高比例RAP掺量橡胶热再生混合料路用性能与改性机理研究

吴晓霞

(郑州交通技师学院， 河南 郑州　450016)



高比例RAP掺量橡胶热再生混合料路用性能与改性机理研究

吴晓霞

(郑州交通技师学院， 河南 郑州450016)

为改善高比例RAP掺量(RAP掺量≥25%)热再生混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性，提高RAP的掺配比例，研究了不同橡胶粉掺量(12%、14%、16%)和RAP掺量(30%、40%、50%)条件下纤维橡胶热再生混合料的工厂化生产参数和路用性性能，并进行了试验路铺筑。试验结果表明，掺加纤维和橡胶沥青可提高普通热再生混合料的高温稳定性，尤其是低温抗裂性和抗疲劳耐久性改善程度纤维橡胶改性热再生混合料性能可用于表面层，其经济效益和社会效益显著。推荐用于纤维橡胶沥青热再生混合料的适宜橡胶粉掺量为14%～16%。纤维和橡胶沥青对高比例热再生混合料的改性机理在于橡胶沥青增加了新旧沥青的融合程度，增强了老化沥青的活性和柔性，聚酯纤维在热再生混合料共混体中通过吸附稳定作用、纤维界面增强作用、加筋阻裂作用显著提高了热再生混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性。

道路工程； 热再生沥青混合料； 橡胶改性沥青； 聚酯纤维； 路用性能

0　引言

在过去20多年，我国道路领域研究的重点要解决道路建设和维修过程中的工程技术问题，对资源循环利用、节能降耗、环境保护关注度有所欠缺。随着大规模公路建设和维修养护的持续开展，优质集料短缺、石油沥青消耗及施工过程中的污染问题逐渐凸显，特别是道路材料循环利用和节能减排、环境保护等领域还存在一些技术薄弱环节[1-3]。我国每年因道路维修养护产生的废旧沥青混合料约7 000万t，目前各种再生方式总共仅有约30%得到循环利用。各国工程实践应用状况来看，我国《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)推荐热再生混合料的RAP掺量为15%～30%，工程实践中RAP掺量一般采用20%。美国大部分州规定用于表层的热再生混合料RAP掺量不大于20%，其他层面不大于30%。研究表明，在RAP材料掺量不超过40%再生混合料的高温性能优于同级配的热拌沥青混合料，而水稳定性和低温性能明显低于非再生混合料，低温抗裂性能和高应变(应力)水平下的抗疲劳性能不足是增大RAP掺量的主要技术瓶颈之一。橡胶粉属于废旧材料，随着汽车工业的快速发展我国每年产生超过2亿条废旧轮胎，废旧轮胎的回收利用都处于较低水平。研究表明，橡胶粉是一种良好的道路沥青改性剂，用废轮胎胶粉改性沥青不仅可以减轻废轮胎对环境污染造成的压力，还可以提高路面的柔性、耐高温、抗疲劳能力、降低路面噪音、防湿滑、提高道路的抗滑耐久性和行车舒适性。国内外学者已经开展了大量关于改善热再生混合料综合路用性能的试验研究[2-7]，但目前鲜见采用改性沥青生产热再生混合料方面的研究报道，更没有关于橡胶沥青和纤维复合改性热再生混合料方面的研究和实体工程应用。本文提出聚酯纤维和橡胶沥青复合改性方案来提高热再生混合料的综合路用性能，尤其是低温抗裂性、抗疲劳耐久性和水稳定性，以期提供一种改善高比例RAP掺量热再生混合料综合路用性能的研究方法，为热再生混合料在我国高等级公路上面层的推广应用提供借鉴。

1　原材料技术性能

1.1橡胶改性沥青

基质沥青选用SK70A级道路石油沥青，经检测沥青各项技术性能指标均满足规范要求。根据美国材料试验学会 ASTM D8给出的定义：橡胶沥青是由基质沥青、回收的废旧轮胎橡胶和某些添加剂掺和而成的混合物，其中至少有混合物总重量15%的橡胶成分，并在热的基质沥青中充分反应而使橡胶颗粒融胀。考虑到橡胶粉掺量过大会出现橡胶沥青高温粘度大，施工和易性比较差以及橡胶沥青混合料在生产、摊铺、碾压过程中温度要求高等问题。参考已有研究成果，经室内初步试验，本文确定橡胶改性沥青的胶粉掺量为12%、14%、16%。采用40目子午轮胎橡胶粉，橡胶粉改性沥青的制备包括橡胶粉颗粒溶胀、剪切磨细、继续发育3个阶段。橡胶沥青基本技术性能检测结果见表1。

表1 橡胶改性沥青技术性能试验结果Table1 Rubbermodifiedasphalttechnicalperformancetestresults橡胶粉掺量/%25℃针入度/(0.1mm)软化点/℃5℃延度/cm针入度指数弹性恢复率/%135℃黏度/(Pa·s)1253.368.610.40.9881.33.11450.670.812.41.0286.43.31647.873.214.41.1487.23.6

1.2RAP及新集料

试验采用的RAP材料取自陕西某高速公路大中修现场，采用燃烧法确定RAP沥青含量为4.65%，阿布森法获取RAP中的老化沥青，老化沥青试验结果见表2。将RAP分为0～5、5～10 mm两档，根据RAP筛分试验结果确定需要掺加新集料来调整混合料级配。根据依托项目提供的0～5 mm(石灰岩机制砂)、5～10 mm(玄武岩)、10～20 mm(玄武岩)四档新集料，RAP料和新集料的各项功能检测结果均满足规范要求。

表2 RAP中老化沥青性能检测结果Table2 PerformancetestresultsofagedasphaltofRAP检测项目RAP中老化沥青试验方法25℃针入度/(0.1mm)28.4T06045℃延度/(cm)2.9T0605软化点/℃83.5T0606135℃黏度/(Pa·s)3.12T0625

1.3聚酯纤维

选用实体工程中采用的聚酯纤维，技术性能检测结果见表3。

表3 聚酯纤维性能基本试验结果Table3 Polyesterfiberbasicperformancetestresults外观状态直径/mm长度/mm吸油率/%白色细丝状<0.13～53.89伸长率/%抗拉强度/MPa密度/(g·cm-3)37.35001.36

2　纤维橡胶改性沥青热再生混合料配合比设计

根据国内近几年橡胶改性沥青混合料的工程实践情况，本文选用AR-AC混合料合成级配。以不同RAP掺量热再生混合料合成级配最可能接近为原则，确定不同RAP掺量AR-AC13热再生混合料级配，合成级配见图1。按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)的要求，采用马歇尔法进行热再生混合料的配合比设计。为了避免因RAP预热温度过高所导致的RAP碳化、送料通道堵塞等问题，经室内研究，并结合实体工程采用的RAP预热温度，确定RAP加热温度为125 ℃，试验时结合现场施工采用拌合、碾压温度，以热再生混合料出料温度为165 ℃为基准，根据不同RAP掺量调整新集料的加热温度，不同RAP掺量新集料加热温度及混合料拌合温度见表4。试验时先将RAP与橡胶油再生剂(掺量为8%)一起拌合1 min，加入新集料强制拌合30 s，使RAP表面的老化沥青被充分打散，然后加入木质素纤维干拌90 s，使纤维分散均匀，接着加入橡胶粉改性沥青，拌合2.5 min，使新旧沥青充分交融，最后加入矿粉拌合90 s。按照《公路沥青路面施工规范》(JTG F40-2004)马歇尔试验方法确定热再生混合料的最佳沥青用量，试验结果见表5。表5试验结果表明：纤维橡胶粉改性热再生混合料的各项体积指标和力学指标均满足现行施工规范要求，这表明本文所采用的拌合、击实温度以及各项试验方法是合理的。此外随着RAP掺量增大，热再生混合料的最佳沥青用量降低，而矿料间隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度并没有明显的变化规律，这可能与RAP掺量增大后新旧沥青的交融程度及新旧料离析有关。

图1　AR-AC13热再生混合料合成级配Figure 1　　　　Synthetic gradation of AR-AC13 hot reclaimed mixture

表4 不同RAP掺量与新料拌合温度汇总表Table4 SummaryofmixingtemperatureofreclaimedAR-AC13withdifferentRAPcontentRAP掺量/%RAP加热温度/℃新集料加热温度/℃AC-16热再生混合料出料温度/℃301251901654012520016550125215165

表5 纤维橡胶粉改性AR-AC13热再生混合料马歇尔试验结果Table5 FiberandrubberpowdermodifiedhotreclaimedAR-AC13MarshalltestresultsRAP掺量/%OAC/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kN06.363.618.379.58.74305.284.018.778.68.29405.163.818.177.87.47505.094.018.578.17.08规范要求—3～6≥1775～85≥6

3　纤维橡胶改性沥青热再生混合料路用性能

3.1高温稳定性

按照现行沥青路面施工规范要求，采用车辙试验评价不同AR-AC13热再生混合料的高温稳定性。研究表明，车辙的产生主要是受高温、荷载的综合作用，也受到常温疲劳作用的影响。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求成型尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板，试验轮行走速度为42±1次/min，车辙加载时间为60 min，试验温度为60 ℃，试验结果见图2。

图2　不同橡胶粉和RAP掺量热再生混合料车辙试验结果Figure 2　　　　Rut test results of hot reclaimed mixture with different dosage rubber powder and RAP

图2车辙试验结果表明：各RAP、橡胶粉掺量的AR-AC13热再生混合料的60 ℃车辙试验动稳定度均可达到4 500次/mm以上，远大于规范3 000次/mm的高温稳定性要求；相同橡胶粉掺量情况下，随着RAP掺量增大，再生AR-AC13混合料车辙试验动稳定度呈增大趋势，可见增大RAP掺量可改善再生AR-AC13混合料的高温稳定性，分析其原因，蠕变稳定阶段的沥青路面永久变形一般来源于两部分，集料的转动、移动等产生的位移和沥青胶浆剪切失稳所产生的位移，AR-AC13混合料中由于粗集料之间形成了稳定的骨架嵌挤结构，车辙变形主要是由于胶浆剪切失稳所致，增大RAP掺量，老化沥青对SBS改性沥青高温性能的改性作用越明显，RAP表面老化沥青相当于低标号沥青的作用；相同RAP掺量情况下，增大橡胶粉掺量后AR-AC13热再生混合料的动稳定度增大。综上可知，热再生AR-AC13混合料的高温稳定性完全满足规范要求，高温稳定性不是制约纤维橡胶沥青热再生AR-AC13混合料增大RAP掺量的因素。

3.2低温抗裂性

按照JTG F40-2004试验要求采用低温小梁弯曲试验评价再生AR-AC13混合料的低温抗裂性。试验时小梁试件由车辙板切割而成，试验条件严格按照现行《公路沥青及沥青混合料试验规程》执行，以抗弯拉强度、最大弯拉应变，同时辅以单位体积的破坏能指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表6所示。

表6试验结果表明： ①相同橡胶粉掺量情况下，热再生AR-AC-13混合料的抗弯拉强度随RAP掺量增大而减小，最大弯拉应变和单位体积破坏应变能随RAP掺量增大呈线性关系减小，弯曲劲度模量作为抗弯拉强度和最大弯拉应变的综合评价指标，随RAP掺量的增大而增大，可见增大RAP掺量后热再生AR-AC-13混合料低温抗裂性下降。 ②比较不同橡胶粉掺量的热再生AR-AC-13混合料弯拉应变可以发现，随着橡胶粉掺量增大，热再生混合料最大弯拉应变增大，橡胶粉掺量14%时，RAP掺量为40%时，热再生混合料的弯拉破坏应变为3 312 με，仍然满足规范冬严寒区大于3 000 με的要求，当RAP掺量达到50%时，弯拉破坏应变仍大于2 800 με，满足冬严寒和冬寒区改性沥青混合料低温抗裂性要求。由此可见采用橡胶粉改性沥青可提高热再生混合料的低温性能，同时提高RAP的掺量，使用14%、16%橡胶粉改性沥青可使纤维橡胶沥青热再生混合料的RAP掺量提高到50%。

表6 纤维橡胶改性热再生混合料低温小梁弯曲试验Table6 LowtemperaturebendingtestresultsofAR-AC13hotreclaimedmixturewithdifferentdosagerubberpowderandRAP橡胶粉掺量/%RAP比例/%抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa破坏应变能/(kJ·m3)0011.242943.323818.8227.193011.162415.434620.3032.904010.742031.905285.6937.63509.931703.675828.5941.5012011.743409.843442.9824.513011.593256.563558.9725.344011.422977.643835.2527.315011.242756.874077.0929.0314011.953698.093231.4023.013011.833512.463368.0123.984011.663312.793519.6925.065011.372956.673845.5427.3816012.113709.433264.6523.243011.963466.533450.1424.564011.813012.683920.1027.915011.632856.154071.9128.99

3.3水稳定性

水稳定性不足而诱发的水损害是沥青路面早期病害之一，水稳定性是指在水、荷载、环境温度的作用下，使沥青胶浆与集料发生剥落、剥离而丧失原有强度和耐久性的一种现象。本文采用现行沥青路面施工规范要求的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究不同RAP、橡胶粉掺量的纤维橡胶沥青热再生混合料的水稳定性。浸水马歇尔和冻融劈裂试验严格按照JTG E20—2011相关试验方法执行。试验结果见图3和图4。

图3　纤维橡胶沥青热再生混合料浸水马歇尔试验结果Figure 3　　　　Marshall immersion test results of AR-AC13 hot reclaimed mixture with different dosage rubber powder and RAP

图4　纤维橡胶沥青热再生混合料冻融劈裂试验结果Figure 4　　　　Freeze-thaw splitting test results of AR-AC13 hot reclaimed mixture with different dosage rubber powder and RAP

图3、图4试验结果表明：相同橡胶粉掺量下，随着RAP掺量增大，热再生混合料浸水马歇尔强度、冻融劈裂强度减小，与此同时冻融劈裂强度比和马歇尔残留强度也呈减小趋势，可见增大RAP掺量会对热再生混合料产生不利影响。此外，相同RAP掺量下，12%～16%橡胶粉掺量范围内，随着橡胶粉掺量增大AR-AC13热再生混合料的浸水马歇尔、冻融劈裂强度增大，12%、14%、16%共3种橡胶粉掺量的纤维橡胶热再生混合料浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均可达到80%以上，可见纤维橡胶改性沥青热再生混合料具有优良的水稳定性。

3.4抗疲劳耐久性

采用四点弯曲试验评价纤维橡胶热再生混合料的抗疲劳性能。参考已有研究成果，四分点加载疲劳试件尺寸为400 mm×300 mm×80 mm，试件由双层车辙板切割而成，疲劳试验仪器选用美国进口的UTM动态伺服液压材料试验机(见图5)，采用控制应变的加载模式，读取第100个加载循环时劲度模量作为试件的初始劲度模量。以所测得的劲度模量下降至初始劲度模量的40%或加载周期超过106次时的加载次数作为疲劳寿命试验结果。疲劳试验结果见图6。

图6试验结果表明：对于普通热再生混合料，RAP掺量大于40%后疲劳性能显著下降，降低幅度约45%，可见抗疲劳性能不足是制约增大RAP掺量的瓶颈之一。纤维橡胶热再生混合料的疲劳性能明显优于普通热再生混合料，采用纤维和橡胶粉复合改性方案可显著改善热再生混合料的抗疲劳耐久性。此外，随着橡胶粉掺量增大，纤维热再生混合料抗疲劳性能提高，这与掺加橡胶粉后热再生混合料柔性增加，纤维的界面增强作用、加筋阻裂作用、吸附稳定作用以及增大热再生混合料沥青膜厚等有关。此外，在高温条件下，橡胶改性沥青添加到废旧沥青混合料中，可溶解、分散老化沥青中的沥青质，弥补了部分老化沥青确实的组分，增加了新旧沥青的融合程度，掺加纤维增强了老化沥青的活性和柔性，最终提高了再生沥青混合料的抗疲劳性能。

图5　四分点疲劳试验机

图6　纤维橡胶热再生混合料疲劳试验结果Figure 6　　　　Fatigue test result of AR-AC13 hot reclaimed mixture with different dosage rubber powder and RAP

4　工程运用评价

为积累和掌握厂拌纤维橡胶热再生混凝土路面成套技术，项目组于2010年5月在广惠高速公路维修工程中开展了45%RAP掺量的纤维橡胶热再生AR-AC-13混合料试验路铺筑，采用16%橡胶粉掺量的橡胶改性沥青，纤维掺量为3.5‰，总铺设长度5.5 km。工程实践表明，45%掺量的热再生混合料，RAP预热温度应控制在125 ℃，原生机集料温度控制在200 ℃，橡胶沥青温度控制在175 ℃，干拌实践在30 s，湿拌温度在2 min，最后成品纤维热再生混合料温度会在165～170 ℃，摊铺完成后试验段检测结果见表7。工程实践证明，纤维橡胶沥青热再生混凝土设备费用比普通热再生混凝土费用有所增加，但相比100%新集料沥青混凝土，45%掺量的纤维橡胶热再生混合料可节约施工成本约20.9%，经济效益显著。通过长达6 a的试验路检测，45%RAP掺量的纤维橡胶热再生AR-AC-13混合料有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好(见图7)，可见采用掺加纤维和橡胶沥青方案延长了热再生混凝土道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

表7 纤维橡胶热再生混合料试验段常规指标检测结果Table7 TestsegmentconventionalindexresultsofAR-AC13hotreclaimedmixturewithdifferentdosagerubberpowderandRAP检测项目压实度/%平整度/mm渗水系数/(mL·min-1)实测值98.70.6521规范要求>94≤1.2≤200

图7　纤维橡胶改性热再生混合料实体工程运用

Figure 7Fiber rubber modified hot reclaimed mixture actual engineering application

5　结论

① 相同RAP掺量情况下，相对于普通热再生混合料来说，聚酯纤维掺量为3‰，橡胶粉掺量为12%、14%、16%的橡胶热再生沥青混合料具有更好的高温稳定性，掺加橡胶改性沥青和纤维可显著改善热再生混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性，提高RAP掺量至50%。

② 推荐用于纤维橡胶沥青热再生混合料的适宜橡胶粉掺量为14%～16%，对于普通热再生混合料，RAP掺量大于40%后疲劳性能显著下降，降幅约45%，抗疲劳性能不足是制约增大RAP掺量的瓶颈之一，采用纤维和橡胶沥青复合改性方案可使45%RAP热再生混合料的疲劳寿命提高78%，掺加纤维和橡胶沥青可显著改善热再生混合料的柔韧性。

③ 工程实践表明，45%RAP掺量的纤维橡胶热再生AR-AC-13混合料有效地减少了沥青路面的早期破坏，采用掺加纤维和橡胶沥青方案延长了热再生混凝土道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

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Study on Road Performance and Modification Mechanism of Rubber Modified Hot Reclaimed Mixture with High Proportion of RAP

WU Xiaoxia

(Zhengzhou College of Traffic Technicians， Zhengzhou， Henan 450016， China)

in order to improve the anti-cracking performance of hot recycled mixture，improve the blending proportion of RAP，to study the different dosage of rubber powder(12%，14%，16%)and RAP content(30%，40%，50%)under the condition of fiber rubber factory production parameters of hot recycled mixture with sexual performance and road，and has carried on the test road paving.Test results show that，adding fiber and rubber asphalt can improve the high temperature stability of the ordinary hot regeneration mixture，especially the low temperature crack resistance and fatigue resistance improved durability of fiber rubber modified hot regeneration mixture performance can be used in the surface layer，its economic benefit and social benefit is remarkable.Recommended for fiber rubber thermal regeneration asphalt mixture suitable rubber powder content is 14%～16%.Fiber and rubber modified mechanism of the asphalt mixture of high heat recycling is rubber asphalt increased the degree of fusion of old and new asphalt，enhanced the activity of asphalt aging and flexible，polyester fibre in blending in the body by the adsorption heat regeneration mixture stability，enhance fiber interface，reinforced crack resistance effect significantly improves the thermal regeneration mixture of the durability of the low temperature crack resistance and fatigue resistance.

road engineering； hot reclaimed asphalt mixture； rubber modified asphalt； polyester fiber； road performance

2016 — 04 — 14

国家自然基金项目(513267408、51209437)

吴晓霞(1966 — )，女，河南上蔡人，高级讲师，研究方向：桥梁结构分析、公路与桥梁施工方法、道路桥梁工程教学等。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0118 — 06