。

(1)

式中：σmax为抗弯拉强度，MPa；Fmax为最大荷载，N；D为试件直径，mm；t为试件厚度，mm；

(2)

(3)

式中：A为荷载-跨中扰度下的面积；x为随时竖向位移；y为x荷载作用下的位移。

(4)

-10 ℃SCB试验结果表明，随着RAP预热温度提高，泡沫沥青冷再生混合料抗弯拉强度和弯拉应变均呈线性增大，且线性相关性良好，尤其是RAP预热温度由10 ℃提高到25 ℃，抗弯拉应变和弯拉强度增大较为显著；弯曲劲度模量作为抗弯拉强度和破坏应变的综合评价指标，随RAP预热温度的提高呈二次函数关系减小，可见提高RAP预热温度可使泡沫沥青冷再生混合料具有较高的强度，同时增加了混合料的低温抗裂性。

表9 不同RAP掺量热再生混合料低温SCB试验结果(泡沫沥青用量=3%)Table9 DifferentRAPcontentrecycledmixSCBtestre-sults(foamasphaltcontent=3%)RAP温度/℃弯拉强度/MPa弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa曲线下面积/(kN·mm)断裂应变能/(J·m-2)105.981348.24435.544.7361355256.331718.713682.995.4381785406.781993.723400.686.1982268557.162295.223119.536.4142458

4RAP温度对泡沫沥青分散性状的影响

参考已有研究成果，本文采用混合料试件破坏界面泡沫沥青面积百分比指标评价泡沫沥青的分散性状[18-19]。本小节将基于数字图像处理技术从细微观角度出发，研究RAP预热温度对泡沫沥青混合料破裂界面泡沫沥青的分布状况的影响，以定量揭示RAP温度对泡沫沥青混合料内部泡沫沥青分散性状的影响。试验时首先采用工业高清数码相机获取了不同RAP预热温度下马歇尔试件劈裂破坏后破坏界面的图像信息，通过阈值分割法将泡沫沥青从马歇尔试件劈裂破坏界面上分离出来，进而基于Matlab数字图像树立技术计算不同RAP预热温度下泡沫沥青占劈裂破坏界面面积的百分比。由于本文使用的RAP中含有4.4%的老化沥青，这部分沥青在混合料中通常被当做“黑色集料”对待，在混合料中几乎没有胶结作用，为了避免RAP中老化沥青对破坏界面计算结果的影响，本次试验的集料全部采用新集料。同时考虑到水对马歇尔试件破坏界面完整性的影响，以及水的存在影响到破坏界面图像的清晰度，在获取不同RAP预热温度马歇尔破坏界面图像信息前，首先将湿劈裂破坏后的马歇尔试件在25 ℃鼓风环境箱中放置了6 h，待劈裂破坏后的试件完全干燥后对破坏界面处有用的图像信息进行提取。采用IPP软件计算了泡沫沥青占劈裂界面面积的百分比(FAAP)，试验结果见表10。

表10试验结果表明：RAP温度从10 ℃提高到55 ℃泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件破坏界面沥青所占的面积平均值由22.3%增加到39.8%，增加了78.4%，可见RAP温度显著影响了沥青泡沫沥青在劈裂破坏界面上的分布面积，为了更直观揭示RAP预热温度对泡沫沥青在混合料中分散性状的影响，建立泡沫沥青所占破坏界面的百分比(FFAP)与马歇尔试件的湿劈裂强度之间的回归关系式，结果见图4。拟合回归结果表明，泡沫沥青所占破坏界面面积的百分比和干、湿劈裂强度之间有良好的线性关系，随着破坏界面泡沫沥青面积增大混合料劈裂强度增加也比较明显，故提高RAP温度混合料强度之所以增加，主要是由于破坏界面处泡沫沥青的分布面积增大的缘故。

表10 不同RAP预热温度劈裂强度与破坏界面沥青的比例试验结果(泡沫沥青用量为3%)Table10 DifferentRAPpreheattemperatureasphaltsplittingintensityratiooftheinterfaceanddestructiontestresults(foamasphaltcontent=3%)RAP温度/℃干ITS/MPa湿ITS/MPa12345678100.47(23.6)0.45(22.4)0.43(22.9)0.40(22.1)0.43(23.1)0.39(21.7)0.40(23.6)0.38(22.3)250.64(33.7)0.63(33.2)0.62(32.6)0.60(31.8)0.57(32.7)0.58(33.4)0.59(34.2)0.60(34.8)400.70(38.6)0.69(37.9)0.68(37.2)0.65(36.8)0.63(38.1)0.65(38.6)0.67(39.1)0.69(38.5)550.79(40.3)0.76(39.4)0.81(41.2)0.74(39.7)0.73(41.8)0.71(40.7)0.69(39.4)0.67(39.2) 注:()内的试验数据为FAAP计算结果

图4　FFAP与泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度之间的拟合关系Figure 4　Foam bitumen cold recycled mixes fitting between splitting strength and FFAP

5结论

① 相同泡沫沥青用量下RAP温度越高泡沫沥青混合料强度越高，RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度有显著的影响，RAP预热温度为10、 25、 40、 55 ℃时，泡沫沥青冷再生混合料最佳沥青用量依次为3.3%、3.1%、2.8%、2.6%，可见提高RAP预热温度可降低泡沫沥青冷再生混合料的最佳沥青用量，对于泡沫沥青就地冷再生混合料而言，应根据不同施工季节温度调整最佳泡沫沥青用量。

② 随着RAP预热温度提高，泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性和低温抗裂性均提高，RAP预热温度由10 ℃提高到55 ℃，泡沫沥青冷再生混合料车辙试验动稳定度提高了22.7%，混合料抗弯拉强度和弯拉应变随RAP温度的提高均呈线性关系增大。

③ 提高RAP温度，泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件破坏界面沥青所占的面积显著增大，且FFAP与混合料干湿劈裂强度之间的线性拟合关系良好。

④ RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料强度的影响机理在增加RAP温度增提高了泡沫沥青冷再生混合料的压实度，改善了泡沫沥青在混合料内部的分散性状。

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The Influence of RAP Temperature on Mix Design and Road Performance of Foamed Bitumen ColdRecycled Mixture

YAN Chaojun

(Zhejiang Radio and Television University for Department of Research and Education Center Project， Hangzhou， Zhejiang 310030， China)

[Abstract]The temperature of the recycled asphalt pavement(RAP)materials affected by season and air temperature during the day，both Cold Recycled Mixture ratio design method does not take into account the temperature of the foam RAP Cold Recycled Asphalt Mixture Performance.This article studies the RAP temperature foam asphalt cold recycled mixture of wet and dry splitting strength，high temperature performance and traits of foamed bitumen dispersion.The results showed that：with increasing RAP temperature，foamed bitumen cold recycling mixture of wet and dry splitting intensity increases，the optimal mix foam asphalt content is reduced，RAP temperature of foamed bitumen cold recycling mixture splitting strength have a significant impact，RAP preheating temperature increase could significantly improve foamed bitumen cold recycling mixture of high temperature stability and low temperature cracking resistance，under different RAP preheat temperature，the percentage of foamed bitumen cold mix foam asphalt area of Marshall specimens interface regeneration and splitting failure Good relations specimen linear fit between the wet and dry splitting strength，RAP preheating temperature impact mechanism for foamed bitumen cold mix affects reproduction in its foam mix asphalt dispersion shape and uniformity of dispersion，improved compaction characteristics of the mix.

[Key words]road engineering； asphalt pavement cold recycled； foamed bitumen cold recycled mixture； splitting strength； foamed bitumen dispersion characters

[收稿日期]2015-11-19

[作者简介]严超君(1980-)，女，浙江余姚人，讲师，研究方向：主要从事建筑材料教育方面工作。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0125-07