高性能回收沥青混合料的强度特性试验研究

宋金华，倪东绪

（河北工业大学土木与交通学院，天津300401）

高性能回收沥青混合料的强度特性试验研究

宋金华，倪东绪

（河北工业大学土木与交通学院，天津300401）

为验证旧沥青路面剩余结构承载力足够的情况下，将高性能回收沥青混合料直接作为柔性基层使用的可行性及研究高性能回收沥青混合料的内在规律，从而提出高性能回收沥青混合料作基层结构路面的具体设计方法.课题组以高性能回收沥青混合料为研究对象，根据高性能回收沥青混合料配合比设计的理论成果，以高性能回收沥青混合料的强度特性试验为研究方法，总结出压实度、试验条件等因素对高性能回收沥青混合料强度特性的影响规律为高性能回收沥青混合料的CBR值随压实度的提高而增大，饱水条件对CBR的值影响比较小.最后构建出强度指标值之间的经验转换关系：高性能回收沥青混合料的CBR值和回弹模量呈线性关系.这为以后研究高性能回收沥青混合料基层路面结构合理的设计方法及高性能回收沥青混合料的推广应用提供了理论基础与技术支撑.

回收沥青混合料；强度特性试验；回弹模量；柔性基层；沥青路面

高性能回收沥青混合料（即Reclaimed Asphalt Pavement，以下高性能RAP料均指高性能回收沥青混合料）是指以旧沥青路面回收料为基质材料，通过添加新集料改善级配，并掺加仿钢纤维（PPTF），形成的一种高性能级配粒料类的混合料[1]．为验证旧沥青路面再生中，将高性能RAP料作为柔性基层使用的可行性，本文主要从室内试验进行了探究．主要对振动成型的高性能RAP料试件进行CBR、回弹模量力学特性试验，揭示各因素（压实度、级配等）对高性能回收沥青混合料强度特性的影响规律，并构建各种强度指标值之间的转换关系.

1 高性能回收沥青混合料CBR试验研究

参照《公路土工试验规程（JTGE40-2007）》中T0134-1993的规定[2]，对高性能RAP料进行CBR试验，采用CBR值表征高性能RAP料抵抗局部压入变形的能力.

1.1 试验方案

将W2000铣刨机铣刨得到的RAP料进行自然风干，风干后的RAP料使用四分法均匀分配，分配好的RAP料按照混合料配合比的研究成果添加新骨料改善级配并掺加1‰的仿钢纤维（PPTF），制作高性能RAP料试件，试件均采用振动成型[3].

1）RAP料的基本性质

在做CBR试验前对旧路铣刨的RAP的基本性质进行试验分析：该试验取样1 538.3 g，使用燃烧炉对沥青进行充分燃烧后，损失的质量为68.4 g（该部分为沥青），根据差值确定该RAP料的沥青含量约4.45%.取同路段铣刨的RAP料，按规范对其中旧沥青进行回收，测定其25℃的针入度、软化点、15℃延度和15℃密度，其结果见表1.

表1 RAP料中沥青技术指标测定结果Tab.1 Determination results of asphalt technical index in RAP

由表1数据可以看出，RAP料中旧沥青的针入度和延度严重低于常规道路石油沥青技术要求，软化点升高.由旧沥青的这些指标可以判断RAP料中旧沥青已经严重老化.

铣刨后的集料进行提取筛分试验，如表2.

表2 RAP料中集料级配Tab.2 RAP aggregate gradation

根据规范进行集料性质试验，数据如表3.

表3 RAP料中集料试验结果与技术性质要求Tab.3 The aggregate test results and technical properties of RAP material

2）仿钢纤维（PPTF）的性质及作用

试验采用的仿钢纤维为波浪形，由泰安同伴纤维有限公司提供.课题组将所用仿钢纤维委托河北道桥工程检测有限公司进行检测，经检测该仿钢纤维技术指标符合使用要求.

仿钢纤维（聚丙烯纤维）是针对钢纤维而研制的一种替代产品，以合成树脂为主要原材料，通过特殊的工艺及表面处理后加工而成.具有耐腐蚀、易分散、易施工、断裂强度高、握裹力强等优点.仿钢纤维的基本性能指标见下表4.

表4 PPTF的基本性能指标Tab.4 Basic performance index of PPTF

使用仿钢纤维可明显改善回收沥青混合料的抗弯强度和弯曲韧性，增加混合料的抗冲击和抗疲劳性能，克服混合料的塑性收缩裂缝.

3）CBR试验所选级配如表5所示.

4）研究饱水条件对高性能RAP料CBR的影响.首先课题组对级配A（推荐级配中值），在最佳含水量下，以98%压实度振动成型试件，制作试件完成后，将试件连带试筒浸水，同时在试筒顶添加荷载片，从而模拟高性能RAP料层所受到来自上部结构的附加应力.饱水时间设置为0 h、24 h、48 h、72 h、96 h，在饱水过程中注意观察材料体积的变化，试件饱水完成后待试筒脱水完毕，连带荷载片做贯入试验．确定能够代表最不利状态的饱水时间后，按表5所示的4种级配在各自最佳含水量下，按98%压实度振动成型高性能RAP料试件，比较浸水前后CBR值的变化，同时设置未掺加纤维的级配RAP料作为对比组，每一类试件同时做3组平行试验．

5）研究压实度对高性能RAP料CBR值的影响．课题组对级配A（推荐级配中值），在最佳含水量（4.5%）下，使用振动压实法对试筒中的高性能RAP料进行击实，对振动压实机的压实时间进行差异性规定，得到不同压实度（92%、94%、96%、98%和100%）的试件，每一类试件同时做3组平行试验．

6）研究含水条件对高性能RAP料CBR值的影响．课题组对级配A（推荐级配中值），制作不同含水率（3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%），98%压实度，振动成型试件，每一类试件同时做3组平行试验．

7）研究级配类型对高性能RAP料CBR值的影响．课题组选用表5所示的4种典型级配，在各自最佳含水量下，采用98%压实度，振动成型试件，每一类试件同时做3组平行试验．

表5 CBR试验所选级配Tab.5 Selected grading ofCBRtest

1.2 高性能回收沥青混合料CBR影响因素分析

1.2.1 饱水条件的影响

高性能RAP料试件在浸水过程中，课题组人员每隔24 h，对3个平行试件做CBR测试，取3个平行试件CBR的平均值作为试验结果，结果见图1．

从图1数据显示，高性能RAP料试件浸水24 h后CBR值下降最快，而后几天里，CBR值下降非常缓慢，故将高性能RAP料试件浸水24 h的CBR值代表试件饱水后的最不利状态下的强度，既符合实际情况又可节约试验时间．

图1 饱水时间对CBR的影响Fig.1 Effect of saturation time on CBR

对表5所示的4种级配，在各自最佳含水量下，按98%压实度振动成型的方法，制作掺加纤维的高性能RAP料试件，同时设置对比组，制作未掺加纤维的级配RAP料试件．分别测试2种试件未浸水的CBR值以及浸水24 h的CBR值．如表6：未浸水试件的CBR值用CBRN（%）表示；浸水24 h试件的CBR值用CBRY（%）表示．

从表6结果可以看出，无论是高性能RAP料试件还是级配RAP料试件，饱水后的CBR值均低于未浸水试件的CBR值，但是从变化结果上看，浸水前后试件CBR值变化不大，高性能RAP料试件和级配RAP料试件浸水前后CBR值变化6%，说明2种试件CBR强度受饱水的影响不大；在实际施工操作中，为了节约时间，建立高性能RAP料不饱水试件CBRN与饱水试件CBRY值的经验转换关系，如式（1）所示：

表6 a饱水前后高性能RAP料与级配RAP料CBR试验结果Tab.6 aCBRtest results of high performance RAP materials and graded RAP materials before and after full water

表6 b饱水前后高性能RAP料与级配RAP料CBR试验结果Tab.6 bCBRtest results of high performance RAP materials and graded RAP materials before and after full water

另外，比较高性能RAP料和级配RAP料的数据可以得出：无论是否饱水，掺加纤维均可提高试件的CBR值，掺加纤维的高性能RAP料CBR值大约是未掺加纤维的级配RAP料CBR值的1.24倍．可见纤维对提高试件CBR强度效果明显．

1.2.2 压实度的影响

按照推荐级配，在最佳含水率4.5%下，制作的压实度分别为92%、94%、96%、98%、100%的试件，进行CBR试验，试验所得结果如图2所示.

从图2可以看出，高性能RAP料的CBR值随压实度的提高而增大．压实度从92%提高到96%时，CBR值增长很快，当压实度超过96%后，CBR值增长放缓．分析压实度和CBR值的回归关系，可以得到：

图2 试件CBR值随压实度的变化（未浸水）Fig.2 Specimen CBR value changes with the degree of compaction

R2＞0.8说明CBR值与压实度回归关系良好．另外图中数据显示，压实度每提高2%，CBR值大约增加6%，压实度为100%的高性能RAP料试件的CBR值比压实度为92%的增大约3%，可见压实度对高性能RAP料的强度影响很大，施工当中一定要确保压实度满足要求．

1.2.3 级配的影响

由图3可以看出，本文提出的骨架密实级配的CBR值均高于施工规范和设计规范级配．在最佳含水率下，按98%压实度推荐级配成型的高性能RAP料试件的CBR值约为施工规范级配的1.27倍，设计规范连续级配的1.33倍，设计规范间断级配的1.09倍，表明本文基于振动成型推荐的级配的确具有较好的强度及抗变形特性．

图3 高性能RAP料不同级配CBR对比（未浸水）Fig.3 High-performance RAP material different gradations CBR contrast（not soaking）

2 高性能回收沥青混合料抗压回弹模量试验研究

2.1 高性能回收沥青混合料回弹模量测试新方法-有侧限顶面法

高性能RAP料是一种松散颗粒材料，不能像那些整体性材料那样，直接采用顶面法进行无侧限压缩试验来测试其抗压回弹模量[4]．湖南交通研究院的钟梦武[5]分析了现有级配碎石类材料回弹模量试验方法及存在的问题后，提出了级配碎石回弹模量测试新方法-有侧限顶面法，该方法运用空间弹性体的基本理论，对侧限进行修正，求得无侧限条件下级配碎石的回弹模量[6]．

所以课题组决定对高性能RAP料回弹模量的测试采用有侧限顶面法，并将有侧限顶面法经过侧限修正求得的无侧限抗压回弹模量代入高性能RAP料基层路面结构中，通过ANSYS软件模拟得到的高性能RAP料基层的层顶弯沉，和试验路基层竣工后的实测弯沉相对比，验证了该方法的准确性[7]．具体试验过程如下所述.

2.1.1 实验设备

主要的实验设备包括路面材料强度实验仪、试筒、测变形系统．

路面材料强度试验仪：是一种多功能试验仪，该试验仪和配套夹具可进行多项试验，比如石灰稳定土的抗压强度、回弹模量等试验、沥青混凝土的马歇尔试验、CBR试验等．

试筒：钢制圆柱体，内径一般200 mm，筒高一般300 mm．附属设备包括尺寸相同的圆形平面加载顶板1块、垫块1块．直径一般199 mm，顶板厚度为50 mm．

测变形系统：类型顶板的圆形平面加载底板，直径一般260 mm，底板厚度为20 mm，在底板的两侧安装有千分表夹的立柱，千分表2块．

2.1.2 试验方案

1）试件采用振动成型，按土的击实试验得出高性能RAP料的最大干密度，然后以密实度为指标，用试件压实高度来控制高性能RAP料振动压实成型效果．

2）在最佳含水量下，按照98%压实度成型高性能RAP料试件后，使用路面材料强度试验仪对试件进行预压，预压最大荷载0.7 MPa（根据试验路路面结构，课题组通过ANSYS建模有限元分析得知，高性能RAP料作为基层，所受压力都低于0.4 MPa，综合考虑重载交通、面层较薄以及破损等特殊情况，将试验最大压力控制在0.7 MPa，相当于高性能RAP料顶面直接作用了标准轴载的轮压），进行2次加荷、卸荷，预压目的是为了消除加载顶板与试件表面间的空隙．第2次卸载完成后，等待1 min，并将千分表长指针调零，短针调到中间位置，记录原始读数．

3）测量回弹形变，采用逐级加载方法，以0.1 MPa进级，最大荷载0.7 MPa．每级加载作用时间1 min，并记录千分表读数，卸载恢复弹性变形，等待0.5 min，记录卸载后千分表读数．

4）建立高性能RAP料分级加载回归曲线，并求出有侧限回弹模量．

5）对有侧限回弹模量进行修正．

2.1.3 试验结果

高性能RAP料分级加载p-l回归曲线如图4所示.

由于初始加载阶段试件与加载板可能存在间隙，存在虚假变形，故原点（0.0）不被纳入回归范围.根据图4可以看出，高性能RAP料在所受压力范围内，p-l线性关系良好，回归方程为：

图4 高性能RAP料分级加载p-l回归曲线Fig.4 High-performance RAP material grading loading p-l regression curve

有侧限回弹模量按下式[8]取：

取回归方程斜率的倒数可以得到：有侧限情况下的高性能RAP料回弹模量E′=955 MPa．

对侧限进行修正，求得高性能RAP料无侧限抗压回弹模量．高性能RAP料在压力小于0.7 MPa时，p-l线性良好，故此服从胡克定律．建立以试件顶面中心为原点，轴线为Z轴，在顶面过原点建立相互垂直的直线分别为X、Y轴，如图所示：

在压力范围内，如将高性能RAP料近似地看作弹性体的话，运用空间弹性体的基本弹性力学理论，获得如下方程：

图5 试件模型Fig.5 Specimen Model

做材料拉、压室内试验时，一般不会对材料进行侧面限制，胡克定律里面的E是通常意义的无侧限抗压回弹模量，下式中代入有侧限的边界条件，只会对各个方向的应力、应变产生影响，对E无影响．

根据试件受压力学模型可知：

1）在整个试件中，任意质点的σz值等于加载的均布荷载P．

2）将试筒视为刚体，故试件内任何质点x、y方向的应变为0，即εx=0、εy=0．

将σz=p、εx=0、εy=0代入式（5）得：

由式（6）得：

将式（7）与式（4）对比，可以得：

故高性能RAP料无侧限抗压回弹模量E=0.743E′=0.743×955=709 MPa．为了和高性能RAP料作对比研究，课题组同样采用有侧限顶面的方法研究了级配RAP料回弹模量、级配碎石回弹模量．表明，级配RAP料回弹模量无侧限抗压回弹模量E=0.743E′=0.743×279=207 MPa，级配碎石回弹模量无侧限抗压回弹模量E=0.743E′=0.743×421=313 MPa．

为了便于研究，后文中高性能RAP料的回弹模量取值700 MPa，级配RAP料回弹模量取200 MPa，级配碎石回弹模量无侧限抗压回弹模量取300 MPa．

2.2 高性能回收沥青混合料的回弹模量影响因素分析

2.2.1 压实度的影响

研究压实度对高性能RAP料回弹模量的影响，课题组按照表5中级配A（推荐级配中值）的级配要求，在最佳含水量（4.5%）下，使用振动压实法对试筒中的高性能RAP料进行击实，对振动压实机的压实时间进行差异性规定，得到不同压实度（94%、96%、98%和100%）的试件．采用有侧限顶面法，对不同压实度下试件进行回弹模量试验，每一类试件同时做3组平行试验，结果取平均值，具体结果如图6所示．

从图6可以看出，高性能RAP料试件回弹模量随压实度提高而增大，从曲线的斜率上看，压实度从94%提高到96%时，回弹模量增长较大，当压实度超过96%后，回弹模量增长放缓，回归压实度与回弹模量关系曲线：E=16.516K+655.25，R2=0.945 9，故此在施工当中既要保证压实度达到规范要求，又要防止过度碾压，损坏集料．

图6 压实度对高性能RAP料回弹模量的影响Fig.6 Effect of compaction degree on resilient modulus of high performance RAP material

2.2.2 级配的影响

高性能RAP料的路用性能受级配类型的影响很大，为了研究不同级配对回弹模量的影响规律，课题组按照表5，选取了4种级配作对比，4种级配获得的高性能RAP料均按照最佳含水量和98%的压实度进行制件，采用有侧限顶面法进行回弹模量试验，每种级配做3组试验结果取平均值，结果如图7所示.

由图7可以看出，本文提出的骨架密实级配的抗压回弹模量均高于施工规范和设计规范级配．在最佳含水率下，按98%压实度成型的高性能RAP料试件的回弹模量值约为施工规范级配的1.08倍，设计规范连续级配的1.1倍，设计规范间断级配的1.06倍，表明本文基于振动成型提出的骨架密实级配的确具有较好的骨架嵌挤力，抗压强度较高.

图7 级配对抗压回弹模量的影响Fig.7 Effect of grade on compressive resilient modulus

3 高性能回收沥青混合料CBR与回弹模量之间的关系

大量研究资料[9-11]表明，许多散体材料的CBR值与回弹模量间存在换算关系.我国规范中对不同地区黏土的CBR值与回弹模量进行了回归，给出了经验换算关系式.各国深入研究了级配碎石材料的强度特性，建立了级配碎石CBR值与回弹模量间的换算关系，但是各国给出的换算关系式并不统一，这是由于各国的碎石材料因产地不同导致材料强度本身的差异、各国对标准级配的定义也不一样.表7中给出了国内外常见级配碎石回弹模量E值和CBR值的关系式[12].

从表7中可以看出，各国给出的级配碎石回弹模量与CBR值回归关系式大多不同，假设级配碎石的CBR值为100%，代入各个回归公式中，可以求得级配碎石的回弹模量在306～750 MPa范围内波动，变化幅度太大，故不可照搬上述关系式，本文通过室内或现场试验来确定级配碎石回弹模量与CBR的回归关系式.

表7 国内外级配碎石回弹模量E值和CBR值的关系式Tab.7 Relationship between E value and CBR value of resilient modulus of graded crushed stone at home and abroad

根据旧路PQI评价等级划分路段，RAP料根据划分的路段分堆堆放，采用四分法取样进行室内试验，避免同一组CBR试验与回弹模量试验所用的RAP料来自不同的料堆.选用RAP料配合比设计中初选的10种级配以及推荐级配、施工规范级配、设计连续级配以及设计规范间断级配共14种级配，按照配合比设计的研究成果，改善RAP料级配并添加仿钢纤维（PPTF）制备高性能RAP料，在最佳含水量（4.5%）下以98%的压实度振动成型制件，进行回弹模量和CBR值的室内试验，并将试验所得数据进行回归分析，见图8.

从图8可以得知，高性能RAP料的CBR值变化范围为444%～607%，与之对应的高性能RAP料的回弹模量变化范围为645～711 MPa，将高性能RAP料的CBR值与回弹模量进行回归得到的关系式如下：

从相关系数R2=0.849 8＞0.8可以得出室内试验测定的高性能RAP料的CBR值与回弹模量的相关性很好.

图8 高性能RAP料CBR值和回弹模量的回归关系Fig.8 Regression relationship between CBR value and resilient modulus of high performance RAP materials

4 结论

本文对振动成型的高性能回收沥青混合料试件的CBR、回弹模量等特性进行相关的试验，总结出压实度、试验条件等因素对高性能回收沥青混合料强度特性的影响规律，即高性能回收沥青混合料的CBR值随压实度的提高而增大，饱水条件对CBR的值影响比较小.同时构建出高性能回收沥青混合料的CBR值和回弹模量回归关系为E=0.406 4×（CBR值）+460.73，这为高性能回收沥青混合料基层路面结构合理的设计方法及高性能回收沥青混合料的推广应用提供了理论基础与技术支撑.

[1]李光颖.乳化沥青就地冷再生技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

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[责任编辑 杨屹]

Experimental study on strength characteristics of high performance reclaimed asphalt pavement

Song Jinhua1,Ni Dongxu1
（College of Civil Engineering Hebei University of Technology,Tianjin 300400,China）

In order to verify the old asphalt pavement structure residual bearing capacity sufficient,high performance reclaimed asphalt pavement is directly used as flexible base and study the feasibility of using high performance reclaimed asphalt pavement internal rules,put forward the high performance reclaimed asphalt pavement design method for concrete pavement base structure.With high performance of reclaimed asphalt pavement as the research object,according to the theoretical results of mix design of high performance reclaimed asphalt pavement,research methods to test high strength properties of reclaimed asphalt pavement,the research group summarized the influence of compaction degree,test conditions and other factors of high performance reclaimed asphalt pavement strength characteristics for high performance reclaimed asphalt pavement CBR increases with the increased degree of compaction,water saturated conditions on the value of the CBR effect is relatively small.Finally,the empirical relationship between the strength index values is constructed:the CBR value and the resilient modulus of high performance reclaimed asphalt pavement are linear.Thus,it provides a theoretical basis and technical support for the research on the reasonable design method of high performance recycled asphalt mixture pavement structure and the popularization and application of high performance reclaimed asphalt pavement.

reclaimed asphalt pavement;strength characteristic test;resilient modulus;flexible base;asphalt pavement

U416.1

A

1007-2373（2017）04-0092-08

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.016

2016-12-20

宋金华（1961-），男，教授．通讯作者：倪东绪（1990-），男，硕士研究生，601138555@qq.com.