热再生沥青混合料的抗车辙性能研究*

文元勇，李 舒，王高新

(1 云南交投集团投资有限公司，云南 昆明 650000； 2 清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230071；3 中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

据国际能源署（IEA）统计，2020年全球碳排放交通运输业占比26%，我国土建材料已成为能源和水资源之后新的战略资源。公路建设面临着生态文明和碳达峰的双重压力。沥青路面再生技术因其能实现废旧材料的循环再生利用，是一种资源节约、节能减排的绿色养护技术，是未来养护技术的发展必然方向，也是“双碳”战略下必须面对的重要课题。目前，热再生混凝土的研究成果有许多，主要集中在不同种类再生剂、RAP级配和沥青性质对混凝土性能的影响方面，如抗水损、抗疲劳性能[1-3]。但是关于热再生的施工环境和条件对热再生混凝土性能的影响程度关注较少。通过云南省数字交通重点实验室和高速公路隧道智慧化、无人化的路面性能监测研究中发现，从材料和施工多因素共同考虑热再生沥青路面抗车辙能力的研究更少。路面车辙的影响因素较为复杂，既包括材料本身的原材料性质、配合比，也包括外界的环境温度、荷载条件等因素[4-6]。从沥青混凝土的材料方面，研究表明向下的车辙是由骨料的向下和横向运动引起的，而驼峰是由集料的向上和横向运动引起的，沥青混凝土的种类、沥青的性质和级配对骨料的移动有显著的影响[7-11]。在此基础上，Ling等通过骨料接触力学的建模得到了相似的结论[12]。从实际路面的行车荷载方面，Zhao等人在沥青路面现场取芯的基础上，分析道路年龄和等效单轴载荷（ESAL）的累积数量都可能影响永久变形性能[13]。Liu等也基于重复荷载的角度考虑沥青路面的抗车辙性能，并提出将残余应变比作为不受骨料结构影响的评价指标[14]。在此基础上，路面结构以及在使用前后的环境条件如温度与荷载，也发挥着重要的作用，然而在实际工程中，热再生混凝土的设计与路面的施工会过分地依赖规范或者工程经验，并没有将二者进行统一平衡，所以经常出现过早的车辙病害。

为了研究不同因素对热再生沥青路面抗车辙性能的影响规律及程度，从设计和施工角度提出改进的建议，本文依据沥青路面抗车辙的路用性能需求，通过车辙试验，研究热再生沥青混凝土的材料特性和施工条件，如沥青软化点及用量、RAP掺量、集料级配、压实度和荷载以及层厚等因素对路面高温稳定性的影响。

1 原材料与设计

1.1 沥青

沥青种类的选取对沥青路面的性能至关重要。试验选用的沥青是SBS Ⅰ-C改性沥青。其主要技术指标试验结果见表1，均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）[15]要求。

表1 SBS I-C改性沥青技术性能Table 1 Technical performance of SBS I-C modified asphalt

1.2 集料及矿粉

集料的选择需要考虑棱角性、压碎值及磨耗值等，优选质地坚硬、表面粗糙且多棱角的集料，同时应该确保矿粉的洁净与干燥无结团。试验选用的集料和矿粉均为玄武岩，原材料性能均满足规范要求[15]。

1.3 级配设计

现阶段在我国沥青路面面层中大多采用密级配沥青混凝土。试验中集料的级配设计如图1所示，符合规范中AC-13沥青混凝土的级配范围[15]，并接近级配中值。

图1 沥青混凝土的级配曲线Fig. 1 Grading curve of asphalt mixture

1.4 RAP

为了控制沥青的老化程度，通过实验室中加速长期老化的方法获得模拟RAP。原材料选用70#基质沥青，技术性能见表2。集料、矿粉以及级配的选择见图1。采用4%的沥青含量来制备热拌沥青混凝土。参考《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》（JTG E20-2011）[16]中热拌沥青混凝土的加速老化试验方法，将沥青混凝土在松散状态下均匀摊铺在搪瓷盘中，放入135±3 ℃的烘箱中在强制通风的条件下连续加热4h±5min。

表2 70#基质沥青技术性能Table 2 Technical performance of 70# base asphalt

在此基础上，模拟长期老化需要将混凝土制成试件后放在85±3 ℃烘箱中连续加热120±0.5 h。由此获得的RAP中老化沥青性质与实际现场回收的RAP接近[17]，见表3，满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）[18]要求。

表3 RAP技术性能Table 3 Technical performance of RAP

在选择20% RAP掺量和图1所示的级配设计基础上，按标准马歇尔方法成型试件[16]，确定混凝土的最佳油石比为4.3%，试验结果见表4，满足规范要求[15]。

表4 20% RAP掺量的SBS改性沥青混凝土 AC-13级配 马歇尔试验结果Table 4 Results of marshall tests of SBS modified asphalt mixture with 20% RAP (AC-13)

用于研究沥青混凝土高温稳定性的试验方法很多，其中车辙试验[16]模拟现场应力状态较好、设备精度要求不高并且与实际车辙深度相关性好，所以本文采用车辙试验研究热再生混凝土的高温稳定性。在20% RAP掺量和图1级配的基础上，将拌和、保温后的松散混合料倒入预制的铁板模具中，然后将模具放置在轮碾机上，轻放辗压轮，成型车辙板试件，试件的标准尺寸为300mm×300mm×50mm。沥青路面的高温抗车辙能力可以通过车辙试验得到的动稳定度（DS）和车辙深度（RD）表示。

2 热再生沥青特性对混凝土高温稳定性的影响

2.1 软化点及环境温度

沥青作为一种典型的温度敏感性材料，试验温度产生的影响非常重要。沥青软化点能够反映沥青材料的温度敏感性，因此试验分别选用SBS I-C改性沥青和70#基质沥青进行软化点与试验温度的对比。为了研究热再生沥青结合料软化点对混凝土高温稳定性的影响，在20%RAP掺量和图1的AC-13级配设计基础上，通过马歇尔试验确定混凝土的最佳油石比分别为4.3%和4.1%，制备SBS I-C改性沥青混凝土和70#基质沥青混凝土。根据沥青结合料的软化点，确定车辙试验温度，并依据JTG E20-2011进行车辙试验，结果如图2所示。

图2 不同温度下的车辙试验结果Fig. 2 Results of rutting tests under different temperatures

由图2结果可知，随着试验温度的升高，两种沥青混凝土的动稳定度下降，车辙深度增加，变化趋势基本相同。DS变化可由图2（c）三个直线段的斜率表示，其过程为由小变大、再由大变小，直观反映了沥青混凝土抗车辙性能对温度变化的敏感程度。其下降速度在沥青软化点附近最大，软化点以前次之，软化点之后最小。因此可以看出，沥青结合料软化点±3℃的范围内是沥青混凝土抗车辙性能对温度变化最敏感的温度区间。

从RD变化曲线可以得到，两种混凝土在某一温度后的RD值发生突变，而突变点正是软化点温度附近，这说明沥青结合料的软化点是影响混凝土高温稳定性的一个关键性指标。此外，SBS I-C改性沥青混凝土的抗车辙性能明显优于70#基质沥青混凝土，60℃时RD显著降低，说明沥青的种类对混凝土的高温抗车辙性能有十分重要的影响[19]。

2.2 RAP掺量

对热再生混凝土而言，RAP中的旧沥青能够较好地与新沥青融合，集料也能够相对独立地发挥骨架作用，因此级配设计采用RAP中的矿料和新矿料的合成级配。为了研究不同RAP掺量对热再生混凝土的高温抗车辙能力的影响，制备分别掺入20%、40%及60% RAP的混凝土，马歇尔试验确定最佳油石比分别为4.3%、4.3%和4.2%。车辙试验结果如图3所示。

图3 不同RAP掺量的车辙试验结果Fig. 3 Results of DS with different RAP dosages

图3规律表示RAP掺量增加，DS有明显的提升，车辙变形逐渐减小。这种现象可能与RAP中的老化沥青有关，老化沥青中的重质组分增多，沥青黏度增大，同时最佳油石比的下降也从一定程度上减少沥青感温性对车辙变形的影响，促使热再生混凝土抗永久变形的能力增强，这与图2结论一致。

2.3 集料级配

为了研究级配不同时对沥青混凝土性能的影响，在图1级配和20%RAP掺量的基础上，调整新料组成再设计2种级配进行试验对比分析。

试验基于骨架对混凝土性能的影响，考虑了贝雷法中粗细集料的分界点，认为4.75mm是粗细集料的控制筛孔[20-21]，因此为了考察骨架颗粒对沥青混凝土性能的影响，设计第一种级配C1为4.75～9.5 mm之间的粗集料含量减少，第二种级配C3为4.75～9.5 mm之间的粗集料含量增大。三种集料级配曲线如图4所示，其中C2曲线为图1级配中的合成级配曲线。

图4 三种合成级配曲线Fig. 4 Three kinds of grading curves

由图4确定的级配曲线，成型标准马歇尔试件，确定混凝土的最佳油石比分别为4.2%、4.3%及4.5%。为了对比各种级配的高温稳定性，对每种级配按照最佳沥青用量成型车辙板，车辙试验结果如图5所示。

图5 不同级配下的车辙试验结果Fig. 5 Results of rutting tests with different grading curves

由于C1与C3级配中骨架颗粒增多，所以这两种级配的动稳定度都比较高，其中C3级配是4.75～9.5 mm颗粒增多的级配，其动稳定度最高，车辙深度最小。这说明在骨架颗粒中，4.75～9.5 mm颗粒是形成骨架的主要部分，其含量有利于动稳定度的提高和抗车辙能力，这一结论与Kim在骨料尺寸对沥青路面抗车辙性能方面的研究结果一致[22]。从3种不同级配的抗车辙性能可以看出，级配对热再生沥青混凝土的高温稳定性的影响还是较大的。

2.4 沥青用量

沥青用量也是影响沥青混凝土特性的重要因素之一。在20% RAP掺量和图1的级配的基础上，混凝土的最佳油石比为4.3%，对油石比进行±0.3的调整进行车辙对比试验，结果如图6所示。

图6 不同沥青用量下的动稳定度Fig. 6 Results of DS with different asphalt dosages

图6 反映了随着沥青用量的增加，沥青混凝土的动稳定度明显下降，即高温稳定性变差。同时在最佳沥青用量的基础上，适当减少沥青用量时，可使混凝土的动稳定度明显提高。这种现象可能是RAP表面被沥青膜包裹，混凝土吸油能力变弱，随着沥青含量增加会产生较多的自由沥青。这说明马歇尔试验所确定的最佳沥青用量，并不完全对应混凝土的最佳高温稳定性。因此在实际工程中，在满足混凝土空隙率和耐久性要求的前提下，可适当降低混凝土的沥青用量，以提高其高温稳定性。

3 施工条件对混凝土高温稳定性的影响

3.1 压实度和荷载

施工中压实不足和道路使用过程中超载严重是我国沥青路面不同于其它国家的两个典型特征，同时也是影响沥青混凝土高温抗车辙性能的两个重要因素。因此需要对高温、重载以及压实不足情况下的沥青路面抗车辙性能的变化规律进行研究。

由于压实度受影响因素多，设计与实际中会出现一定差异，在此采用先成型再反算的方法研究压实度与荷载对抗车辙性能的影响。试验选用20% RAP掺量和图1级配制备SBS改性沥青混凝土。依据JTG E20-2011，调整压实荷载和碾压次数，每级荷载成型6块车辙板。在脱模后用表干法测量毛体积密度，计算压实度并在室温下自然风干后进行车辙试验。此外，考虑超载影响，在车辙试验中施加三种荷载78kg、87.5kg和102kg，对应压力分别约为0.7、0.78、0.9 MPa。动稳定度和车辙深度的变化如图7所示。

图7 不同压实度与荷载下的车辙试验结果Fig. 7 Results of rutting tests under different compactness and load

图7显示出热再生沥青混凝土的抗车辙性能与压实度具有相关性，随着压实度的增加，混凝土的抗车辙性能得到明显的提高。在标准荷载（0.7MPa）条件下，压实度增加5%（93.2%增加到98.2%），DS增加了1.4倍，相应地RD减小到原来的29%。由图7（a）可知，行车荷载增加导致DS明显下降。98%压实度下，0.9MPa行车荷载对应的动稳定度下降为0.7MPa时的70%，所以限制超载是避免沥青路面车辙病害的有效途径之一。在图7（b）中，随着压实度的减小，RD呈指数增加，故现场压实度不足时，车辙不仅是压实变形，还进一步产生了流动变形。

因此施工中应通过加强碾压来确保路面的压实度。现行规定要求压实度为100%±1%，而施工规范中为97%，存在一定差异，这将导致对沥青路面高温稳定性的误判和过高估计。综上所述，压实度和行车荷载均会影响路面的高温稳定性，因此在施工阶段控制压实度和在运营阶段控制超载都是避免早期车辙病害的必要手段。

3.2 层厚

沥青路面层厚影响着路面结构性能和混凝土内部骨架状态，也是施工中的重要控制参数。目前，现行规范规定采用5cm厚的车辙板[16]，工程中常选取沥青混凝土最大公称粒径的3倍作为层厚，以确保混凝土的骨架结构。为了研究层厚对混凝土骨架结构的影响，采用不同厚度的车辙板进行试验。

同样地，选用20% RAP掺量和图1级配制备SBS改性沥青混凝土，车辙板厚为最大公称粒径的2.5倍、3倍、4倍和5倍，即分别为3cm、4cm、5cm和6.5cm。车辙试验结果如图8所示。

图8 不同层厚的车辙试验结果Fig. 8 Results of rutting tests with different thickness

随着板厚与最大公称粒径的比值的增加，DS明显下降并没有出现最佳值，相应地车辙深度也逐渐增大。从试验结果来看，减少板厚有助于提高混凝土的动稳定度，同时预示着板厚与最大公称粒径的比值在一定程度上反映了混凝土的骨架构成状态。此外，试验结果说明规程中采用5cm的板厚并不能完全反映实际的抗车辙能力，因此实际沥青层厚度的幅度值得进行深入的研究。

4 结论

（1）沥青软化点±3℃的范围内是沥青混凝土抗车辙性能对温度变化最敏感的温度区间。

（2）RAP掺量增加，老化沥青中的重质组分增多，沥青粘黏度增大，混凝土的抗车辙能力提高。

（3）4.75～9.5 mm颗粒是形成骨架的主要部分，能够较多地承受车辆荷载，其含量的增加有利于提高路面的抗车辙能力。

（4）在实际工程满足混凝土空隙率和耐久性要求的前提下，可适当降低沥青用量提高高温稳定性。

（5） 随着压实度的减小以及行车荷载的增加，车辙深度呈指数增加，故现场压实度不足时，车辙不仅是压实变形，还进一步产生了流动变形。

（6）沥青层厚度与最大公称粒径的比值在一定程度上反映了混凝土的骨架构成状态，并与路面的抗车辙能力存在相关性。