低温地区橡胶热再生沥青混合料的参数优化及其工作性

(1.西安航空学院 能源与建筑学院， 陕西 西安 710077;2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064)

橡胶热再生沥青混合料就是将橡胶沥青与热再生技术相结合，从而在一定程度上增强沥青混合料的低温柔韧性，减少路面开裂，并具有环保作用[1]。河北张承高速沿线地区的昼夜温差大，年平均气温在0 ℃左右。该区域沥青路面的主要病害之一就是低温裂缝，且病害处治也较为困难[2]。将橡胶沥青混合料或再生沥青混合料应用于低温地区可以在一定程度上改善沥青路面的低温抗裂性能，且符合我国当前循环经济与节能减排的发展理念[3-4]。沥青混合料的弯拉强度与其低温抗裂性能密切相关，对沥青混合料的弯拉强度进行研究可为低温地区沥青混合料的设计及施工提供参考[5-6]。黄晓明等[7]通过劈裂试验对热再生沥青混合料的低温性能进行了室内试验研究，其研究发现增加新料的掺加比例、充分预热旧料、增加新旧料拌和时间将有助于提高再生混合料低温抗裂性能。LEE等[8]对再生橡胶沥青(RCRMA)的粘度、流变特性和低温性能进行了系统研究，其研究结果表明再生橡胶沥青的各项性能满足当地规范要求。SWAMY[9]通过间接拉伸实验和数理统计方法研究了RAP料掺量对热再生沥青混合料体积指标、力学特性以及低温性能的影响。其研究发现热再生沥青混合料的动态模量随着RAP料掺量的增加而增大，且当低温时这种相关性更加明显。马涛等[10]提出了能够良好模拟实际热再生工艺条件的老化沥青有效再生率检测方法，分析了老化沥青预热温度、再生剂添加与否、再生沥青混合料拌和时间对老化沥青有效再生率的影响，并验证了所设计检测方法的可行性。郝培文等[11]采用低温弯曲试验分析了盐冻融循环条件下沥青混合料低温性能的衰变规律，研究了掺加纤维等添加剂后，在盐冻融循环条件下沥青混合料低温性能的改善效果。由此可见，在再生混合料中使用橡胶沥青，已经得到日益广泛的研究与应用。然而，现有研究多是基于经验法并结合室内试验对各种沥青混合料低温性能的影响因素进行分析，研究区域的针对性也较弱。鲜有将橡胶沥青与再生技术相结合，进行制备参数优化，并有针对性的应用在低温地区实体工程中的研究。本文以河北张承高速某试验段为依托，基于数理统计方法和室内小梁弯曲试验，对不同胶粉掺量(5%，10%，15%，20%)、不同胶粉细度(20目，40目，60目，80目)和不同RAP掺量(20%，35%，50%，65%)条件下的橡胶热再生沥青混合料弯拉强度的影响因素进行研究，并从混合料的和易性入手，对橡胶热再生沥青混合料在河北低温地区的工作性进行探讨。

1 原材料

1.1 RAP料

本文所采用的RAP旧料来源于施工现场的铣刨旧料，其中铣刨深度为5 cm，且尽量保证所取旧料为路面的上面层。采用离心抽提法得到的旧沥青技术性质如表1所示：

表1 旧沥青的技术性质Table 1 The technical performance of reclaimed asphalt针入度(25 ℃)/(0.1 mm)延度(15 ℃)/cm软化点/℃黏度(135 ℃)/(Pa·s)38.415.271.63 752

根据《公路工程集料试验规程》中的筛分试验确定RAP料的级配如表2所示[12]：

1.2 集料

本文所采用的粗细集料均采用石灰岩，其技术指标见表3。

表2 RAP料的级配Table 2 Gradation of RAP油石比/%RAP料中集料的不同筛孔(mm)通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.0754.598.289.368.539.733.523.715.313.64.83.2

表3 集料的技术指标Table 3 Technical performance of aggregate指标指标要求测试结果表观相对密度≥2.63.8吸水率/%≤2.01.4粗集料坚固性/%≤1210.4针片状颗粒含量/%≤1513.2水洗法<0.075 mm颗粒含量/%≤10.82表观相对密度≥2.54.1细集料坚固性(>0.3 mm)/%≤129.2含泥量(小于0.075 mm的含量/%≤32.53砂当量/%≥6081.6

1.3 橡胶沥青

采用湿法工艺制备橡胶沥青，以SK70#基质沥青作为调和沥青，制备温度为180 ℃，制备时间为60 min。不同胶粉掺量的橡胶沥青性能见表4。

表4 不同胶粉掺量的橡胶沥青性能Table 4 Performance of rubber asphalt with different rub-ber powder content胶粉掺量/%针入度/(0.1 mm)15 ℃25 ℃30 ℃延度(5 ℃)/cm518.438.566.46.71021.643.770.27.51524.247.274.18.62027.551.479.69.5软化点/℃PI弹性恢复/%135 ℃黏度/(Pa·s)53.40.56422 67457.90.88565 35761.51.23688 24165.61.598113 422

由此可知，胶粉的加入使基质沥青的高低温性能和弹性恢复性能都有了不同程度的改善[13]。

2 试验方案设计

以橡胶沥青作为热再生沥青混合料的调和沥青，采用AC13和AC16两种级配制备混合料小梁试件，油石比为5.5%，试件尺寸为30 mm×35 mm×250 mm。综合考虑研究区域的环境状况，在MTS万能实验机上进行低温小梁弯曲试验，试验温度选为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，以抗弯拉强度作为评价指标[14]。采用L16(43)三因素四水平正交表来进行试验设计，如表5所示。

表5 正交试验水平和因素Table 5 Level and factors of orthogonal test水平因素A因素B因素C胶粉掺量/%胶粉细度/目RAP旧料掺量/%152020210403531560504208065

按照正交设计里的组合来制备橡胶热再生沥青混合料小梁试件，然后分别进行小梁弯曲试验，试验结果如表6所示。

表6 正交试验结果Table 6 Result of orthogonal test试验编号试验条件及结果胶粉掺量/%胶粉细度/目RAP掺量/%弯拉强度/kPaAC13AC1615202013 93612 45925403514 77914 19235605013 83113 06745806513 52513 053510203513 67511 608610402011 70811 227710606512 60512 934810805010 78511 486915205011 69710 9821015406513 56913 2821115602012 37211 6741215803512 71412 2711320206512 33211 9381420405013 62913 3211520603511 48610 7721620802012 53711 976

由表6可知，相同条件下的AC13级配混合料所对应的弯拉强度值大于AC16级配混合料[15]。

3 试验结果分析

对表6中的试验结果进行极差分析，研究不同级配条件下各影响因子对试验结果的影响权重，如表7所示。

在表7中，R为极差，极差越大，则因素对试验结果的影响就越大。由表7可知， 对于两种不同级配，三个因素对小梁弯曲试验结果的影响权重排序均为：胶粉掺量(A)>RAP掺量(C)>胶粉细度(B)，即胶粉掺量对橡胶热再生沥青混合料弯拉强度的影响最大，RAP掺量次之，胶粉细度量的影响最小。为了推荐最优试验组合，将极差分析结果进一步整理，如图1所示。

表7 极差分析结果Table 7 Result of range analysis因素级配计算指标RA: 胶粉掺量AC131 971.25AC161 529.00B: 胶粉细度AC13539.75AC16392.25C: RAP掺量AC13910.50AC161 046.25

由图1可知，对于AC13级配，试验组合A1B1C2的弯拉强度最好，即胶粉掺量为5%，胶粉细度为20目，RAP料掺量为35%；对于AC16级配，试验组合A1B2C2的弯拉强度最好，即胶粉掺量为5%，胶粉细度为40目，RAP料掺量为35%。

图1 各影响因素的水平效应图Figure 1 Effects plots of each influence factors

以试验结果最优的两组试验组合(A1B1C2和A1B2C2)为基础，进一步分析不同级配条件下的胶粉掺量、胶粉细度及RAP料掺量对橡胶热再生沥青混合料弯拉强度的影响。令胶粉细度及RAP料掺量不变，即AC13级配的胶粉细度20目，RAP料掺量为35%，AC16级配的胶粉细度为40目，RAP料掺量为35%。抗弯拉强度随不同胶粉掺量的变化情况如图2所示。

图2 抗弯拉强度随胶粉掺量的变化Figure 2 Variation of the flexural strength with the rubber crumb content

从图2可以看出，随着胶粉掺量的增加，两种级配所制备的橡胶热再生沥青混合料的弯拉强度均呈现逐渐减小趋势。这是因为橡胶热再生沥青混合料中含有部分老化沥青，导致沥青中的胶粉会相对较快的达到饱和，混合料的弯拉强度会由于橡胶沥青的调和而达到一个峰值。随着胶粉掺量不断增大，多余的胶粉会聚集成低粘结力的胶粉团，在低温条件下会导致沥青的延性受阻，从而造成橡胶热再生沥青混合料的整体弯拉强度下降[16]。

令胶粉掺量和RAP料掺量不变，即两种级配的胶粉掺量均为5%，RAP料掺量均为35%。抗弯拉强度随不同胶粉细度的变化情况如图3所示。

图3 抗弯拉强度随胶粉细度的变化Figure 3 Variation of the flexural strength with the rubber crumb fineness

由图3可知，随着胶粉细度的增大，两种级配所对应的抗弯拉强度波动不大，这说明橡胶热再生沥青混合料的低温抗裂性能受胶粉细度的影响较小[17]。当胶粉细度为20目时，AC13级配的橡胶热再生沥青混合料的抗弯拉强度达到峰值。当胶粉细度为40目时，AC16级配的橡胶热再生沥青混合料的抗弯拉强度达到峰值。

令胶粉掺量和胶粉细度不变，即AC13级配橡胶热再生沥青混合料的胶粉掺量为5%，胶粉细度为20目，AC16级配橡胶热再生沥青混合料的胶粉掺量为5%，胶粉细度为40目。抗弯拉强度随不同RAP料掺量的变化情况如图4所示。

图4 抗弯拉强度随RAP料掺量的变化Figure 4 Variation of the flexural strength with the RAP content

由图4可知，当RAP料掺量为35%时，两种级配所对应的抗弯拉强度均达到峰值，这与上文正交分析结果一致。这是因为在橡胶热再生沥青混合料中，橡胶沥青会对掺入的RAP料起到调和作用，从而使混合料的整体抗弯拉强度达到一个最佳值。但随着RAP掺量的不断增大，会造成老化沥青的含量偏高，且没有足够的橡胶沥青进行调和，从而导致了混合料的抗弯拉强度持续降低[18]。

为了研究不同胶粉掺量、胶粉细度和RAP料掺量条件下，低温小梁弯曲试验结果的波动性，进一步确定各影响因素对橡胶热再生沥青混合料弯拉强度的影响权重，采用变异系数(coefficient of variation，CV)来表征，其计算公式如式(1)所示 。

(1)

其中，CV为变异系数;S为标准差;X为均值。变异系数越大，说明数据组的波动性就越大，即因素对试验结果的影响权重就越大[19]。对图2至图4中的试验结果进行变异性分析，结果如图5所示。

图5 低温弯曲试验结果的变异系数Figure 5 Variation coefficient of beam bending test

由图5可知，在不同胶粉掺量条件下，无论是AC13级配还是AC16级配，其相应的橡胶热再生沥青混合料的抗弯拉强度的波动相对最大，试验结果的变异系数最大可达10.48%，且胶粉掺量对AC13级配的橡胶热再生沥青混合料抗弯强度的影响效应要高于对AC16级配混合料的影响效应。根据图5可以看出，在胶粉掺量、胶粉细度以及RAP料掺量这三个影响因素中，胶粉掺量对橡胶热再生沥青混合料弯拉强度的影响权重最大，其次是RAP料掺量和胶粉细度，这也与上文中的正交试验分析结果一致。

4 橡胶热再生沥青混合料的工作性

本文从沥青混合料的施工和易性方面入手，对橡胶热再生沥青混合料在河北低温地区的工作性进行探讨。采用课题组自行开发的和易性测试设备，矢量图如图6所示。该设备可以在拌和筒中模拟橡胶热再生沥青混合料在拌锅中的拌和过程，操作时将焊接三叶片的转轴埋入拌和筒里的沥青混合料中，转轴上嵌入扭力扳手，在一定温度下以恒定速率转动转轴，并在扭力扳手上读出相应的扭矩值，依据扭矩的大小来评价沥青混合料的和易性[20]。 本文中沥青混合料和易性的测定过程为：将经保温好的恒定温度的10 kg沥青混合料倒入拌和筒中，以转速为3 s/转的速率转动扭力扳手，记录扭矩值。扭矩值越小，和易性越好。

图6 和易性测试设备Figure 6 Test equipment of workability

分别对不同拌和温度(150，160，170，180，190 ℃)和不同级配(AC13，AC16)的橡胶热再生沥青混合料进行现场施工和易性测试，结果如图7所示。

图7 和易性试验结果Figure 7 Test results of workability

由图7可知，在一定的拌和温度范围内(150～190 ℃)，不同级配混合料的扭矩值均随着拌和温度的增大而减小，即橡胶热再生沥青混合料的和易性随着拌和温度的增大而不断改善，且当拌和温度相同时，AC13级配混合料的施工和易性要优于AC16级配[21]。

5 结论

a.在河北低温地区，相同条件下AC13级配橡胶热再生沥青混合料的抗弯强度要优于AC16级配；对于AC13级配，试验组合A1B1C2所制备的混合料抗弯拉性能相对最好，即胶粉掺量为5%，胶粉细度为20目，RAP料掺量为35%；对于AC16级配，试验组合A1B2C2所制备的混合料抗弯拉强度最好，即胶粉掺量为5%，胶粉细度为40目，RAP料掺量为35%。

b.随着胶粉掺量的增加，两种级配所制备的橡胶热再生沥青混合料的抗弯拉强度均呈现逐渐减小趋势；结合因素的变化趋势分析和试验结果的变异性分析可知，胶粉掺量对橡胶热再生沥青混合料抗弯性能的影响最大，RAP掺量次之，胶粉细度量的影响最小；胶粉掺量对AC13级配的橡胶热再生沥青混合料弯拉强度的影响效应要高于对AC16级配混合料的影响效应。

c.在河北低温地区，当橡胶热再生沥青混合料的拌和温度在一定范围内(150～190 ℃)变化时，其和易性随着拌和温度的增大而不断改善，且当拌和温度相同时，AC13级配混合料的施工和易性要优于AC16级配。