冻融循环对热再生沥青混合料水稳定性影响研究

陶莉萍

（北京城建华晟交通建设有限公司，北京 102444）

0 引言

随着经济和科技的持续发展，我国高速公路建设的规模和速度也逐渐加快。截至2019年，中国公路总长485万公里，其中高速公路里程达14万公里，排名世界第一[1]。我国公路从大规模建设阶段转为建养并重阶段，在养护过程中产生了大量废旧沥青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），RAP的利用促进了沥青路面再生技术的发展，再生沥青路面的性能研究成为热点问题[2]。再生沥青路面通常面临水稳定性不足的风险，有必要研究其水稳定性的变化趋势，评估再生沥青混合料的水稳定性。目前，国内外学者采用冻融循环试验测试沥青混合料在水-温共同作用下的路用性能变化情况[3-4]。曹晓岩等[5]采用钻芯法，并对样本进行14次冻融循环后测试其冻融劈裂抗拉强度，据此提出寒冷地区的沥青混合料的容许空隙率为4%～5%。李喆等[6]对冻融循环后的试件进行疲劳测试，探究沥青混合料在冻融循环后疲劳寿命变化情况，模拟出寒冷地区公路沥青路面在冻融循环和行车荷载作用下的材料性能。郑建龙等[7-8]研究了冻融作用对混合料空隙率、水稳定性的衰变影响规律，发现冻融循环会增加沥青混合料的空隙率，破坏混合料的抗压强度，且抗压强度在初期下降较快，说明了水稳定性受冻融循环的影响显著，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比下降显著。现有研究主要聚焦沥青混合料的冻融循环水稳定性，而对再生沥青混合料的冻融循环水稳定性研究较少。

本研究通过室内模拟自然环境对沥青混合料的影响作用来研究沥青混合料的路用性能衰变规律，设计了0%、30%、50%三种掺量的再生沥青混合料，分析了不同冻融循环次数下的再生沥青混合料水稳定性的变化规律。

1 原材料测试

再生沥青混合料由新集料、SBS改性沥青、矿粉、RAP、再生剂组成。新集料主要分为四档，规格分别为9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm，新集料/矿粉的主要性能指标见表1。

表1 新集料性能指标Tab.1 Performance index of new aggregates

SBS改性沥青的主要性能指标见表2。再生剂的型号为RA-102型，用量为老化沥青质量的4%。

表2 SBS改性沥青技术指标Tab.2 Performance index of SBS modified asphalt

采用铣刨、破碎、筛分的方法将RAP分为12～20 mm、8～12 mm、0～8 mm三档，结合抽提法测试RAP的级配与沥青含量，结果见表3。RAP中老化沥青采用阿布森法将其与三氯乙烯溶剂分离，得到老化沥青的基本性能指标，见表4。

表3 RAP级配与沥青含量Tab.3 RAP gradation and asphalt content

表4 老化沥青技术指标Tab.4 Performance index of aged asphalt

2 试验

2.1 试验方案

采用室内试验模拟水-温耦合，具体试验流程如图1所示。同时，采用冻融劈裂抗拉强度比研究再生沥青混合料的水稳定性变化趋势。设计再生沥青混合料的RAP掺量分别为0%、30%、50%，每组RAP掺量的再生沥青混合料冻融循环次数分别为0、1、3、6、9、10 次。

图1 冻融循环试验流程图Fig.1 Flow chart of freeze-thaw cycle test

2.2 级配设计

不同RAP掺量的再生沥青混合料级配设计如图2所示。

图2 设计级配Fig.2 Design gradation

2.3 试件成型与试验方法

采用马歇尔击实仪成型试件，每组方案成型试件4个，总计成型试件72个。此外，根据规范要求分别测试试件的空隙率、冻融循环前后的劈裂抗拉强度，计算冻融劈裂抗拉强度比，评估再生沥青混合料的水稳定性。

3 结果分析与讨论

3.1 空隙率

测试不同RAP掺量下再生沥青混合料冻融循环空隙率，并拟合空隙率与冻融循环次数之间的变化规律，结果如图3所示。由图3可见，三种RAP掺量再生沥青混合料的空隙率随冻融循环次数的增加而增大，增长速度逐渐变缓，再生沥青混合料的空隙率趋于稳定，达到最大值。此外，比较3种RAP掺量的再生沥青混合料空隙率增长情况，发现0%、30%RAP掺量的再生沥青混合料的空隙率增长速率相似，而50%RAP掺量的混合料空隙率增长速率相对稳定。进一步观察图3发现，RAP掺量越高的再生沥青混合料的空隙率越小。

图3 空隙率变化趋势Fig.3 Change trend of air voids

3.2 劈裂抗拉强度

测试不同RAP掺量下再生沥青混合料冻融循环时的劈裂抗拉强度，计算再生沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比，得到劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度比（TSR）与冻融循环次数之间的变化规律，并采用模型拟合冻融循环次数与冻融劈裂抗拉强度比之间的关系，结果分别如图4、图5所示。由图4、5可见，随着冻融次数的增加，再生沥青混合料的劈裂强度呈降低的趋势，且前6次冻融循环劈裂强度下降速率最快，第6次后的下降速率变缓并逐渐趋于稳定。此外，50% RAP掺量的再生沥青混合料的劈裂抗拉强度下降速度最快，初始的劈裂强度也最低；然而，30% RAP掺量的再生沥青混合料水稳定性较0%、50%RAP掺量高，劈裂抗拉强度下降最慢；0% RAP掺量的再生沥青混合料劈裂抗拉强度的变化趋势居中。

图4 劈裂抗拉强度与TSR变化趋势Fig.4 Variation Trend of splitting tensile strength and TSR

图5 TSR拟合曲线Fig.5 TSR fitting curve

为评价再生沥青混合料受冻融循环的影响程度，引入损伤度指标进行评估，计算过程如式（1）所示。采用式（1）分别计算不同RAP掺量的再生沥青混合料不同冻融循环次数下的损伤度，并拟合损伤度与冻融循环次数之间的关系，结果如图6所示。由图6可见，随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的损伤度呈先增加后降低的趋势，说明一定RAP掺量的再生沥青混合料对抗损伤性能有利。进一步观察发现，RAP掺量越高的再生沥青混合料损伤度初始增长速率越高。因此，RAP含量高的再生沥青混合料在使用初期将会更容易受到水损坏。

图6 损伤度拟合曲线Fig.6 Fitting curve of damage degree

式中：D为损伤度，%；E0为初始强度，MPa；E(n)为冻融循环后试件的强度，MPa。

比较空隙率与劈裂抗拉强度之间的变化趋势可见，随着冻融次数的增加，再生沥青混合料的空隙率不断增大，最后趋于稳定；然而，劈裂抗拉强度反之，其变化呈不断减小后趋于稳定的趋势。这也表明空隙率对劈裂强度的影响，事实上空隙率增大，破坏了混合料的骨架结构，内部空洞较多，强度自然降低，因此，在实际工程中，合理地控制沥青混合料的空隙率可以有效提高路面的抗水损害能力。

3.3 空隙率与水稳定性之间关系

为研究空隙率与水稳定性之间的关系，分别测试初始空隙率为5%、6%、7%、8%、9%的再生沥青混合料的劈裂抗拉强度，并计算TSR指标，结果如图7所示。由图7可见，再生沥青混合料的初始空隙率对冻融循环下的劈裂抗拉强度影响显著。随着空隙率的降低，再生沥青混合料劈裂抗拉强度逐渐增加。此外，从劈裂抗拉强度的衰减幅度看，空隙率越大的再生沥青混合料劈裂抗拉强度的降幅越小，而初始空隙率为7%的沥青混合料受冻融影响作用最为显著。空隙率为7%的试件在冻融时，空隙率增长最快，当空隙率小于7%时，水分不易进入混合料内部，当空隙率大于7%时，空隙较大，水分容易排出，所以空隙率为7%时，水分最容易侵入混合料内部，在冻融作用下对混合料的结构造成损伤破坏。因此，空隙率在7%左右的再生沥青混合料的稳定性最差，极易受水-温耦合作用的破坏，而空隙率过大又会影响混合料的结构导致混合料的强度降低，因此，在实际应用中应将空隙率控制在较低水平，从而保证再生沥青混合料的强度及其水稳定性。

图7 不同空隙率的试件劈裂抗拉强度变化规律Fig.7 Variation Law of splitting tensile strength of specimens with different voids

4 结论

（1）再生沥青混合料的空隙率随RAP掺量的增加而降低。当RAP掺量小于30%时，再生沥青混合料的劈裂抗拉强度与RAP掺量成正比。然而，当RAP掺量高于30%时，受混合料不均匀性增加的影响，再生沥青混合料劈裂抗拉强度呈降低的趋势。

（2）再生沥青混合料的空隙率随冻融循环次数的增加而逐渐增大，且增长速率先快后慢，最后趋于稳定。此外，RAP掺量越高，再生沥青混合料的快速损伤期出现越早，更容易发生路面早期水损坏现象。

（3）再生沥青混合料的劈裂抗拉强度与冻融劈裂抗拉强度比指标随冻融次数的增加而降低，降低速率呈先快后慢的趋势。此外，再生沥青混合料中RAP掺量低于30%时，水稳定性与RAP掺量成正比，而RAP掺量高于30%时则反之。