高旧料掺量下平衡设计法与马歇尔设计法对比

王珊珊, 苏刚, 张文武, 周海防*, 肖庆一, 龚芳媛,4

(1.山东高速集团有限公司, 济南 250000; 2. 山东高速路用新材料技术有限公司, 济南 250000;3. 河北工业大学土木与交通学院, 天津 300401; 4. 河北工业大学天津市装配式建筑与智能建造重点实验室, 天津 300401)

就地热再生技术的经济与环境效益是路面热再生技术类型中最明显的,但因旧料(reclaimed asphalt pavement,RAP)的掺入比例较高,导致混合料低温性能很难达到规范要求,路面也因开裂严重导致耐久性较差[1-3]。仰建岗等[4]通过非线性模型表征碾压温度、混合料级配、再生剂用量3种因素与马歇尔试验指标的影响程度。表明沥青混合料的配合比设计是决定沥青混合料性能的关键要素之一。

现阶段中国在就地热再生技术中所用设计法通常是马歇尔设计法,但指标体系与混合料的路用性能联系性较差[5],因此很难适用于RAP掺入量较大的就地热再生沥青混合料[6-7]。田维东[8]对3种RAP掺量下的就地热再生料应用了马歇尔设计法,发现RAP掺量为80%时不能满足水稳定性以及低温性能要求,仅高温指标满足规范要求。黄艳[9]在SMA-13的就地热再生路面采用马歇尔设计法,试验表明混合料的高温性能与防渗水性能较好,低温与水稳定性能较差,说明马歇尔设计法对低温性能的关注太低,导致路面摊铺后期易开裂的风险较高。因而高RAP含量下的就地热再生沥青混合料配合比设计尤其要注意抗开裂性能是否达到标准。

平衡设计法虽然发展历史较短,但其更侧重抗开裂性能,能够有效降低高RAP掺量给混合料低温性能造成的不利影响。Zhou等[10]首次将平衡设计法应用于热再生沥青混合料,表明平衡设计法可以改善沥青混合料的低温性能;2018年,美国国家公路合作研究计划(National Cooperative Highway Research Program,NCHRP)归纳整理了平衡设计法的设计思路框架,将平衡设计法分成3种类型[11]。张恒[12]将平衡设计法应用于厂拌热再生沥青混合料,并对设计出的平衡混合料进行了性能研究。黄玉颖[13]以北京市东三环大修工程为依据,将道路需求权重系数应用于平衡设计法,并基于道路需求权重对上、中面层材料进行了评价比选,试验表明平衡设计法可以达到延长路面使用年限和路用性能的目的,增添了平衡设计法的扩展应用成果。吕国栋[14]将平衡设计法应用于GAC-25再生沥青混合料的设计,试验表明50%为RAP试验掺量范围中的最佳RAP掺量。吕正龙等[15]对平衡设计法的基本设计流程与发展趋势进行了综述。

配合比设计法对比方面,纪伟等[16]对比了Superpave法和马歇尔设计法,通过最佳油石比、毛体积密度等指标的不同,得出Superpave法设计出的混合料在高温性能上优于马歇尔混合料,两者的低温性能较为相似。左锋等[17]以马歇尔设计法为基础,探究了RAP掺量对再生沥青混合料的性能影响,得出RAP在试验掺量范围内能有效增加沥青混合料的高温、疲劳与水稳定性能,但对抗开裂性能有不利影响。

马歇尔设计法不能保证就地热再生路面材料良好的抗开裂性能,导致耐久性较差;平衡设计法促进了混合料高低温性能的平衡,显著提升材料的抗开裂性能,理论上平衡设计法与就地热再生工艺的适配性较高。现有研究成果尚未涉及平衡设计法应用于就地热再生沥青混合料的配合比设计以及与马歇尔设计法的性能对比。

基于此,现以AC-16C型热再生沥青混合料为研究对象,通过多项室内试验综合研究平衡设计法和马歇尔方法对3种RAP掺量的高RAP掺量热再生沥青混合料设计的影响。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验材料

1.1.1 RAP料

RAP料来自天津某高速公路中面层服役5年以上的刨铣料,旧料级配如图1所示,旧沥青通过阿布森法收集,旧沥青含量为3.02%,旧集料性能如表1所示。

表1 旧集料技术性能试验结果Table 1 Technical performance test results of old aggregates

图1 RAP料中集料级配Fig.1 Gradation of RAP

RAP集料级配较细且残余沥青含量低,集料老化严重,但粗集料性能满足规范要求。

1.1.2 新集料与矿粉

采用石灰岩新集料,各档集料的筛分情况如表2所示,性能指标均满足规范要求。

表2 各档集料筛分情况Table 2 Screening results of aggregate in each stage

1.1.3 新旧沥青与再生剂

采用70#A级沥青与自制再生剂,新旧沥青与再生剂的技术性能如表3、表4所示。可以看出,旧沥青性能较差,再生剂性能指标满足要求。

表3 新旧沥青试验结果与技术要求Table 3 New and old asphalt test results and technical requirements

表4 再生剂性能试验结果Table 4 Performance test results of regenerant

1.2 试验方案

以平衡设计法和马歇尔设计法对RAP掺量为60%、70%、80%的就地热再生沥青混合料进行配合比设计,最佳再生剂掺量和设计级配相同,对两种混合料进行性能试验对比分析,研究不同最佳沥青用量对各RAP掺量下热再生材料性能产生的影响,分析两种设计法在就地热再生技术领域的适用性。

2 级配设计与最佳再生剂确定

马歇尔设计法与平衡设计法的对比集中于最佳沥青含量,因此对矿料级配设计、最佳再生剂掺量进行统一。

2.1 矿料级配设计

以AC-16C为级配类型进行设计,合成级配曲线如图2所示。可以看出,各RAP掺量下的混合料合成级配大体相同,接近级配中值曲线。

图2 各RAP掺量下的AC-16C沥青混合料级配图Fig.2 AC-16C asphalt mixture gradation diagram under each RAP content

2.2 确定最佳再生剂掺量

以再生剂掺入比3%、5%、7%、9%、11%、13%对旧沥青进行再生,测定DSR试验的车辙因子(G*/sinδ) 以及BBR试验的S值与m值,试验确定短期老化后10%再生剂掺量的再生沥青高温性能与原旧沥青接近,低温性能与70#新沥青的性能接近,因此选用10%作为最佳再生剂掺量。最佳再生沥青的性能测试结果如表5所示。

表5 最佳再生沥青性能检测结果Table 5 Best recycled asphalt performance test results

通过沥青性能指标得出,最佳再生沥青常规指标能够得到恢复;PG等级为76-16,PG高温与PG中温均优于70#沥青,PG低温接近70#沥青。综上,10%再生剂掺量满足再生沥青性能与经济要求。

3 最佳沥青含量确定

3.1 平衡设计法

AC-16C型普通热拌沥青混合料中面层沥青含量经验值在4.2%左右。以4.2%作为初始沥青含量值,设定3.2%、3.7%、4.2%、4.7%、5.2%共5种沥青含量下成型平衡混合料试件与马歇尔试件,确定最佳沥青含量。

3.1.1 高温性能试验

平衡设计法通过汉堡车辙试验(HWTT试验)。参照张恒[12]对汉堡车辙试验指标的研究成果,选择高温性能的标准为往返次数10 000次时车辙深度12.5 mm。

将3种RAP掺量、5种沥青用量下制定的15组HWTT试件进行50℃浸水汉堡车辙试验,记录试验终止时的试件车辙深度,以两次重复试验平均值作为最终结果。实际试验过程中发现,大部分试验组中未出现剥落点,故判断较高RAP掺量的再生沥青混合料均有更好的水稳定性,决定以再生混合料的高低温性能确定最佳沥青用量,以冻融劈裂试验对最佳再生沥青混合料进行水稳定性试验,HWTT试验数据图如图3所示。

图3 HWTT试验数据图Fig.3 HWTT test data graph

可以看出,随着沥青含量提高,车辙深度呈现先下降再上升的变化趋势。可能是RAP料占总集料的比例过大,当沥青含量较低时,新加沥青太少,RAP与新集料的界面黏结状态较差,影响了抗车辙性能;当沥青含量上升到一定程度,旧沥青含量越来越少,加上沥青总含量的提升,影响了沥青混合料新旧混溶沥青中沥青质的含量,结构稳定性明显下降,内部集料成悬浮密实状态,抗压能力越来越差,表现为抗车辙性能逐步降低。

在沥青含量5.2%时,70%RAP掺量的再生混合料高温性能弱于80%RAP掺量与60%RAP掺量的,可能是60%RAP掺量的再生沥青混合料具备的新沥青较多,能够与旧沥青进行更好的融合,故在高沥青含量下也具备较好高温性能。

3.1.2 低温性能试验

低温性能试验采用半圆弯拉试验(SCB),试件为半圆柱切片(Φ150 mm×h50 mm),凹槽开口尺寸设为深度15 mm、宽度为1.5 mm,试件如图4所示。

图4 半圆弯拉试件Fig.4 Half-circle bending test piece

通过Origin软件对SCB试验中所得的作用力-裂缝拓展曲线图进行线性拟合以及积分计算,获取断裂功,以此确定柔性指数(flexibility index,FI),计算结果如图5所示。

图5 SCB试验数据图Fig.5 SCB test data chart

同RAP掺量下,试件的沥青含量与柔性指数呈正比。说明沥青含量越大,低温状态下混合料抵抗开裂的能力更强;同沥青含量下,RAP掺量与FI成反比,说明RAP掺量的提升对材料的低温性能不利。RAP掺量越高,新旧集料与新旧沥青结合过程中的均匀性越差,内部应力过高导致试件在外部作用下更容易发生沥青融混界面的断裂等,导致低温性能变差。RAP掺量与再生料低温性能成反比,说明即使最佳再生沥青的低温性能超过新沥青,但混合料实际成型过程中,再生剂不能像室内试验那样较为充分的与旧沥青混合,导致再生剂对再生料低温性能的提升力度低于沥青含量改变对再生料低温性能的影响。

Imad 等[18]发现材料FI>4时,混合料的开裂速率下降较为明显。从SCB试验数据中,FI<4只有一个,说明该限值对低温性能的要求太低。为使平衡设计法对抗开裂性能的提升更明显,将FI指标的最低要求限度提升至8,使平衡混合料具备更好的低温性能。

3.1.3 确定最佳沥青含量

根据汉堡车辙深度<12.5 mm(沥青含量上限值)、FI>8(沥青含量下限值)的指标要求,确定了各个RAP掺量的最佳沥青含量数值范围,试验结果如表6所示。

表6 最佳沥青含量汇总表Table 6 Optimum asphalt content summary table

从表6看出,RAP掺量与最佳沥青含量呈正比,说明RAP掺量能够较为明显地影响到最佳沥青含量的确定。平衡设计法为提升再生料的低温性能,需要增加胶结料来平衡RAP中所包含的旧沥青总量增多带来的低温性能下降的影响。以水稳定性测试来检测最佳平衡混合料的水稳定性能。

3.1.4 水稳定性检测

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011),对最佳平衡混合料进行冻融劈裂试验,测定冻融劈裂强度比。

由表7可知,各RAP掺量的平衡混合料均具备较高的TSR值,说明整体水稳定性表现较好。80%RAP掺量的TSR最低,说明RAP掺量太高会对水稳定性产生不良影响。

表7 冻融劈裂试验结果Table 7 Freeze-thaw split test results

3.2 马歇尔设计法

马歇尔设计法的试验数据如表8所示。

表8 各RAP掺量下马歇尔试验结果Table 8 Marshall test results under various RAP content

可以看出,马歇尔设计法下的最佳沥青含量依旧与RAP掺量呈正相关。

4 平衡设计法与马歇尔设计法对比

4.1 基本参数对比

两种设计法基本参数的对比集中于最佳沥青用量与空隙率,将各RAP掺量的平衡混合料与马歇尔混合料成型马歇尔试件测定空隙率。对比数据如图6所示。

图6 最佳沥青含量与空隙率数据对比图Fig.6 Comparison chart of optimal asphalt content and porosity data

由图6可得,平衡混合料均比马歇尔混合料的最佳沥青含量高,且RAP掺量越高,最佳沥青含量差值越大。说明平衡设计法更能有效降低RAP掺量提升给再生料低温性能带来的不利影响。

平衡混合料空隙率高于马歇尔混合料。马歇尔设计法下各RAP掺量的空隙率均靠近4%,但平衡设计法在设计时完全基于材料高温与低温性能,空隙率并未靠近4%,仅有80%RAP掺量下空隙率接近4%,另外两个RAP掺量下空隙率保持在3.5%左右,但各RAP掺量下空隙率都在3%～6%,也表明空隙率指标具备一定科学性。

4.2 路用性能对比

4.2.1 高温性能对比

车辙试验对比结果如图7所示。

根据图7,各再生料的动稳定度均满足>1 000次/mm的要求,平衡混合料的车辙深度大于马歇尔混合料,且车辙深度均与RAP掺量成正比,说明车辙深度大小与混合料的沥青含量有直接关系。

从动稳定度看,除了80%RAP掺量下的马歇尔混合料比平衡混合料同比降低8.0%,其他两个掺量均呈现相反的情况。可能是RAP掺量较低时,沥青含量的降低会较大程度提升再生料的高温性能。80%RAP掺量下,平衡混合料增多的沥青含量使得混合料内部结构更均匀,使集料具备更稳定的空间架构,导致后期动稳定度更高。70%RAP掺量的再生料在两种设计法下表现的高温性能均最差,说明该RAP掺量下沥青混合料内部结构最为松散,混溶沥青没有很好地黏结旧集料颗粒与新集料,使结构本身的承载力较小。

4.2.2 低温抗裂性能对比

图8 应力-应变曲线示意图Fig.8 Schematic diagram of load-span deflection curve

图9 低温小梁弯曲试验数据对比图Fig.9 Comparison chart of low temperature trabecular bending test data

从图9(a)看出,各个RAP掺量上平衡混合料均比马歇尔混合料的最大弯拉应变要大,说明平衡混合料能够承受更大的变形,塑性更好;且70%RAP掺量与80%RAP掺量下马歇尔混合料不能够满足规范中最大弯拉应变>2 000 με的要求。

从图9(b)看,两种混合料并没有太大的区别。平衡混合料在低RAP掺量下的抗弯拉强度较低。从图9(c)看,平衡混合料的弯曲劲度模量均低于马歇尔混合料,主要是马歇尔混合料的最大弯拉应变的降幅过大,抗弯拉强度的变化幅度过小,导致弯曲劲度模量的提升。从图9(d)看出,同RAP掺量下,平衡混合料比马歇尔混合料弯曲应变能密度更高,说明平衡混合料吸收荷载做功的能力更强,低温性能更好。上述指标均表明,平衡混合料的低温性能在同RAP掺量下要优于马歇尔混合料,且RAP掺量越高,平衡设计法对再生沥青混合料的低温性能/优化效果越明显。

4.2.3 疲劳性能对比

RAP掺量、控制应变、试验温度等参数均会影响混合料疲劳性能[19]。疲劳试验采用三点梁弯曲试验,试验温度15℃,选用应力控制模式,荷载设置为0.2 kN,荷载频率定为10 Hz的连续式正弦波荷载。试件尺寸为250 mm×65 mm×50 mm,图10为某试件在循环荷载下跨中挠度随时间的变化趋势,蠕变斜率为试件在蠕变阶段的跨中挠度随时间的线性趋势斜率,最大弯曲应变参照低温小梁弯曲试验中对最大弯曲应变的计算方式,如式(1)所示,计算试件从开始至断裂后的弯曲应变,疲劳寿命次数通过计算试件从开始至断裂阶段的时间,参考试验荷载频率计算荷载加载循环次数,作为疲劳寿命次数,试验结果如图11所示。

图10 蠕变斜率与最大弯曲应变示意图Fig.10 Schematic diagram of creep slope and maximum bending strain

图11 三点梁弯曲试验数据对比图Fig.11 Comparison chart of three-point beam bending test data

(1)

式(1)中:εM为最大弯曲应变;h为跨中断面试件的高度,50 mm;L为试件的跨径,200 mm;d为跨中挠度,mm。

从图11(a)看出,平衡混合料比马歇尔混合料的最大弯曲应变更大,说明平衡混合料韧性与抗疲劳性能更好。从图11(b)看出,70%、80%RAP掺量下,平衡混合料的蠕变速率均比马歇尔混合料要低,说明平衡混合料在塑性阶段的抗变形能力更好,而60%RAP掺量下,平衡混合料的蠕变速率比马歇尔混合料要低。可能是马歇尔设计法比平衡设计法所设计的沥青含量较低,新沥青的含量降低,使得沥青混合料的抗变形能力增强,塑性变形阶段的试件在收到同等荷载下试件的变形幅度更小,因而具备更低的蠕变速率;70%、80%RAP掺量下,RAP料变为沥青混合料中的主导材料,平衡混合料含有更多沥青用以重整和填充沥青混合料骨架,因此蠕变速率更高。

疲劳寿命次数直观反映沥青混合料抗疲劳性能的好坏。从图11(c)看出,平衡混合料的疲劳寿命次数更高,表明抗疲劳性能更好;60%RAP掺量下虽然马歇尔混合料的蠕变斜率较小,但最大弯曲应变却比平衡混合料小,导致最终得出的疲劳寿命次数比平衡混合料低。

4.2.4 水稳定性能对比

水稳定性能检测采用冻融劈裂试验,马歇尔试验数据如图12所示。

图12 冻融劈裂试验数据对比图Fig.12 Comparison chart of freeze-thaw split test data

从TSR数值来看,两种设计法下的混合料水稳定性指标远超出规范标准(>75%),新旧沥青混合后的融混沥青具备较强的化学稳定性与防水性,RAP的掺入一定程度上提升了混合料的水稳定性。相同RAP掺量下,马歇尔混合料的TSR小于平衡混合料,且TSR差值随RAP掺量提升而逐步减小,可能是平衡混合料内部孔隙更小,使试件在冻融循环过程中减少了水分的侵入与结冰过程中内部水分的膨胀,试件受到的内部应力减小。相同RAP掺量下,马歇尔混合料的劈裂强度要高于平衡混合料。

平衡设计法改变了融混沥青的新旧沥青比例,使旧沥青比例有所下降,增强了融混沥青对混合料骨架的黏结性,使平衡混合料比马歇尔混合料的结构稳定性更强。

5 结论

通过高RAP掺量下平衡混合料与马歇尔混合料的性能比对试验,得出以下结论。

(1)平衡设计法的新加沥青用量要高,平衡混合料低于4%最佳空隙率,说明平衡设计法基于混合料性能对配合比进行设计的结果不同于传统混合料经验性的认知。

(2)根据车辙试验可知,两种混合料均满足动稳定度均满足>1 000次/mm的标准,平衡混合料的高温性能整体上比马歇尔混合料差;RAP掺量越高,平衡混合料的抗车辙性能越接近甚至超过马歇尔混合料。

(3)根据低温小梁弯曲试验可知,平衡混合料均能满足最大弯拉应变>2 000 με的要求,但马歇尔设计法在70%与80%RAP掺量下不达标;平衡混合料的弯曲劲度模量更低,但弯曲应变能密度更高。

(4)根据三点梁弯曲试验可知,平衡混合料的韧性高于马歇尔设计法,在塑性阶段的抗变形能力更好。疲劳寿命次数数据表明平衡混合料对周期性荷载的承载能力高于马歇尔混合料,且RAP掺量越高,平衡设计法对比马歇尔设计法的疲劳性能优势越明显。

(5)根据冻融劈裂试验可知,平衡混合料的水稳性能强于马歇尔混合料,但刚度与硬度弱。

(6)综合各项性能试验,可以看出平衡设计法在RAP掺量60%～80%范围内,相对于马歇尔设计法能够提升沥青混合料的低温性能、疲劳性能与水稳定性能,降低混合料的高温性能。平衡设计法对高温性能的不利影响会随着RAP掺量的升高而不断削弱,体现了平衡设计法对沥青混合料各性能间的平衡。

就地热再生沥青混合料所用工程偏向于低交通量的路段,对道路材料极限承载力的要求会低于正常路段,若想提升就地热再生路面的使用年限,道路材料的抗裂性能与疲劳性能重要性更高,因此平衡设计法比马歇尔设计法更适用于高RAP掺量的就地热再生技术。