RAP掺量对微罩面再生沥青混合料性能的影响研究

邓 华，黄 峰

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336)

随着养护技术的发展，薄层罩面技术已在国内多个实体工程中应用，并获得良好效果。为了减少季节对薄层罩面施工的影响，推进施工速度，引入厚度为0.7 cm～1.5 cm的微罩面混合料，达到减缓路面破坏速率、恢复路面使用性能、延长路面使用寿命的目的[1]。微罩面技术需采用天然优质矿质集料及性能良好的沥青胶结料，而我国每年新产生的废旧沥青混合料达到上亿t，且多数通过厂拌热再生用在路面的上、中、下面层，部分通过冷再生技术用于基层，也有沥青路面采取就地热再生和冷再生进行处治，但总体利用率低于40%，不及发达国家的平均利用率[2-3]。若将废弃的沥青混合料用于预养护技术中的薄层微罩面中，不仅有助于废旧资源再利用，还对薄层养护技术材料的研究提供了思路[4-5]。为此，本文将某工程铣刨的废旧沥青混合料RAP处理后引入微罩面SMA-5混合料的应用中，并当RAP掺量为30%、50%、70%时，研究其对微罩面混合料路用性能的影响。

1 材料

1.1 沥青胶结料

微罩面再生沥青混合料选用SBS改性沥青作为新沥青，其技术结果见表1。

1.2 RAP料及新集料

试验采用的RAP材料来源于浙江某高速公路大修现场，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]中T0726方法对老化沥青进行取样，并测试其性能，试验结果见表2。

为保证微罩面再生混合料的级配变异性小，利用再生工厂设备对RAP料进行破碎预处理[7]，分为0～3 mm、3 mm～5 mm两种规格，筛分结果见表3，新集料选用0～3 mm的石灰岩及3 mm～5 mm的玄武岩，其指标满足规范要求。由表3可知，0～3 mm规格的旧料整体偏细，0.075 mm的通过率过大，不宜作为回收料添加于SMA-5中，在后续试验采用规格为3 mm～5 mm的RAP料。

表1 SBS改性沥青技术性能试验结果

表2 老化沥青技术性能试验结果

表3 RAP集料筛分结果

1.3 聚酯纤维

选用聚酯纤维改善混合料的力学性能，其技术指标见表4。

1.4 微罩面再生混合料配合比设计

根据JTG 5142—2019《沥青公路沥青路面养护技术规范》[8]中对SMA-5作为功能罩面的级配范围的规定，本文对微罩面再生混合料SMA-5进行矿质级配设计。尽管文献[9-10]对SMA-5级配的研究表明，将1.18 mm作为关键筛孔控制其通过率较为合理，但考虑规格0～3 mm的RAP料过细，会对微罩面再生沥青混合料的级配产生影响，因此采用规格为3 mm～5 mm的RAP料作为添加料，不同RAP掺量的再生混合料级配见表5。

结合工程经验预估油石比为7.2%，并按照JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》[11]计算新添加沥青含量，公式如下：

(1)

式中：Pnb为再生沥青混合料的新沥青用量，%；Pb为热再生沥青混合料的总沥青用量，%；Pob为RAP中沥青含量，%；R为RAP掺配比例，%。

表4 聚酯纤维技术性能试验结果

表5 微罩面再生混合料SMA-5合成级配

2 试验与分析

2.1 RAP掺量对再生沥青混合料体积结构参数的影响

采用马歇尔试验测试不同RAP掺量混合料的稳定度、流值及体积参数，其结果见表6。

由表6可知，随着RAP掺量的增加，新添加沥青用量减小，毛体积相对密度减小，空隙率和稳定度增大[12]。旧料在使用和铣刨过程中有一定量的磨耗，使得旧料的棱角性降低，集料逐渐圆润，在结构中未能形成密实骨架，同时因计算法确定的油石比存在误差，即计算法把旧料中的沥青认为是100%利用，但实际情况可能存在一部分老化沥青未能与新料充分交融，造成沥青空隙率逐渐增大，进而导致新旧料中的沥青膜厚度不均匀。另外，由于RAP料中的老化沥青为混合料的强度提供了支撑，掺量越大，稳定度越大。

表6 不同RAP掺量沥青混合料体积结构参数

2.2 RAP掺量对沥青混合料高温性能的影响

按照JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》[11]对热再生混合料施工的要求，在175 ℃下分别成型不同RAP掺量的4组车辙板试件，在60 ℃条件下进行车辙试验，测试各RAP掺量下微罩面再生混合料的动稳定度，试验结果如图1所示。

由图1可知，30%、50%、70%掺量下的动稳定度相对于不掺RAP料分别提高了13.7%、45.5%、103.0%，说明微罩面的动稳定度随RAP掺量的增加而增大，其高温性能得到改善的主因是新、旧沥青的交融使得老化沥青粘度得到改善，形成较大的内聚力，同时沥青老化提高了旧料软化点，使得在温度和荷载的外界作用下不易产生较大的变形，且老化沥青含量越多，抵抗高温变形的能力越强[13]。

图1 不同RAP掺量沥青混合料动稳定度试验结果

2.3 RAP掺量对沥青混合料低温性能的影响

沥青混合料的低温性能主要指在低温下混合料抵抗温度收缩应力的能力，可采用沥青混合料弯曲蠕变试验评价。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]中轮碾法成型并切割成尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的不同掺量RAP的试件，通过测试试件破坏时的挠度及荷载，计算低温应变，结果如图2所示。

图2 不同RAP掺量沥青混合料低温破坏应变结果

由图2可知，随着RAP料的掺量增大，微罩面混合料的破坏应变逐渐减小。而当RAP掺量为70%时，在冬温区的沥青混合料已不满足规范的低温性能要求。主要原因在于高掺量RAP料中的老化沥青含量较多，出现脆性几率偏高，同时在老化过程中保持沥青塑性的轻质组分散失，导致整体模量变大，因而降低了混合料的低温性能[14]。

2.4 RAP掺量对沥青混合料水稳性能的影响

沥青混合料水稳定性不足，易在动水压力作用下诱发路面早期病害。目前主要采用冻融循环和力-水循环的方式模拟水对沥青混合料的作用[15]。本文采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及标准飞散试验评价不同RAP料掺量微罩面沥青混合料的水稳定性。

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]分别成型RAP料掺量为0%、30%、50%、70%的马歇尔试件，每组试件双面击实50次，放置24 h脱模，测试48 h浸水残留稳定比、冻融残留强度比及飞散损失值，试验结果如图3～图5所示。

由图3、图4可知，微罩面再生沥青混合料的浸水残留稳定度比和冻融劈裂强度比随RAP料掺量的增大而减小。掺量越大，变化越明显。其原因在于老化沥青的模量增大，新、旧料之间的界面存在过渡区导致了薄弱面的产生，水穿过毛细孔进入内部在外力作用下使得试件加速破坏[16]。

图3 不同RAP掺量沥青混合料残留稳定度比结果

图4 不同RAP掺量沥青混合料冻融劈裂残留强度度比结果

图5 不同RAP掺量沥青混合料飞散损失结果

由图5可知，随着RAP料掺量的增加，飞散损失逐渐增大，说明老化的旧料越多，更易增加混合料内部的薄弱面，而部分旧料中不可避免有泥粉的混合，从而影响沥青与集料的粘附性，在水-力的共同作用下，使得沥青从集料上剥落，造成水稳定性不良。

2.5 RAP掺量对再生沥青混合料疲劳性能的影响

沥青混合料在每次荷载作用下都会产生微小损坏，当累积到一定程度就将产生不可恢复的损坏，认为此时达到了混合料的疲劳寿命。本文采用四点弯曲试验评价混合料的疲劳寿命，正弦波，微应变水平600 με，加载频率10 Hz，试验温度15 ℃，在应力比为0.4、0.5、0.6的条件下对不同RAP掺量的试件进行疲劳试验，结果如图6、图7所示。

图6 不同RAP沥青掺量混合料疲劳寿命结果

图7 不同RAP掺量的掺量混合料疲劳寿命与应力比的关系

由图6可知，微罩面再生沥青混合料的疲劳寿命随RAP掺量的增加而降低，尤其在RAP掺量、应力水平都较大时，疲劳寿命相对较小，说明RAP掺量越多，对重载交通的承受能力越弱[17]。对数疲劳寿命回归应力比的关系见下式：

0%：lgNf=7.08-4.54xR2=0.972 23

30%： lgNf=7.70-4.55xR2=0.967 77

50%： lgNf=7.74-4.56xR2=0.969 01

70%： lgNf=7.72-4.78xR2=0.962 07

由上述回归关系式和图7可知，不同RAP掺量下沥青混合料的疲劳寿命与应力比的相关性较好，通过该关系式可预估微罩面再生沥青混合料的疲劳寿命。

3 结论

1) 随着RAP料掺量的增加，微罩面再生沥青混合料的空隙率增大，稳定度增大。

2) RAP料掺量为70%，微罩面再生沥青混合料的高温稳定性最大；随着RAP料的增加，微罩面再生沥青混合料的破坏应变减小，使得低温性能降低，RAP掺量为70%时，已不满足规范要求；随着RAP掺量的增加，浸水残留稳定度比、冻融劈裂强度比降低，飞散损失增大，说明水稳定性逐渐随RAP掺量的增加而降低；应力比和RAP掺量越大，再生沥青混合料疲劳寿命越小。

3) 综合路用性能试验结果表明，RAP旧料在微罩面再生沥青混合料SMA-5应用具有可行性，但推荐掺量还需进一步开展试验验证。