基于筛分试验的热再生沥青混合料结团量化分析

吴建涛 焦 岩 夏新全 杨 帅 王志新

(1河海大学土木与交通学院， 南京 210098)(2南京中交智慧城市建设投资有限公司， 南京 211899)

沥青路面服役过程中会出现车辙和裂缝等病害，在改建、维修过程中会产生大量的废旧沥青路面材料(RAP)[1].在RAP再生技术应用越来越广泛的同时，也暴露出了RAP利用率低、级配变异性大等弊端[2-3].RAP通常由多个颗粒通过沥青黏结而成，在较高温度或较大荷载时会分散破碎[4].RAP质量分数、拌和温度、拌和时间以及RAP粒径等多种因素造成RAP颗粒组成复杂，工程应用中较难掌握其级配规律[5-7].多种因素作用下RAP结团[8-9]的存在及分散是影响再生沥青混合料路用性能的根本原因之一.

已有研究表明再生沥青混合料中的结团现象显著影响再生料的均匀性以及最终质量.Nguyen[10]研究证实了再生沥青混合料中RAP结团的存在；Navaro等[11]发现结团由较小的RAP细集料和RAP结合料组成；Wu等[12]利用ITSM试验和彩色图像分析发现，结团的异步破碎是导致RAP沥青混合料均匀性降低的主要原因.为定量分析结团现象和评价结团程度，Bressi等[13-14]明确了再生沥青混合料RAP结团的定义，提出了验证并量化结团现象的评价指标，建立了小粒径RAP结团的预测模型.Xu等[15]将RAP分为弱结构结团、强结构结团和旧骨料3种类型，以损失率和稳定性指数为定量指标来评价RAP的结团程度和稳定性.

不同档位集料下的RAP结团特性区别明显却鲜有研究，如何定量地评价不同档位的结团现象以及如何验证评价指标的准确性未能得到很好解决.为此，本文综合考虑粒径和质量分数，通过分档和整体相结合的筛分试验对热再生沥青混合料的结团现象进行了有效量化分析，提出了结团程度的定量评价指标和预测模型，以期为实际工程中RAP粒径和RAP质量分数的选择方法提供参考.

1 试验

1.1 原材料

本试验中采用的沥青均为70#基质沥青，性能指标见表1.采用的集料为玄武岩，矿粉为石灰岩.选用AC-13型级配，采用马歇尔设计方法室内成型试件，设计级配见表2.最佳油石质量比确定为4.0%.

表1 基质沥青主要性能指标

表2 沥青混合料AC-13型设计级配

1.2 RAP的制备

为了尽可能消除RAP的变异性[16-17]，本文根据Bell等[18]提出的室内沥青混合料老化方法制备RAP，有效地保证了所用RAP中沥青老化程度、沥青含量和集料级配等参数一致.首先，将拌和后的松散混合料置于135 ℃恒温烘箱中4 h，以模拟沥青混合料的短期老化.然后，采用马歇尔击实仪成型沥青混合料试样.将压实后的试样置于85 ℃烘箱中5 d，模拟沥青混合料的长期老化.将老化后的试样于135 ℃下人工破碎，得到RAP材料.采用四分法对RAP进行取样，随机选择其中的3份进行筛分，获得级配曲线，结果见图1.由图可知，3次破碎样本的级配曲线基本吻合，说明135 ℃下人工破碎马歇尔试件得到的RAP级配较为稳定均匀.

图1 RAP破碎筛分结果

1.3 试验方法

1.3.1 分档RAP结团制备与评价指标

不同粒径范围形成的结团对RAP级配的稳定性有显著影响，特别是当沥青混合料中的粗颗粒形成结团时，RAP的级配曲线将产生明显变异[19].因此，对RAP进行粒径分档有助于级配的稳定性，从而提升再生沥青混合料的路用性能[20].本文基于筛分试验提出了一种热再生沥青混合料结团的制备和评价方法.首先，分别将RAP和新集料筛分成Ⅰ～Ⅳ四档，其粒径分别为0～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm；然后，称取一定质量(mb)的某档RAP(如Ⅱ档)，将其与上一档新集料(如Ⅲ档)和沥青拌和3 min后再次筛分，称量该档RAP剩余质量(ma).分析质量变化，计算得到分档结团指数Cg，其值愈大，说明再生料的结团程度越严重.Cg的计算公式为

(1)

本文考虑RAP粒径和质量分数对热再生沥青混合料结团程度的变化规律.其中，RAP粒径考察Ⅰ～Ⅳ四档粒径范围，RAP质量分数设置为20%、40%、60%、80%.

以Ⅱ档、RAP质量分数为40%的再生沥青混合料为例，RAP结团制备步骤如下：①按w(RAP)=40%称取一定质量的Ⅱ档RAP、Ⅲ档新集料以及基质沥青；②将RAP与新集料拌和1 min后置于160 ℃烘箱中保温30 min；③加入基质沥青继续搅拌2 min，以获得均匀性良好的混合料；④将拌和完成后的热再生沥青混合料置于160 ℃烘箱中保温90 min；⑤待再生料完全冷却后通过筛分(筛孔径为2.36 mm)，获得质量分数为40%的Ⅱ档粒径RAP.

由于Ⅱ档RAP的粒径范围为1.18～2.36 mm，该档RAP可以通过孔径为2.36 mm的筛孔，而粒径范围为2.36～4.75 mm的新集料则无法通过.因此，无论是旧料黏结成团还是新旧料之间黏附，形成的RAP结团粒径均大于2.36 mm(留在筛上)，则Ⅱ档RAP初始质量与剩余质量的差值即为该档RAP中参与结团形成的质量.按照式(1)进行计算，即可得到Ⅱ档、RAP质量分数为40%下再生沥青混合料的分档结团指数Cg.

1.3.2 RAP结团整体评价指标

整体级配下热再生沥青混合料的结团程度研究可作为分档结团试验的对照和补充，也可为分档结团试验得到的变化规律进行验证.在拌和过程中，RAP表面的老化沥青会与新沥青混溶并裹覆在新集料和RAP表面[9]，混溶后的沥青黏附性决定了结团的稳定性.因此，可采用混溶沥青的黏度间接地量化表征RAP的结团程度.本文将实际状态和理想状态(完全混溶)下的沥青旋转黏度作为特征参数，用以评价整体级配下再生沥青混合料的RAP结团程度，并依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2019)中沥青旋转黏度试验，测定回收沥青的黏度.

本文采用Bressi等[8]提出的筛分方法，获取实际状态下整体级配的RAP结团.首先，根据RAP质量分数确定再生料的级配曲线和筛分粒径.然后，选用小于筛分粒径的各粒径范围RAP以及大于筛分粒径的各粒径范围新集料，按照1.3.1节中的步骤将其充分拌和后筛分.通过筛孔的混合料仅为被混溶沥青裹覆的RAP，对剩余RAP进行回收，并测定抽提沥青的旋转黏度.RAP质量分数设置为30%、50%和80%，对应的筛分粒径分别为 4.75、9.50和13.20 mm.

基于完全混溶假设，将新旧沥青按一定比例混溶，制备理想状态下的沥青.采用旋转薄膜烘箱加热老化的方法来制备旧沥青，测定混溶后的沥青旋转黏度.整体级配下热再生沥青混合料的整体结团指数计算公式为

(2)

式中，Cm为整体结团指数，其值越大表示再生料的结团程度越高；ηrc、ηic分别为实际状态和理想状态下的沥青旋转黏度.

2 试验结果与分析

2.1 分档结团指数

通过分析人工破碎的RAP级配曲线发现，RAP材料中存在结团现象.对比图1中的破碎级配与设计级配曲线可以发现，每一档破碎级配的通过率均小于设计级配，破碎级配相对于设计级配整体向右偏移，说明人工破碎后的RAP级配整体变粗.当档位粒径小于1.18 mm时，RAP级配的通过率接近0，表明RAP中基本不存在粒径小于1.18 mm的颗粒.由此推断在老化过程中，粒径小于 1.18 mm的颗粒出现了结团现象，这也为1.3.1节中设置0～1.18 mm粒径范围提供了理论依据.

分档结团指数的试验结果见表3.由表可知，对于不同RAP质量分数的再生料，均呈现RAP粒径越小分档结团指数越高的规律.当粒径范围为0～1.18 mm时，分档结团指数大于50%，表明超过半数的RAP颗粒参与结团的形成；当粒径大于4.75 mm时，分档结团指数低于10%，表明再生料的结团程度处于较低水平.此外，对于同一粒径范围、不同RAP质量分数的分档结团指数，数据间差异并不明显.因此，初步推断RAP粒径对分档结团指数的影响较显著，而RAP质量分数对分档结团指数的影响较小.

表3 分档结团指数试验结果

2.2 结团程度预测模型

热再生沥青混合料的结团现象在每一档粒径中均有发生.为了更好地预测不同档位下再生料的结团程度，进一步分析RAP质量分数和粒径对结团程度的影响规律，以不同拌和条件组合下的分档结团指数Cg为基础，通过线性拟合得到预测模型，以实现对结团程度的预估分析.

热再生沥青混合料的结团程度受到RAP质量分数和粒径不同程度的影响，可推测结团程度的预测模型是以RAP质量分数和粒径为自变量、分档结团指数为因变量的二元函数.由于RAP粒径是某一范围值，在函数式中并不适用，因此将区间中值作为该粒径范围内RAP粒径的代表值.然后将RAP质量分数、粒径及分档结团指数进行多元线性拟合，确定RAP结团程度的预测模型，具体表达式为

Z=f(x,y)=35-41.74r+4.148w+7.55r2-

0.217 8rw-0.074 92w2-0.387 1r3-

0.008 883r2w+0.003 032rw2+0.000 3776w3

(3)

式中，Z为分档结团指数；r为RAP粒径；w为RAP质量分数.

该模型的拟合优度值(R2)为0.982 2，说明其拟合相关性较好.将通过该模型计算得到的分档结团指数理论值与表3中的实测值进行对比，分析其相对误差，结果见表4.由表可知，分档结团指数的相对误差整体均匀且数值较小，说明预测结果与试验结果较为接近，预测模型的可靠性较高.

表4 分档结团指数误差值

以RAP粒径、RAP质量分数、分档结团指数为坐标绘制该预测模型的三维图像，结果见图2.图像颜色可以对结团程度进行量化表征，颜色越接近红色，表明混合料的结团程度越高，反之则表明混合料的结团程度较低.由图可知，小粒径混合料结团程度较高，大粒径混合料结团程度较低.

图2 预测模型三维图像

2.3 影响因素分析

2.3.1 RAP粒径的影响

图3给出了分档结团指数与RAP粒径的关系曲线，图4为w=40%时的分档结团指数曲线.图中，K为曲线斜率.由图可知，当RAP粒径较小时，分档结团指数及其变化斜率均较大；随着粒径的增加，分档结团指数始终呈下降趋势，且变化斜率相应减小；当RAP粒径大于6 mm时，分档结团指数基本低于10%，变化斜率趋近于0，曲线整体相对平缓.这表明RAP粒径与分档结团指数呈显著负相关，同时曲线变化斜率与结团指数的变化趋势保持一致，尤其是当RAP粒径在2.36～4.75 mm范围内时.此外，同一RAP粒径下分档结团指数的变化幅度较小，且随着粒径的增加，其变化幅度逐渐趋于恒定，这也证明了所得预测模型的适用性和稳定性.由此可将4.75 mm的RAP粒径认为是热再生沥青混合料结团程度的分界值.当RAP粒径小于4.75 mm时，分档结团指数整体偏高且变化速率较快，说明细颗粒易黏结成团，较小粒径对分档结团指数的影响较大.当RAP大于4.75 mm时，分档结团指数整体偏小且其切线斜率趋于极小值，表明粗颗粒难以结团，较大粒径对分档结团指数的影响较小.

图3 粒径对分档结团指数的影响

图4 w=40%时分档结团指数曲线

2.3.2 RAP质量分数的影响

图5给出了分档结团指数与RAP质量分数的关系.由图可知，随着RAP质量分数的增加，分档结团指数的整体变化趋势为先增加后减少，这与文献[13]的研究结果一致.当w<40%时，分档结团指数与RAP质量分数呈正相关；当w>40%时，分档结团指数与RAP质量分数呈负相关；当w>80%时，分档结团指数基本保持稳定；w=35%～45%时分档结团指数达到峰值.然而，当分档结团指数处于较低水平时，其数值在w=30%,80%附近急剧增加.究其原因在于，再生沥青混合料中易形成结团的主要成分是细集料或矿粉，粗集料参与结团的概率较低；但由于试验的偶然性，存在少量的粗粒径RAP结团生成，数量不多但质量相对较大，导致分档结团指数的骤然增长.

图5 RAP质量分数对分档结团指数的影响

2.3.3 影响因素对比

图6为分档结团指数的等高线图.由图可知，随着RAP粒径的增加，分档结团指数的等高线具有向外延展的趋势，且等高线间的距离逐渐变宽.这表明随着粒径的增加，分档结团指数减小的速率逐渐增大，在w=40%时尤为突出.对比发现，等高线的横向变化趋势与纵向相比更加明显，即RAP粒径对分档结团指数的影响程度远大于RAP质量分数的影响，这与文献[15,21-22]的研究结果一致，同时验证了分档结团指数Cg在评价结团程度方面的有效性.

图6 分档结团指数等高线图

综上所述，RAP粒径是控制结团生成的决定性因素，对再生沥青混合料结团程度的影响较为显著.因此，在实际生产过程中，当RAP质量分数选取合适时，建议选用较粗粒径的RAP集料(如粒径大于4.75 mm的RAP)，尽可能减少细颗粒的RAP使用量，从而避免热再生沥青混合料生产过程中的结团现象，提高热再生沥青混合料的路用性能.

2.4 整体结团指数

为了验证RAP质量分数对再生料结团程度的影响规律，记录实际状态与理想状态下不同RAP质量分数时的沥青旋转黏度，绘制RAP质量分数与整体结团指数的关系曲线，结果见图7.由图可知，随着RAP质量分数的增加，2种状态下沥青旋转黏度间的相对差值逐渐减小，整体结团指数持续下降，说明热再生沥青混合料的结团程度也随之降低.

对比整体结团指数Cm与分档结团指数Cg，整体级配的结团规律在w=50%～80%时与分档结团指数的结论一致，说明高掺量下热再生沥青混合料的结团程度随着RAP质量分数的增加而降低，RAP质量分数存在着极值范围.这也进一步验证了分档结团规律的适用性，表明结团指标Cg和Cm可用于有效评价热再生沥青混合料的结团程度.

图7 整体结团指数试验结果

3 结论

1)采用筛分试验能够较好地模拟不同粒径范围内的热再生沥青混合料结团现象.分析了RAP粒径和RAP质量分数对结团程度的影响规律，从分档和整体2个层面上量化表征了热再生沥青混合料结团程度.

2)结团指标Cg可以有效反映热再生沥青混合料的结团程度，其预测模型在一定程度上验证了先前的理论研究，实现了对本实验条件下结团程度的理论推测.

3)RAP粒径与结团指数整体呈负相关，4.75 mm的RAP粒径是热再生沥青混合料结团程度的分界值.再生料的结团程度随着RAP质量分数的增加呈先增大后减小的趋势，在RAP质量分数为35%～45%时达到峰值.与RAP质量分数相比，RAP粒径对热再生沥青混合料的结团程度影响更为显著.

4)在实际施工过程中，当RAP质量分数确定时，建议选用粒径大于4.75 mm的RAP粗集料，尽可能减少小粒径RAP的使用量.

5)本研究基于室内模拟试验来提出结团程度评价指标和指导建议，其可靠性仍需在施工现场进行进一步验证.