不同RAP来源对高掺量RAP沥青混合料低温抗裂性能的影响

汪忠寿

(福建路桥建设有限公司，福建 福州 350000)

目前，在国内沥青路面被认为是最可回收的材料之一，再生沥青路面(RAP)包含沥青结合料和骨料，在新的沥青混合料中使用它可以带来显著的经济效益和环境效益。RAP的使用保护了不可再生的自然资源(沥青和骨料)并减少获得它们所需的能源和排放；此外，RAP材料的使用也减少了垃圾填埋场中建筑垃圾的数量[1]。尽管在新沥青混合料中使用更高RAP含量具有更高的经济和环境效益，但多个国家研究表明：仅允许在道路中使用少量RAP。一项调查显示，2017年美国各地新沥青混合料中的RAP含量稳步上升，但掺加量仍降低于20%。有研究者对高RAP含量的沥青混合料进行室内试验评估和现场研究表明，RAP含量高达50%的沥青混合料可以具有与原始材料制成的沥青混合料相似的性能[2]。此外，在新沥青混合料中使用更大掺量的RAP材料，再生沥青混合料在其使用寿命期间可能更容易产生疲劳和低温裂缝，这是因为RAP中包含的沥青混合料因老化而氧化砸化[3，4]。然而，RAP结合料的老化因来源而异，因此没有两种RAP来源会对RAP材料的抗裂性产生相同的不利影响，研究者对RAP来源和RAP结合料特性对不同RAP含量混合料断裂特性的影响仍缺乏深入研究。

1 材料和试验

1.1 RAP材料中的沥青结合料

RAP材料来自国省干线的五个不同的表面大修项目，从不同项目获得的RAP材料中提取并回收结合料，确定提取和回收的RAP结合料的性能等级(PG)。根据获得的PG等级，本文选择了两种具有不同流变特性的结合料的RAP材料。RAP-1材料的高温和低温等级分别为93.1 ℃、-14.3 ℃。RAP-2材料的高温和低温等级分别为79.9 ℃、-21.1 ℃。所选RAP材料在其服役期间经受不同的老化和环境条件，这导致提取和回收结合料的PG等级存在显著差异。

1.2 新沥青结合料

选择的新沥青结合料适用于中等交通量道路的面层混合料，通常使用的是沥青PG 64-22和PG 64-28结合料。其中PG 64-22的高温和低温等级分别为66.7 ℃、-22.1 ℃，PG 64-28高温和低温等级分别为64.9 ℃、-30.6 ℃。按照已有计算方法得出本文使用的30%、40%和50%RAP混合料中新沥青结合料的临界高温和低温。计算出的临界低温比本文中使用的PG 64-22更低。因此，对于RAP含量为30%、40%和50%的混合料，使用低温等级较低的结合料(如PG 64-28)，结合料的低温等级由m值控制。

1.3 混合料

为评估RAP材料对性能的影响，设计了几种沥青混合料，其中包括RAP含量为30%、40%和50%的混合料。所考虑的沥青混合料的公称最大骨料粒径为12.5 mm，其设计符合规范要求。采用来源不同的两种RAP材料设计时，需调整混合料中新骨料的百分比，以保持所有设计混合料的类似骨料级配，表1总结了设计混合料的性质。

表1 混合料性能

1.4 试验方法

(1)半圆弯曲试验

采用半圆形弯曲(SCB)试验评估RAP混合料的疲劳开裂性能。首先制作旋转压实试件，然后将样品分成两半，切口的深度为15 mm，宽度为1.5 mm。试验时以50 mm/min的恒定加载速率向样品施加荷载，直到发生试件破坏，试验期间记录了垂直变形和荷载。

根据SCB试验结果，使用公式(1)和(2)分别计算断裂能(FE)和柔度指数(FI)。FI用来评估沥青混合料对过早开裂的敏感性，断裂能表示裂缝在沥青混合料中萌生和扩展所需的能量。使用公式(3)计算归一化断裂能(NFE)。

(1)

(2)

(3)

式中：FE为断裂能；Wf为断裂功；A为将裂缝宽度乘以其长度计算出的断裂面积；|m|为拐点处斜率的绝对值；A是单位换算(0.01)；σpeak为峰值应力。

(2)间接抗拉强度试验

在25 ℃温度下，采用50 mm/min的加载速率，对至少三个样品进行间接拉伸强度(IDT)试验。连续记录载荷以及垂直和横向变形。对IDT试验结果进行分析，用公式(4)计算韧性指数(TI)，TI描述了峰后区域的增韧特性。

(4)

式中：A3%-p为峰值应变和3%应变值之间的应力-应变曲线下的面积；εp为峰值应力下的应变；Speak为峰值应力。

(3)沥青混凝土开裂试验

为评价样品的低温抗裂性，沥青混凝土的开裂试验采用沥青混凝土开裂装置(ACCD)进行测试。该试验首先需要获得直径为60 mm环形样品。将ACCD环放置在ACCD样品的中心孔中。然后在环境室中冷却样品，样品因温度下降而收缩受到ACCD环的限制，导致样本和ACCD环出现应变，记录到试件破坏为止，得到了数据应变-温度曲线。ACCD开裂温度定义为对应于应变温度曲线斜率等于最大斜率80%的位置。

2 试验结果分析

2.1 SCB测试结果

图1比较了具有RAP-1和RAP-2混合料的长期老化样品的平均NFE值。具有RAP材料和PG 64-28结合料的混合料的NFE，随着RAP含量的增加而降低。然而，RAP-2混合料的NFE值高于RAP-1混合料。这表明RAP-2混合料需要更高的能量才能开裂，这些混合料具有更强的抗疲劳开裂能力。图2显示了RAP-1和RAP-2混合料长期老化样品的平均FI值。与NFE类似，含有两种RAP材料的混合料的FI值随着RAP含量的增加而降低。然而，RAP-1混合料中FI的降低比RAP-2混合料降低更为显著，SCB试验结果清楚地表明，RAP材料来源影响高掺量RAP混合料的疲劳开裂抗力。

图1 RAP材料的NFE值

图2 RAP材料的FI值

方差分析结果见表2，在95%置信水平下，RAP来源和RAP含量对FI和NFE有显著影响。然而，对于这两个参数，RAP源的F值比RAP含量高得多，这表明RAP源对高RAP混合料的疲劳开裂抗力的影响比RAP含量更为显著。方差分析后采用最小二乘法(LSM)统计分析，以确定混合料在FI和NFE的排名；表3和表4显示了方差分析LSM统计分析的结果，显然，RAP-2混合料比RAP-1混合料具有更好的抗疲劳开裂性。

表2 SCB的方差分析结果

表3 基于最小二乘法的不同RAP源的NFE和FI分析结果

表4 基于最小二乘法的不同RAP含量的NFE和FI分析结果

2.2 IDT试验结果

RAP-1和RAP-2混合料的平均TI值如图3所示。一般而言，RAP-2混合料的TI值高于RAP-1混合料的TI值，尤其是RAP含量为40%和50%的混合料。对于不同的RAP源，混合料的TI值随着RAP含量的增加而降低。进行方差分析以评估IDT测试结果，如表5所示。95%置信水平下，只有RAP含量对TI有显著影响。对样本进行方差分析后LSM统计分析，以确定样本在TI的排名，表6显示了方差分析LSM统计分析的结果。显然，30%和40%的RAP混合料具有统计上相似的TI。然而，在统计上，50%RAP混合料的开裂TI值低于30%和40%RAP混合料。该结果表明，IDT试验可能对“RAP对沥青混合料开裂可能性的影响”不太敏感。

图3 RAP-1和RAP-2混合料的平均TI值

表5 IDT试验结果方差分析

表6 基于最小二乘法的不同RAP含量的NFE和FI分析结果

2.3 沥青混凝土开裂装置试验结果

图4比较了采用RAP-1和RAP-2制备的混合料的长期老化样品的平均开裂温度。可以发现，所有RAP-1和RAP-2混合料的30%RAP或以上，其开裂温度均低于-22 ℃。这表明这些混合料具有可接受的低温抗裂性，RAP-2混合料的开裂温度略低于RAP-1混合料。这表明RAP源可能会对高掺量RAP混合料的低温抗裂性产生影响。进行方差分析和方差分析后LSM分析，评估ACCD测试结果。方差分析结果如表7所示，RAP来源和RAP含量的影响在95%置信水平下对ACCD开裂温度没有显著影响。这表明，对于具有两种RAP来源的混合料，使用较软的结合料(PG 64-28)可有效改善和保持高掺量RAP混合料的低温抗裂性。结果还证实了先前研究的结论，即使用具有适当低温性能等级的结合料，有助于确保高掺量RAP混合料具有令人满意的低温抗裂性。

表7 ACCD试验结果方差分析

图4 RAP-1和RAP-2混合料的开裂温度

3 结 论

(1)RAP来源对RAP沥青混合料的抗疲劳开裂性有显著影响，特别是RAP掺量超过30%，这可能是由于RAP结合料的粘结性能不同所致。

(2)使用具有适当低温性能等级的结合料，有助于确保高掺量RAP混合料具有令人满意的低温抗裂性。