摘要

為了研究舊料摻量對溫拌再生瀝青混合料耐久性的影響，采用凍融劈裂與水損壞敏感試驗(MIST)研究混合料抗水損害性能，采用半圓彎曲試驗研究混合料抗裂性能，采用標準貫入試驗(SPT)研究混合料動態模型變化趨勢。結果表明：隨著回收瀝青路面材料(RAP)含量的增加，水處理后瀝青混合料彈性模量比逐漸提高，水對彈性模量的衰減程度影響相對較低；混合料破壞時的耗散徐變應變能DCSEf先增加后減少，溫拌再生瀝青混合料中存在一個zui佳的RAP含量；舊料的增加在一定程度上降低了瀝青混合料的抗開裂能力，使混合料向脆化方向發展，當舊料摻量達到一定水平后，再生瀝青混凝土的抗裂性能將不再降低；同等條件下，RAP摻量越大，再生混合料動態模量越大，混合料表現出更多的剛性，更趨于脆性，隨著試驗溫度的提升，溫拌再生瀝青混合料的動態模量更多地顯現出黏彈性特征；相同RAP含量時，熱再生瀝青混合料浸水后抗變形能力、抗裂能力及動態模量均高于同等條件下的溫拌再生混合料；熱再生條件下能融化RAP料表面舊瀝青的數量比溫拌條件時多，使混合料更密實，其體積特征的變化帶來了性能的差異。

關鍵詞：道路工程 | 再生瀝青混合料 | RAP摻量 | MIST | 半圓彎曲試驗 | SPT | 耐久性

瀝青混合料作為主要的路面材料被廣泛運用，然而在運輸、生產、攤鋪過程中能源消耗大，并帶來溫室氣體排放等一系列環境問題。溫拌再生技術通過降低混合料在拌和與施工過程中的溫度來達到節能減排的效果[1]。瀝青混合料再生可大致分為：現場熱再生、現場冷再生、廠拌熱再生和廠拌冷再生[2]?，F場熱再生需要昂貴的施工機械、施工費用大、施工條件相對苛刻且ji易受天氣影響[3]；現場冷再生與廠拌熱再生一般用于路面的下層結構，回收瀝青路面材料(RAP)的價值利用率不高[4]；在傳統的再生技術中，RAP的摻量(質量分數，下同)一般不大于30％，摻量過高會導致再生劑用量過大，同時還會顯著降低再生瀝青混合料的路用性能。溫拌再生瀝青混合料在較低的溫度下生產施工，減少了瀝青的老化，同時提高了瀝青混合料的和易性，使其更加密實[5]。

中國舊瀝青路面的再生技術研究起步較晚，直到20世紀70年代才開始對舊瀝青路面再生利用技術的可行性、經濟性和實際應用進行試驗研究[6]。2000年，東南大學和常州市化工研究所合作，研制出了針對高等級瀝青路面的新型再生劑[7]；2003年在滬寧(上?！獙幉?高速公路上海段大中修工程采用了瀝青路面現場熱再生技術，其舊料的利用率達到100％[8]?！豆窞r青路面再生技術規范》(JTG F41-2008)中對舊瀝青混合料的回收處理及試驗要求、再生混合料設計及技術要求、各種再生方法的施工工藝及質量控制等進行了詳細規定。季節等采用耗散能法分析了RAP摻量、拌和方式對熱拌及溫拌再生SMA瀝青混合料疲勞性能的影響，發現其疲勞壽命與累積耗散能的關系不會隨RAP摻量、拌和方式的變化而變化，疲勞壽命與累積耗散能在雙對數坐標下，均表現出良好的線性關系[9]。楊麗英等通過瀝青路面舊料分析和再生瀝青混合料配合比設計，確定了溫、熱再生瀝青混合料的配合比，并指出在礦料合成級配基本相同的條件下，可以將舊瀝青混合料用量提高到45％，突破了熱再生技術中舊料比例不超過30％的技術難題，并采用四點彎曲試驗對再生瀝青混合料進行了疲勞性能驗證，發現溫拌再生混合料的疲勞性能明顯優于熱拌再生混合料[10]。

美國早于1915年開始對舊瀝青再生技術進行研究，但是當時處于新建公路的建設高峰期，此項技術未開展深入研究[11]。直到1973年石油危機后，這項技術才重新受到人們重視[12]。美國聯邦公路局和材料與試驗協會等經常召開有關舊瀝青路面再生利用的會議，推動了路面再生技術的發展[13]。Valdes等對RAP瀝青混合料的力學性能進行了試驗研究，評價了2種zui大集料粒徑為12和20ｍｍ的半致密混合物(分別含有40％和60％RAP，根據西班牙規范)，分析了RAP變化對再生混合物的影響，然后通過測定其剛度模量、間接抗拉強度、開裂和疲勞性能，研究了其力學性能；結果表明，通過適當表征和處理RAP儲存，通?？梢詫⒏呋厥章什牧蠐饺霝r青混合料中[14]。Zhao等通過在瀝青混合料中添加回收的再生瀝青瓦(RAS)，采用凝膠色譜儀(GPC)分析混合料中新瀝青與再生瀝青的共混效率，估計RAS黏結劑的共混效率，評價了團聚體粒徑、RAS摻量和混合時間對共混效率的影響；試驗結果表明，大分子物質含量與瀝青結合料的復合剪切模量高度相關，增加混合時間可以更好地將RAS與混合料進行共混，團聚體大小對共混效率沒有顯著影響[15]。

由于老化瀝青的存在，隨著再生瀝青混合料中舊料比例的提高，其高溫穩定性有所提高，但水穩定性和低溫抗裂性以及耐久性有不同程度的降低，而且隨著舊料摻量的升高，這種趨勢更加明顯[16]。瀝青混合料的耐久性包含材料對氣候變換和荷載重復作用的敏感性[17]。常用的試驗方法有馬歇爾殘留穩定度試驗[18]、凍融劈裂試驗[19]、疲勞試驗[20]。本文重dian采用水損壞敏感試驗(MIST)來評價溫拌再生瀝青混合料在動水壓力作用下抵抗水損害的能力，該試驗與傳統方法相比，更能模擬實際車輛荷載作用下的路面材料實際受力狀況，因而在歐美等國家得到廣泛應用。采用帶切口半圓彎曲試驗和簡單性能試驗(SPT)等方法，重dian分析舊料摻量對再生瀝青混合料水穩定性、抗裂性能及動態模量等性能的影響。

試驗材料

礦料

本文中擬采用的混合料級配為AC-25，對應采用3種粒徑D范圍的石灰巖，分別為15≤D＜25、5≤D＜15和0≤D＜5ｍｍ，礦粉為堿性的磨細石灰石粉。經檢驗，礦料的物理力學性能指標均滿足相關規范要求。

舊料

為保證再生瀝青混合料具有穩定的級配，對道路上銑刨回收的舊料，需在工廠先進行破碎處理，形成粗細2種規格，分別為15≤D＜25和0≤D＜15ｍｍ，經檢驗前者瀝青含量(質量分數，下同)為5.6％，后者瀝青含量為4.1％。經抽提后去除舊瀝青，對舊礦料進行試驗檢測，其物理力學指標均符合相關技術要求。

瀝青

采用的舊瀝青為銑刨料經瀝青分離后得到的舊瀝青，為70號瀝青，新瀝青為A-70號瀝青。舊瀝青和新瀝青主要技術指標如表1所示。

回收舊瀝青的針入度為56.8(0.1mm)，15℃延度為292.5px，呈現明顯的脆性特征，說明其老化程度較大。

溫拌劑

溫拌劑為特殊的表面活性劑材料，摻量為新瀝青用量的5％，生產時與瀝青同時添加至礦料進行混合料的拌和，可在低于熱拌瀝青溫度20℃～30℃的條件下實現良好的壓實，達到目標空隙率。

混合料組成及體積特征

參考中國相關的再生瀝青混合料組成設計方法[16-20]，對溫拌再生瀝青混合料進行了配合比設計，采用的舊料摻量分別為15％、30％、40％、50％。新瀝青的用量是參考相同礦料級配下RAP零摻量時的zui佳瀝青用量，減去舊料中的瀝青量而計算得到。為比較分析，對添加30％舊料的熱再生瀝青混合料和舊料零摻量的溫拌瀝青混合料也進行了試驗研究。表2為各種舊料摻量下的AC-25瀝青混合料的新瀝青用量、zui大理論密度及空隙率?？障堵逝c舊料摻量的關系見圖1。

由表2可以看出，隨著RAP摻量的增加，相應溫拌再生瀝青混合料的空隙率也不同程度的增長，相比0％RAP摻量的溫拌瀝青混合料，其結果尤為明顯。分析可知，RAP中用于礦料裹覆的有效瀝青相對較少，在低RAP摻量情況下，其對瀝青混合料的體積指標結果影響較小，當RAP摻量增da后，影響程度也相應增加。

當摻加30％RAP采用熱拌再生的方式成型試件，在相同新瀝青摻量、相同級配的情況下，其空隙率與溫拌再生瀝青混合料基本接近，前者為4.08％，后者為4.33％，因此，進一步證明溫拌技術可以應用于再生瀝青混合料。

傳統研究認為[21-22]，瀝青混合料空隙率越大，耐久性越差。但對于溫拌再生瀝青混合料，此規律是否適應，需進行針對性的室內試驗驗證。

舊料摻量對溫拌再生瀝青混合料耐久性的影響

水損壞敏感試驗

瀝青混合料長期在水環境條件下會發生瀝青與集料界面剝離，出現松散、表面坑槽等現象，而在交通荷載作用下，路面結構內部的水分成為有壓水，以脈沖的方式在瀝青混合料空隙中流動，而動水壓力造成的損傷將遠大于靜水狀態。

通常評價瀝青混合料水穩定性能的方法為凍融循環法[23]，將試件在一定空隙率時進行真空飽水處理，根據AASHTO規范要求，經真空飽水處理的試件其飽合度應為65％~85％。凍融循環前后的試件力學性能指標下降的比率即為評價瀝青混合料水穩定性能的指標。

為了更真實模擬水對瀝青混合料性能下降的影響，應用MIST評價動水作用下的瀝青混合料的水穩定性能。該方法可以加速模擬交通荷載作用于潮濕路面的行為。當輪胎作用于潮濕路面時，輪胎與路面之間的水分受到擠壓成為高壓有壓水，并迫使水分向路面空隙中沖刷，而當車輪駛離路面時，水分受到的壓力減小，并從路面的空隙中流出。

采用MIST模擬了上述動水條件，對瀝青混合料施加循環反復的高壓力，為了加速瀝青混合料的破壞過程，試驗溫度選擇為60℃。采用的瀝青混合料試件為直徑381px，厚度254px。試件的目標空隙率為7％，試件的毛體積密度采用ASTMD2726或AASHTOT166的方法測定。在循環過程中動水壓力在0~27.58kPa間變化，并設定循環次數為1000次。試驗設備見圖2。

采用2種方式處理：1次凍融循環與1000次動水沖刷循環。水處理后進行間接拉伸試驗(IDT)，分別計算試件的彈性模量和耗散徐變應變能(DCSE)，DCSEf為試件破壞時的耗散徐變應變能，計算結果見表3。

經過水處理后，彈性模量變化可以表征瀝青混合料在荷載作用下的抗變形能力，根據試驗結果可以看出：

(1)隨著RAP摻量的增加，水處理后瀝青混合料彈性模量比逐漸提高。RAP含量較高的情況下，再生瀝青混合料的動態模量下降水平較少，即水對動態模量的衰減程度相對較低。

(2)從相同RAP摻量的熱拌、溫拌再生瀝青混合料比較來看，熱拌再生瀝青混合料動態模量比高于溫拌再生瀝青混合料，說明熱再生瀝青混合料浸水后抗變形能力優于溫拌再生瀝青混合料。

(3)從2種不同水處理措施對瀝青混合料性能衰減情況來看，1次凍融循環對混合料造成的損傷略高于1000次動水沖刷對混合料抗變形能力下降的影響。2種不同的水處理措施均模擬了水流填充瀝青混合料空隙這一過程對瀝青結合料與集料黏結性能的影響，當車輛荷載行駛在有水路面時，路表面的地表水經歷瞬間壓縮、瞬間釋放的過程，這一過程將使瀝青混合料空隙中的水經歷膨脹、收縮的過程，造成水對集料、瀝青界面的沖刷損傷。因此2種水處理措施在一定條件下可以相互等效、轉化。

而根據試件破壞時的耗散徐變應變能DCSEf結果可以看出：

(1)隨著RAP摻量的增加，溫拌再生瀝青混合料的DCSEf先增后減，說明當RAP摻量較低時，瀝青混合料呈現較好的韌性，但當RAP摻量較高時，試件發生塑性破壞變形所需的臨界耗散徐變應變能減小，試件發生脆性開裂的可能性提高。這與試驗過程中觀測到的試件破壞趨勢一致。說明溫拌再生瀝青混合料中存在一個zui佳的RAP摻量，舊料摻量過大將導致瀝青混合料抗裂性能下降。

(2)熱拌再生瀝青混合料的DCSEf略小于溫拌再生瀝青混合料，表明溫拌再生瀝青混合料發生塑性破壞所需能量要略高于熱拌再生混合料，而兩者數值差異并不大。因此，可以認為熱拌再生瀝青混合料與溫拌再生瀝青混合料DCSEｆ基本相同。

(3)與彈性模量比相反，經1000次動水沖刷后的試件DCSEf小于1次凍融循環后的試件。雖然經1000次動水沖刷后的試件抗變形能力略優于經1次凍融循環后的試件，但正因為其較好的抗變形能力，使試件在荷載作用下能集聚更多的彈性變形能；若造成破壞時的變形能相同，則經1000次動水沖刷后試件儲存的彈性應變能大于經1次凍融循環后的試件，其DCSEf也小于1次凍融循環后的試件。

半圓彎曲切口試驗

通過對半圓試件預切口，測定試件破壞過程中產生的變形能-破壞應變能，可以計算得到用于評價混合料斷裂性能J的積分臨界值Jc，即

為了達到較為理想的結果，半圓彎曲切口試驗在25℃室溫條件下進行，以0.5mmm/min的速率進行加載，記錄荷載由0增加至峰值過程的荷載－變形曲線，并根據試驗結果計算試件單位厚度應變能。為了得到用于評價試件抗裂能力的Jc，分別采用12.5、25.4、38ｍｍ切口深度進行試驗，如圖3所示。

應變能越大，表明瀝青混合料抗疲勞開裂的能力越強。為了減少厚度對試驗結果的影響，將應變能標準化后可以得到單位厚度應變能，即試件發生破壞時外界荷載在單位長度上所做功。不同切口深度的半圓彎曲試驗結果如表4所示。

由表4可見，隨著切口深度的增加，單位長度應變能隨之降低。從RAP摻量對應變能的影響程度來看，未摻配舊料的應變能均高于相同切口深度下其他摻配舊料的混合料，舊料的增加在一定程度上降低了瀝青混合料的抗開裂能力，使混合料向脆化方向發展。

不同材料變形規律趨勢采用線性回歸得到直線的斜率即為Jc，用于評價瀝青混合料的抗裂性能，Jc越低，表明材料脆性增da，抗裂性能降低。不同舊料摻量的再生瀝青混合料Jc值如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著舊料摻量的增加，瀝青混和料Jc顯著降低，說明再生瀝青混凝土的抗裂性能降低。從熱拌混合料的對比情況來看，摻配30％舊料的熱拌再生瀝青混凝土Jc值高于同等摻量溫拌混合料，同時也略高于15％舊料摻量的溫拌再生料。由此可知，熱拌再生混合料的抗裂能力高于同等條件下的溫拌再生混合料。這可能是因為熱拌再生瀝青混合料的溫度較高，因此其融化RAP料表面舊瀝青的數量比溫拌條件時多，因而使新舊瀝青混溶均勻程度提高，同時提高了其抗裂性能。

溫拌再生瀝青混合料SPT

利用SPT簡單性能試驗儀，測試溫拌再生瀝青混合料的動態模量，評價其抗永久變形能力。SPT包括3個瀝青混合料試驗：靜態蠕變，重復荷載及動態模量試驗。

本文采用**公司生產的SPT儀器，加載測試不同溫度(10℃、25℃、54℃)條件下，25、20、10、5、2、1、0.5、0.2、0.1Hz加載頻率條件下，溫拌再生瀝青混合料的動態模量。試驗結果如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著RAP摻量的增da，溫拌再生瀝青混合料的動態模量也隨之增加，在低溫(10℃)模式下，不同RAP摻量的再生瀝青混合料之間的動態模量差較大，即同等條件下，RAP摻量越大，再生混合料動態模量越大混合料表現出更多的剛性，更趨于脆性；隨著試驗溫度的提升，溫拌再生瀝青混合料的動態模量更多的顯現出黏彈性特征，隨著加載頻率的加大，動態模量的增長方式由直線逐漸轉變為拋物線形式；試驗溫度的升高，RAP摻量對溫拌再生混合料動態模量的影響程度逐漸降低。

采用熱拌再生的方式，在同等RAP料摻量(30％)的情況下，再生瀝青混合料的低溫動態模量略大于溫拌再生瀝青混合料，高溫條件下則顯著高于溫拌再生瀝青混合料。

結語

(1)舊料摻量對再生瀝青混合料空隙率影響較大，相同舊料摻量的溫拌和熱拌再生瀝青混合料的空隙率也不一樣，說明舊料摻量和拌和工藝都會導致體積特征的變化，而混合料的耐久性往往與其空隙率相關性較大。

(2)凍融循環和MIST處理后對混合料進行的彈性模量和耗散徐變應變能試驗結果表明：隨著舊料摻量增加，彈性模量比增da，水損害對抗變形能力影響減??；DCSEf先增后減，在舊料摻量較小時未影響抗裂性能，而在舊料摻量較大時抗裂能力明顯下降。

(3)SPT進一步分析了在不同溫度下材料動態模量隨舊料摻量變化，10℃和25℃情況下，動態模量隨摻量變化影響較顯著，而在高溫(54℃)條件下，混合料顯示出黏彈性特征，舊料摻量對動態模量的影響降低。

(4)相同RAP摻量下，熱再生瀝青混合料抗變形能力和抗裂能力均優于溫拌再生瀝青混合料，抗水損害性能相當，說明拌和溫度對再生瀝青混合料性能影響較大。由于溫拌劑含有表面活性劑，能提高瀝青與集料的黏附作用，因此，2種混合料對水的敏感性不顯著。

(5)本研究未深入分析溫拌再生瀝青混合料體積特征與性能的關系；其次，舊料摻量與新瀝青用量僅通過簡單的總量計算來確定，而在實際生產中，需考慮舊集料中出現未完全熔融的瀝青，實際新瀝青用量比計算瀝青用量大；另外，對于再生瀝青混合料空隙率與耐久性的規律是否與傳統瀝青混合料相符，需要后續研究確定。在生產實踐中，需針對實際環境和交通特點，并結合舊料的特性進行溫拌再生瀝青混合料的組成設計，尋找zui佳的舊料摻量，從而實現經濟效益、環境效益與路用性能及路面耐久性的zui佳平衡是下一步研究重點。

全文完 發布于《長安大學學報(自然科學版)》2018年9月

作者簡介：李達(1982-)，男，陜西綏德人

北京市道路工程質量監督站高級工程師，長安大學工學博士研究生

文章轉載于“瀝青路面”公眾號

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