掺有RAP及钢纤维的温拌沥青混合料力学性能研究

吕玉蓉 袁盛杰 廖亚雄 黄蔚源

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430050)

0 引 言

生产常规热拌沥青混合料需要消耗大量的自然能源，致使大量温室气体的排放.每生产1 t热拌沥青混合料所消耗得能量和大气中的CO2放量估计分别为300 MJ和28.8 kg[1-2].与热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料(WMA)技术使得CO2和SO2排放量降低了30%～40%，CO排放量降低了10%～30%，广泛应用于道路行业[3].在沥青混合料中加入RAP(旧沥青混合料)材料减少了原集料和沥青黏结料的消耗，在改性沥青混合料中添加RAP材料能够减少环境中沉积的废弃物.Willis等[4]通过研究发现，在沥青混合料中掺入25%～50%的RAP材料，筑路所需的材料成本可降低20%～35%.马登成等[5-6]对沥青混合料热再生配合比进行了优化设计，并对此进行了路用性能测试.Zhen等[7]研究发现，使用寿命相同时(以15年计)，就地热再生节省的成本可达5%，减少对环境的污染达16%.姚晓光等[8]研究确定了不同再生方式下RAP的最佳掺量.何兆益等[9]通过室内试验，探讨了RAP掺量对厂拌热再生沥青混合料路用性能及疲劳性能的影响.目前RAP掺量低于25%的厂拌热再生技术已比较成熟，再生沥青混合料性能与新拌沥青混合料的性能相当，部分性能甚至优于新拌沥青混合料[10]，但目前对RAP温拌再生技术的研究较少，以及外加剂对RAP再生混合料性能的提升作用.

文中结合WMA技术和掺加不同比例RAP的方法，对12种沥青混合料进行研究.使用不同含量的钢纤维来改善沥青混合料的性能，通过进行弹性模量、动态蠕变、间接拉伸强度、间接拉伸疲劳和，对不同类型沥青混合料的性能进行了评价和比较.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

用石灰石作为集料，性能指标见表1.选用70号基质沥青作为胶结料，其三大指标见表2.

1.2 配合比与试样制备

根据马歇尔混合料设计方法制备了12种不同类型的沥青混合料试件，确定各类型混合料的最佳油石比，见表3.级配曲线见图1.试验试件通过马歇尔击实仪成型为63.5 mm高、直径101.6 mm的圆柱形试件.

表1 石灰石集料的基本性质

表2 沥青性能指标

有机温拌添加剂按沥青胶结料重量的2%加入到基质沥青中，温拌添加剂的性能见表4.钢纤维的物理性质见表5.选用纳米聚合物油作为再生剂，按RAP料中旧沥青重量的2.5%加入到预热的RPA材料中，根据实验计算得到RAP材料中旧沥青含量为5.17%.

表3 不同类型沥青混合料组成 单位：%

表4 温拌添加剂物理性能

表5 钢纤维物理性能

图1 沥青混合料集料级配设计曲线

1.3 性能测试

通过动态劈裂拉伸试验测定沥青混合料的动态回弹模量，试验温度设定为25 ℃，采用半正弦加载，加载频率为10 Hz，荷载峰值为400 N，试验开始前将试件放入(25±0.5) ℃的环境箱中恒温24 h.

沥青混合料抵抗永久变形的能力可通过动态蠕变试验进行评价.试验应力设为200 kPa，频率为0.5 Hz(加载时间0.5 s、卸载时间1.5 s)，试验温度为50 ℃，通过LVDT测量试样的永久变形.

为了评价各类沥青混合料的抗裂性能以及水稳定性，根据规范开展了常规条件下以及冻融循环条件下的间接拉伸强度试验，最后进行试验时，试验温度为25 ℃，加载速率为50.80 mm/min.记录试样破坏时的荷载峰值.为了评价各类沥青混合料的疲劳特性，根据规范开展了间接拉伸疲劳试验，试验温度为25 ℃，荷载峰值为400 kPa，加载频率为10 Hz，通过压条对试样施加半正弦的循环荷载，记录疲劳破坏时的循环加载次数.

为了评价掺入RAP材料及钢纤维后，沥青混合料是否会产生严重的飞散掉粒病害，根据规范开展了肯塔堡飞散试验.试验开始前，将试件在(20±0.5) ℃的恒温水槽中养生20 h.试验过程中，洛杉矶试验机以30～33 r/min的速度旋转300转，记录试验结束后残留试件质量.

2 试验结果与分析

2.1 动态回弹模量

根据回弹模量试验结果(见图2)，RAP的使用增强了弹性模量，这与以往研究的结果一致.含RAP的沥青混合料的回弹模量远高于不含RAP的沥青混合料.在RAP材料中，由于硬化和老化沥青黏结剂的作用，使得RAP沥青混合料的回弹模量增加.同样，添加钢纤维提高了沥青混合料的回弹模量，在没有RAP的情况下，在沥青混合料中添加对钢纤维会导致混合料的弹性模量显著增加.然而，对于含有RAP的沥青混合料，钢纤维对提高混合料的弹性模量的影响较小，且随着RAP值的提高，钢纤维对混合料回弹模量的提高作用越小.在没有RAP的混合料中，每添加0.06%的钢纤维，回弹模量增加约14.9%.同时，在含有50%和100%RAP的沥青混合料中，在相同的钢纤维用量下，弹性模量增加了约3.1%.

图2 沥青混合料回弹模量试验结果

2.2 动态蠕变

动态蠕变试验结果见图3.结果表明：RAP材料的添加使混合料流变次数有了极大的增加，同时，混合料抵抗变形的能力也相应提高.含100%RAP的沥青混合料的流变次数远高于其他混合料.由100%RAP材料成型的沥青沥青混合料的流变次数远高于其他类型沥青混合料.这是因为在RAP材料中存在着老化的沥青，这使得它与用原始沥青黏结剂成型的混合料相比更硬.同样，钢纤维的添加也提高了混合料的流变次数，在含有50%和100%RAP的沥青沥青混合料中加入钢纤维，混合料流变次数显著增加.每添加0.06%的钢纤维，未添加RAP的沥青混合料、含有50%以及100%RAP的沥青混合料，其流变次数分别增加约16.4%、37.5%和29.6%.

图3 沥青混合料动态蠕变试验结果

2.3 间接抗拉强度及水稳定性

沥青混合料的水稳定性可通过冻融循环试样与正常条件下的试样的劈裂抗拉强度来评价，所有样品的劈裂抗拉强度(ITS)见图4.RAP和钢纤维的加入提高了冻融循环前后试样的间接抗拉强度.这是因为RAP材料中存在着可提高沥青混合料的整体刚度的硬沥青.含RAP的沥青混合料的水稳定性会受到各种因素的影响，如再生剂的类型、沥青的性能，以及RAP材料中沥青的含量的影响.在本研究中，RAP的加入使得试样的TSR(冻融循环试件与正常试件劈裂强度之比)值有所下降(见图5)，这可能是受再生剂的影响所致.加入0.06%的钢纤维提高了沥青混合料的水稳定性，提高了样品的TSR值.根据标准，TSR值高于80%的沥青混合料水稳定性是合格的.

图4 沥青混合料间接抗拉强度

图5 各类沥青混合料冻融循环前后间接抗拉强度之比

2.4 间接拉伸疲劳寿命

图6为所有类型沥青混合料的间接拉伸疲劳试验结果.加入RAP降低了沥青混合料的疲劳寿命.这是由于RAP材料中老化沥青的影响，使沥青混合料变硬脆.含100%RAP的沥青混合料的疲劳寿命远低于其他混合料.而钢纤维能够增加沥青混合料的疲劳寿命，因为钢纤维可以分担沥青混合料中产生的应力，防止裂缝的产生和扩展，进而提高了沥青混合料的抗拉能力.RAP值越高，钢纤维对沥青混合料疲劳寿命的提高就越小.在无RAP的沥青混合料中，钢纤维显著提高了沥青混合料的疲劳寿命.每加入0.06%的钢纤维，未添加RAP的沥青混合料、含50%,以及100%RAP的沥青混合料的疲劳寿命平均分别增加了约11.8%、5.5%和4.4%.

图6 各类沥青混合料的疲劳寿命

2.5 抗飞散性

图7为所有类型沥青混合料的肯塔堡飞散试验结果.随着RAP材料掺量的增加，沥青混合料飞散损失随之增加，这是由于RAP材料中含有老化沥青，降低了沥青混合料黏结能力.HS型沥青混合料比VS型沥青混合料的分散损失平均高1.78%，RS型沥青混合料比HS型沥青混合料的分散损失平均高2.69%.在沥青混合料中加入钢纤维提高了沥青混合料的模量、疲劳寿命等力学性能，同时也稍微增加了沥青混合料的飞散损失，这是因为钢纤维本身并不能作为一种胶结剂，不能提供黏结力.VS型以及HS型沥青混合料的飞散损失率均在10%以下，这是可以接受的.

图7 肯塔堡飞散试验结果

3 结 论

1) 使用RAP可大大提高沥青混合料回弹模量.此外，在沥青混合料中加入钢纤维亦可提高混合料的回弹模量.在不含RAP的沥青混合料和含有50%和100%RAP的沥青混合料中，每添加0.06%的钢纤维，回弹模量值分别上升约14.9%、3.1%和3.1%.

2) 加入RAP后，TSR值略有降低，但加入0.06%钢纤维后，试样TSR值有所增加，沥青混合料的水稳定性提高.

3) 加入RAP后，沥青混合料流变次数显著增加.此外，钢纤维能够提高沥青混合料抗永久变形的能力.在不含RAP的混合料、含有50%和100%RAP的混合料中，每添加0.06%的钢纤维，流变次数分别增加了16.4%、37.5%和29.6%.

4) RAP降低了沥青混合料的疲劳寿命.钢纤维能够提高混合料的疲劳寿命，并在含有50%RAP的沥青混合料中加入钢纤维后，得到了具有合适疲劳寿命的沥青混合料.在不含RAP的沥青混合料中、含有50%和100%RAP的沥青混合料，每添加0.06%的钢纤维，疲劳寿命分别增加11.8%、5.5%和4.4%.

5) 加入RAP增大了沥青混合料的飞散损失.HS型沥青混合料比VS型沥青混合料的分散损失平均高1.78%，RS型沥青混合料比HS型沥青混合料的分散损失平均高2.69%，此外掺入钢纤维也稍微增大了混合料的飞散损失，其中掺入0.06%钢纤维与不掺入钢纤维的沥青混合料肯塔堡飞散试验结果相差极小.

6) 加入RAP后，使得沥青混合料的回弹模量和抗永久变形的能力增加.然而，RAP的加入降低了混合料的疲劳寿命降低，这可能是由于沥青混合料的刚度增加所致.同样，在沥青混合料中加入钢纤维会提高混合料的疲劳寿命，这可以通过加入钢纤维的混合料具有更强的抗拉强度和柔韧性来解释.随着RAP用量的增加，沥青混合料的回弹模量及抗变形能力也随之增大，但考虑到含有100%RAP的混合料疲劳寿命的急剧减小，使用含50%RAP的混合料似乎更合理.此外，对于含有50%RAP的沥青混合料的TSR值，可通过加入0.06%的钢纤维为沥青混合料提供更加理想的力学性能.