冻融循环下再生沥青混合料的低温性能

周纹汉，刘忠根，许西淼，张 贺

（1：吉林建筑大学，吉林 长春 130118，2：中国建筑第八工程局有限公司青岛分公司，山东 青岛 250000，3：中国建筑第八工程局有限公司华北分公司，天津 300000）

近年来，我国的道路建设发展迅速，道路网已经逐渐完善。早期建设的沥青路面在使用过程中由于车辆荷载和自然环境因素的作用，导致沥青路面出现车辙、松散、裂缝等病害。沥青路面的翻修产生大量的沥青路面旧料（RAP）。沥青路面再生技术具有节约成本、有效利用资源、保护环境等优点，在公路工程中得到了广泛应用。与此同时，因为再生沥青路面中RAP 材料使用量的增加，再生沥青路面的长期使用性能受到越来越多人的重视[1]。

再生沥青混合料与传统热拌沥青混合料相比，其模量更大，具备更好的高温稳定性。但是随着RAP 掺量增加，再生沥青混合料的疲劳性能和低温抗裂性低于传统热拌沥青混合料[2-9]，这是由于RAP材料中沥青老化脆性降低，且施工温度过高，在拌合运输过程中发生沥青再次老化和RAP 材料的二次老化。周洲[10]通过半圆弯曲疲劳试验评价了不同RAP 掺量再生沥青混合料的低温性能。试验结果表明：为保证再生沥青路面的使用性能，RAP 掺量应≤35%。张科等[11]通过四点弯曲和APA 疲劳试验，验证了不同RAP 掺量对热再生沥青混合料的耐久性能的影响规律。研究结果表明：RAP 的掺量控制在≤30%，能够确保再生沥青路面的使用性能。通过文献[2]得出结论，室内试验对沥青混合料的研究与路面实际使用过程存在较大差异，目前对再生沥青混合料低温性能的研究主要从静态试验和动态试验进行分析。本文通过冻融循环模拟冬季温度变化对路面低温性能的影响，进行静态的低温劈裂试验及在低温条件下进行再生沥青混合料动态间接拉伸试验。通过劈裂强度和间接拉伸回弹模量反映再生沥青混合料低温性能，以期为再生沥青混合料低温耐久性能的研究提供参考。

1 试验原料性能

1.1 沥青性能指标

本研究所使用的新沥青为辽宁省盘锦市的90#基质沥青，RAP 材料为吉林省长榆高速公路养护回收的上面层材料。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011）中T 0604，T 0605，T 0606，T 0625 的试验规程，对新沥青的性能指标进行检测，试验结果见表1。对RAP 材料进行抽提、蒸馏、筛分检测沥青含量和集料级配，回收沥青性能指标（145 ℃时黏度）是按照《公路沥青路面施工设计规范》中压实沥青的黏度确定的，见表2。

表1 基质沥青指标

表2 回收沥青指标

通过回收沥青指标可以看出，其针入度降低，延度变小，软化点增大，黏度增大，沥青总体变硬，整体塑性下降，延展性变差。这是因为经过长期的使用，沥青受到自然环境的影响，旧沥青自身组分发生了分解、氧化等反应导致沥青逐渐失去粘弹性，使其本身变硬、变脆。回收沥青针入度平均为3.9 mm，根据《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）附录D 厂拌热再生沥青混合料配合比设计方法，当回收沥青针入度（25 ℃）＞3.0 mm 时，RAP 掺量可以＞30%。根据新旧沥青调和法则确定再生沥青标号。按照RAP 掺量30%的配合比率进行新旧沥青调和试验。得到再生沥青针入度为6.94 mm，满足再生沥青针入度要求。

1.2 集料性能指标

沥青混合料所用的集料多数就近取材。主要由当地天然岩石破碎形成，沥青混合料集料包括花岗岩、玄武岩、石灰岩、安山岩等。本研究所用粗细集料均为玄武岩，玄武岩具有抗压强度大、吸水率低、沥青粘附性强等优点。根据《公路工程集料试验规程》（JTG E 42—2005）中粗细集料的试验检测要求，需要对粗集料的压碎值、吸水率和针片状含量进行试验，对细集料的含泥量、砂当量和棱角性进行试验，粗细集料的试验结果和技术指标见表3～表4。

表3 粗集料技术指标%

表4 细集料技术指标

1.3 配合比设计

通过对RAP 材料的集料进行筛分试验得出RAP 材料为AC-16 级配。本文选取AC-16 的中值作为目标级配，采用传统的马歇尔设计方法进行配合比设计，密级配沥青混合料空隙率控制在4%左右，通过空隙率、稳定度、流值确定再生沥青混合料的最佳油石比指标。通过马歇尔设计试验结果得出RAP 掺量为0%，10%，20%，30%掺量下的最佳沥青用量，试验结果见表5。

表5 不同掺量的最佳沥青用量

2 冻融循环下再生沥青混合料的低温性能

2.1 冻融循环方法

目前关于冻融循环的试验方法各有不同，侯曙光等[4]设计冻融循环为8 h，将试件放在真空为98.3 kPa 的环境中保持15 min，之后将试件放在常温水槽中1 h，试件吸水饱和后，用保鲜膜包裹放入-18℃的低温箱中4 h，拿出将试件放入常温水槽中，融化不低于4 h。减少了冻融循环时间的同时增加了冻融循环次数（24 次）。

本文根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011）中“沥青混合料的冻融劈裂试验”的冻融方法：按照T 0702 方法制备圆柱体试件。试件规格满足直径101.6 mm±0.25 mm，高63.5 mm±1.3 mm 的试验要求。将试件抽真空后，放入常温水中吸水饱和，之后将试件放入盛有10 ml 水的塑料袋中，放入-18 ℃的低温箱中冷却16 h。取出试件后放入60 ℃的恒温水槽中保温24 h。以此为一个循环，之后进行沥青混合料低温性能试验。

2.2 低温劈裂试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011）中T 0716—2011 沥青混合料劈裂试验规程进行试验，低温劈裂测定沥青混合料处于弹性状态时的低温抗裂性能以及静态力学性质。设定试验温度为-10 ℃，加载速率设定1 mm/min。试件的劈裂强度计算公式如下：

式（1）～式（3）中：RT为劈裂抗拉强度，MPa；PT为荷载最大值，N；h 为试件高度，mm；εT为破坏拉伸应变；μ 为泊松比，取0.25；XT为试件水平方向总变形，mm；YT为试件垂直方向总变形，mm。

2.3 间接拉伸试验

间接拉伸试验是美国AASTO 提出的试验方法，通过循环荷载，模拟实际路面的受力过程。通过对圆柱体试件轴向施加循环荷载，得出混合料的水平位移变形、垂直位移变形、泊松比。

式（4）～式（5）中：XT为试件水平变形，mm；μ 为泊松比，取0.25；YT为试件垂直变形，mm；E 为回弹模量，MPa；P 为施加荷载，N；t 为试件高度，mm。

通过式(4)～式（5）计算间接拉伸回弹模量。本文主要研究再生沥青混合料在低温条件下的间接拉伸回弹模量，设定试验温度-10 ℃。试验采用多功能路面材料试验仪（DTS-30）。在进行试验之前，将试件放入-10 ℃的低温箱中保存，温度控制在-10 ℃±0.5 ℃。将试件用夹具固定，安装传感器位置，调节试验参数后开始试验。

3 试验结果分析

3.1 不同RAP 掺量劈裂破坏强度试验结果

不同RAP 掺量劈裂破坏强度见表6，当冻融循环次数为0 时，劈裂强度随着RAP 掺量逐渐减小。当冻融循环次数为6，9，12 次时，再生沥青混合料的低温劈裂强度没有表现出递增或递减的单一变化，这是因为再生沥青混合料经过冻融循环之后沥青变硬变脆的程度不一，导致劈裂强度没有呈现规律性变化。应用低温劈裂评价冻融循环后再生沥青混合料的低温性能存在问题。

表6 不同RAP 掺量劈裂破坏强度的试验结果

3.2 不同RAP 掺量间接拉伸回弹模量

通过表7 可以看出，冻融循环次数越大，再生沥青混合料的间接拉伸回弹模量越大。经过12 次冻融循环之后，不同RAP 掺量间接拉伸回弹模量增长量分别为1 851 MPa，1 946.9 MPa，2 361.4 MPa，2 777.2 MPa，其间接拉伸回弹模量随着冻融次数的增加而增加。RAP 掺量越高，间接拉伸回弹模量增长量越大，这是由于经过冻融循环后，RAP 掺量高的沥青混合料中沥青变硬变脆，沥青混合料发生温缩反应，导致模量增长变大。

表7 不同RAP 掺量间接拉伸回弹模量的试验结果

相同冻融次数，不同RAP 掺量下的再生沥青混合料的间接拉伸回弹模量也逐渐增大。以6 次冻融循环为例：不同掺量的下增长量分别为450.6 MPa，741.2 MPa，1 012.2 MPa。这是因为冻融循环条件下，随着RAP 掺量的增加，老化沥青增多，与新沥青调和后的再生沥青黏度降低，与集料的粘附性变差，再生沥青混合低温下更容易出现破坏，所以导致回弹模量增大。

4 结语

1）采用低温劈裂试验评价冻融循环后再生沥青混合料的低温性能时，其低温劈裂强度没有呈现规律性变化，应用低温劈裂试验评价冻融循环后其低温性能有待进一步讨论。

2）采用间接拉伸回弹模量试验测试方法，通过试验结果分析，旧料掺量越多，再生沥青混合料的低温回弹模量越大。低温抗裂性能变差。回弹模量呈规律性变化，通过间接拉伸试验分析冻融循环后再生沥青混合料的低温性能可行。

3）分析对比低温劈裂试验和间接拉伸试验，低温劈裂试验的加载方式为固定速率的恒定荷载，路面在使用过程中为动态荷载，不能反映道路实际工作状态。间接拉伸试验的加载方式为循环荷载，在一定程度上能够模拟路面的使用过程，能够为再生沥青路面低温性能评价提供参考。

4）在实际再生沥青路面工程中，由于各地区RAP 材料有所不同、环境差异较大。在进行低温性能评价时，应该灵活更改RAP 掺量、试验温度、冻融循环次数等，从而对实际路面工程的低温性能进行更准确的预测。