張 艷，周軍偉

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 云南 昆明 650501； 2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710068)

基于SCB試驗高RAP摻量熱再生混合料低溫抗裂性能研究

張 艷1，周軍偉2

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 云南 昆明 650501； 2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710068)

為研究高RAP摻量熱再生混合料的低溫抗裂性，提高RAP的利用率，通過低溫SCB試驗研究了30%、40%、50%摻量下熱再生混凝土的低溫抗裂性，采用斷裂能、彎拉應(yīng)變等多指標(biāo)評價方法研究熱再生混合料的低溫性能，同時與低溫彎曲試驗進(jìn)行了對比。試驗結(jié)果表明：增大RAP摻量，熱再生混合料低溫抗裂性和低溫抗疲勞開裂性能均降低，尤其是RAP摻量超過40%后熱再生混合料低溫性能顯著降低，建議采用低溫SCB試驗評價熱再生混合料的低溫抗裂性，同時可采用橡膠粉和聚酯纖維來改善熱再生混合料低溫抗裂性，推薦了適宜的橡膠粉摻量為8%，最佳聚酯纖維摻量為3%。

道路工程； 熱再生混合料； 低溫抗裂性； 低溫疲勞開裂性能

0 引言

“十二五”發(fā)展規(guī)劃確立了我國控制溫室氣體排放行動目標(biāo)(即2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%)，作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中長期規(guī)劃，要求全國公路養(yǎng)護(hù)廢舊路面材料循環(huán)利用率達(dá)到40%，國省干線公路廢舊路面材料循環(huán)利用率達(dá)到70%；高速公路廢舊路面材料循環(huán)利用率達(dá)到100%，廢舊瀝青路面材料的再生利用將會成為公路建設(shè)走可持續(xù)發(fā)展綠色公路的必由之路，其中瀝青路面熱再生技術(shù)憑借其不可替代的技術(shù)優(yōu)勢而備受關(guān)注[1-4]。但從國內(nèi)外瀝青路面熱再生瀝青混凝土研究現(xiàn)狀來看，瀝青路面回收料RAP回收利用率低(JTG F41 — 2008規(guī)定RAP摻量不宜超過30%)和熱再生混合料抗裂性能差(低溫抗裂性和抗疲勞開裂性能)是制約提高廠拌熱再生混合料適用性的主要技術(shù)瓶頸[5-8]?，F(xiàn)場鉆芯調(diào)查結(jié)果也表明，低溫開裂是瀝青路面熱再生混凝土路面破壞的主要形式，低溫抗裂性能和抗疲勞開裂性能不足嚴(yán)重影響了熱再生混合料的使用壽命，制約著RAP的回收利用率，同時限制了熱再生混合料只能用于高速公路中、下面層。目前國內(nèi)外主要通過降低RAP摻量、改善集料或瀝青品質(zhì)來減小老化瀝青對熱再生混合料路用性能的影響，或通過級配優(yōu)化設(shè)計來提高熱再生混合料密實程度，同時發(fā)揮集料嵌鎖作用[1,5-7]。值得注意的是，目前關(guān)于瀝青路面熱再生混凝土低溫方面的研究，所選用的試驗方法多為低溫小梁彎曲試驗(-10 ℃，加載速率50 mm/min)，鮮見采用多指標(biāo)評價方法研究熱再生混合料的低溫抗裂性，且國內(nèi)外一些技術(shù)人員針對熱再生混合料的改性技術(shù)開展了一系列研究，以解決熱再生混凝土路面問題低溫和疲勞開裂的性能，但效果不甚明顯，熱再生混合料低溫抗裂性能逐漸成為人們關(guān)注的焦點。本文提出采用SCB試驗評價熱再生混合料的低溫抗裂性，采用橡膠粉和聚酯纖維來提高熱再生混合料的低溫抗裂性和抗疲勞開裂性能，研究成果為熱再生混合料在國內(nèi)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料及配比

1.1 回收瀝青路面材料 RAP及混合料合成級配

RAP取自大西閻高速公路中修工程現(xiàn)場，將銑刨料運回實驗室后自然風(fēng)干[9,10]，適當(dāng)加熱后采用離心抽提方法確定瀝青用量為4.7%，舊瀝青結(jié)合料性能見表1。

1.2 基質(zhì)瀝青

通常用于熱再生混合料的結(jié)合料為90號或110號基質(zhì)瀝青，試驗時根據(jù)新舊瀝青調(diào)和法則確定新瀝青標(biāo)號，即采用lgPmix=alg(Pnew)+(1-a) lg(Pold)選擇瀝青標(biāo)號，根據(jù)再生料中瀝青的針入度Pold等于 33.7(0.1 mm)，假定新舊瀝青100%融合，新瀝青占總瀝青的的比例a取0.7，則按此公式

表1 RAP試驗檢測結(jié)果及相關(guān)技術(shù)要求Table1 RAPtestresultsandrelatedtechnicalrequirements項目試驗項目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢測結(jié)果試驗方法RAPRAP級配實測—JTGF41—2008附錄ARAP中的瀝青針入度/0．1mm>2033．1軟化點/℃實測6610℃延度/cm實測5．5抽提法，《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》RAP中的粗集料針片狀顆粒含量、壓碎值實測20．6抽提法，《公路工程集料試驗規(guī)程》

可得新瀝青的針入度為96(0.1 mm)。進(jìn)一步試驗結(jié)果表明，RAP摻量超過40%時需要摻加3%再生劑進(jìn)行雙重再生。本文選擇SK90號基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表2。

1.3 增柔性改性劑

本研究所用的B型再生劑由A — 90號新瀝青與再生劑OP — 1100原液混合配制而成，經(jīng)檢測再生劑各項技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGF41 — 2008)相關(guān)技術(shù)要求。選用的橡膠粉由子午橡膠輪胎磨制而成，膠粉細(xì)度為40目，參考已有研究成果[11]，橡膠粉摻量為2%、3%、4%(干法工藝添加，用量為混合料質(zhì)量的百分比)。纖維采用工程中常用的聚酯纖維，摻量為2%、3%、4%(占混合料質(zhì)量的百分比)[12]。

表2 SK90號基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)及要求Table2 SK90asphaltspecificationsandrequirements指標(biāo)技術(shù)要求試驗結(jié)果試驗方法針入度(25℃，100g，5s)/0．1mm80～10084．6T0604針入度指數(shù)PI-1．5～+1．0-1．35T0604密度(15℃)/(g·cm-3實測值1．030T0603延度(5cm/min，10℃)/cm≥20>100T0605軟化點(環(huán)球法)/℃≥4547．5T0606含蠟量(蒸餾法)%≤2．21．2T0615彈性恢復(fù)(25℃)/cm≥6597．7T066260℃動力粘度/Pas≥160162．8T0620 RTFOT后殘留物質(zhì)量損失/%±0．8-0．01T0609殘留針入度比/%≥5768．1T0609、T0604殘留延度(5℃)/cm≥810．7T0609、T0605

2 SBS改性熱再生混合料配合比設(shè)計

本文舊料摻配比例為除去RAP中舊瀝青之后，RAP中舊集料占舊集料加新集料綜合的百分?jǐn)?shù)，試驗研究過程中所選用的粗集料為玄武巖碎石，細(xì)集料采用機制砂，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，經(jīng)檢測其各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。根據(jù)RAP特性以及初擬的試驗?zāi)康?，確定RAP摻量為30%、40%、50%，采用工程中常用的AC — 16C試驗級配[13]，通過添加新料來實現(xiàn)目標(biāo)級配，不同RAP摻量AC — 16C型熱再生混合料的工程級配范圍見表3。

表3 不同RAP摻量AC—16C瀝青混合料的合成級配Table3 AC—16CmixturesynthesisgradationwithdifferentdosageRAP篩孔尺寸(mm)級配0%RAP30%RAP40%RAP50%RAP規(guī)范上限規(guī)范下限191001001001001001001694．595．695．296．390．810013．284．585．485．685．476929．569．869．669．469．760804．7548．548．848．749．834622．3633．533．133．834．420481．1825．824．324．425．713360．616．315．116．816．69260．310．310．210．611．27180．158．67．38．79．55140．0757．26．86．25．948

按照《公路瀝青路面施工規(guī)范》馬歇爾法試驗要求成型馬歇爾試件，混合料拌合時RAP預(yù)熱溫度為110 ℃，以混合料拌合溫度170 ℃確定新集料加熱溫度，不同RAP摻量熱再生混合料的馬歇爾試驗結(jié)果見表4。

表4 不同RAP摻量AC—16C熱再生混合料馬歇爾試驗結(jié)果Table4 AC—16ChotrecycledmixturesMarshalltestresultswithdifferentdosageRAPRAP摻量/%最佳油石比/%毛體積密度/(g·cm-3)空隙率/%VMA/%VFA/%穩(wěn)定度/KN流值/mm04．632．4583．4913．7070．211．652．56304．522．4334．2013．5068．912．432．34404．382．4554．1313．4569．312．822．25504．302．4404．0513．1868．412．962．34

試驗結(jié)果表明，熱再生混合料的最佳油石比隨RAP摻量增大而逐漸減少，30%、40%、50%RAP摻量下熱再生混合料在最佳瀝青含量條件下的體積和力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。分析RAP摻量對馬歇爾試驗結(jié)果的影響，RAP材料經(jīng)車輛荷載和環(huán)境作用后，其表面都被老化瀝青裹附，相應(yīng)的吸油能力下降，RAP摻量增大時其最佳瀝青用量相應(yīng)減少，此外，對于不同RAP摻量的熱再生混合料其馬歇爾試件毛體積密度、空隙率、VMA、VFA等體積指標(biāo)變化趨勢并不穩(wěn)定，這與新舊料之間的融合程度有關(guān)。

3 熱再生混合料低溫抗裂性

國外大量研究成果指出，低溫抗裂性能不足是制約廠拌熱再生瀝青混合料適用性的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)場鉆芯調(diào)查結(jié)果表明[14]，低溫開裂是熱再生混合料早期破壞的主要形式，且微裂縫形狀包括橫向開裂、縱向開裂及這兩種裂縫的組合，低溫抗裂性能不足嚴(yán)重影響了熱再生混合料的使用壽命。目前研究方法主要有溫度應(yīng)力試驗、低溫彎曲試驗、蠕變試驗、凍斷試驗、J積分試驗等。但結(jié)合我國具體實際國情以及試驗操作的方便性，本研究采用低溫彎曲試驗和SCB試驗研究熱再生混合料的低溫抗裂性。

3.1 低溫小梁彎曲試驗

現(xiàn)行《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》采用低溫小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性，以破壞強度、破壞應(yīng)變、破壞勁度模量作為評價指標(biāo)，并按照應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，研究表明，混合料的低溫性能不僅與低溫變形能力有關(guān)，也和低溫時的溫度荷載大小有關(guān)，僅用單一的荷載指標(biāo)或者變形指標(biāo)無法全面反映瀝青混合料的低溫性能，而能量指標(biāo)可以綜合應(yīng)力和應(yīng)變兩個指標(biāo)本項目結(jié)合實際條件[15]。試驗時采用破壞應(yīng)變、破壞強度和破壞勁度模量，并結(jié)合低溫彎曲破壞時的應(yīng)變能，從而綜合評價不同RAP摻量熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性。試驗時按照J(rèn)TG E20—2011中的要求輪碾法成型車轍板，試件尺寸為30 mm×35 mm×250 mm，試驗溫度為-10 ℃，試驗時采用單點加載方式，支點間距200 mm，加載速率為50 mm/min，處理數(shù)據(jù)計算公式見式(1)～式(3)，低溫彎曲試驗結(jié)果見圖1。

(1)

(2)

(3)

式中，RB為試件破壞時的抗拉強度，MPa；Fmax為最大荷載，N；h、d、L分別為試件高、試件寬、跨徑，mm；Wf為破壞應(yīng)變能。

圖1 不同RAP摻量熱再生混合料低溫彎曲試驗結(jié)果Figure 1 Low temperature bending test results with different dosage RAP

低溫彎曲試驗結(jié)果表明， ①隨著RAP摻量增大，熱再生混合料低溫最大彎拉應(yīng)變和單位體積破壞應(yīng)變均呈二次函數(shù)關(guān)系減小，不摻加RAP，基質(zhì)瀝青混合料彎拉應(yīng)變2 957.2 με，滿足規(guī)范嚴(yán)寒區(qū)彎拉應(yīng)變大于2 600 με的技術(shù)指標(biāo)要求，30%、40%、50%RAP摻量下熱再生混合料的彎拉應(yīng)變分別為2 655.54、2 278.33、1 999.87 με，可見RAP摻量超過40%后熱再生混合料低溫抗裂性顯著降低； ②隨著RAP摻量增大，熱再生混合料抗彎拉強度和彎曲勁度模量均顯著增大，再生料的增大增加了熱再生混合料的剛性，表現(xiàn)出低溫脆性，抗裂性能降低。

3.2 低溫SCB試驗

目前大部分研究僅采用低溫彎曲試驗評價熱再生混合料低溫抗裂性，評價方法單一，本文以低溫SCB試驗評價聚酯纖維與TPS復(fù)合瀝青混合料的低溫抗裂性。借鑒相關(guān)研究成果，將不同RAP摻量的熱再生混合料成型為Φ152.4 mm，高95.3 mm馬歇爾試件，并采用芬蘭產(chǎn)雙面鋸取馬歇爾試件中部50 mm厚的圓形試件，再將其從中間對稱打開，即制得半圓彎曲試件。試驗前將試件放在恒溫環(huán)境箱中在-10 ℃下保溫4 h，試驗時采用單點加載方式，支點間距為SCB試件直徑的0.8倍，即S=0.8D，加載速率為0.5 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變，計算公式見式(4)～式(6)，以抗彎拉強度、彎拉勁度模量和抗彎拉應(yīng)變能來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果如表5所示。

(4)

(5)

(6)

式中，σmax為抗拉強度，MPa；Fmax為最大荷載，N；D為試件直徑，mm；t為試件厚度，mm；A為荷載-跨中擾度下的面積；X為隨時豎向位移；y為X荷載作用下的位移。

表5 不同RAP摻量熱再生混合料低溫SCB試驗結(jié)果Table5 HotrecycledasphaltmixtureSCBtestresultswithdifferentdosageRAPRAP摻量/%彎拉強度/MPa彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa曲線下面積/(kN·mm-1)斷裂應(yīng)變能/(kJ·m-3)010．983048．23602．136．73629．553011．332718．714167．425．43827．854011．782493．724723．874．19824．685012．161995．226094．573．21422．58

-10 ℃SCB試驗結(jié)果表明， ①與低溫彎曲試驗結(jié)果相類似，隨著RAP摻量增大熱再生混合料抗彎拉強度增大，彎曲應(yīng)變能呈二次函數(shù)關(guān)系減小，勁度模量隨RAP摻量的增大而增大，尤其是 RAP摻量超過30%后，熱再生混合料的低溫抗裂性能顯著降低，低溫抗裂性是制約熱再生混合料RAP摻量的主要因素，要提高RAP摻量需采用提高熱再生混合料低溫抗裂性的措施； ②與低溫彎曲試驗相比，低溫SCB試驗的斷裂能和破壞應(yīng)變指標(biāo)均能較好地反映出熱再生混合料的低溫抗裂性能，兩種試驗結(jié)果表現(xiàn)出了同樣的變化規(guī)律，即“隨著RAP摻量的增大，熱再生混合低溫抗裂性降低”,以此判斷，熱再生混合料的RAP摻量不宜超過30%，此外SCB試件制作簡單，試驗數(shù)據(jù)離散型小，可作為熱再生混合料低溫抗裂性的評價指標(biāo)，可采用斷裂能指標(biāo)作為其評判標(biāo)準(zhǔn)。

4 低溫預(yù)切口SCB疲勞試驗

預(yù)切口SCB試驗是在半圓彎曲試件底部切割寬度2 mm，深2 mm預(yù)留切口，以模擬裂縫已經(jīng)產(chǎn)生并繼續(xù)開展時熱再生混合料的低溫抗疲勞性能，疲勞試驗溫度為0 ℃，加載頻率為10 Hz，為了加快試驗進(jìn)度正弦波之間不插入間歇時間。加載模式為控制應(yīng)變方式，應(yīng)力水平為0.1、0.2、0.3、0.4，評價次數(shù)為疲勞次數(shù)，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 低溫預(yù)切口SCB疲勞試驗擬合結(jié)果Figure 2 Low temperature pre-incision SCB fitting fatigue test results

切口SCB試驗表征了熱再生混合料抵抗裂縫發(fā)展的能力，圖2低溫預(yù)切口SCB疲勞試驗擬合結(jié)果表明， RAP摻量由0%增加到50%，改性瀝青混合料疲勞曲線雙對數(shù)擬合結(jié)果，K值依次減小，n值依次增大，相比熱拌瀝青混合料，隨著RAP摻量越大，K值減小，尤其是RAP摻量達(dá)到50%后，疲勞曲線截距和擬合曲線斜率顯著減小。分析其主要原因可能是：RAP中舊瀝青硬度介于舊集料和新瀝青之間，或在新舊瀝青融合過程中部完全融合仍包裹在舊集料表面，當(dāng)荷載作用于熱再生混合料時，由于存在舊瀝青，在礦料與新瀝青之間就存在著一個應(yīng)力緩沖層，應(yīng)力緩沖層的存在起到了緩沖、卸荷的作用，這有利于提高熱再生混合料的疲勞壽命，此外， RAP中舊瀝青雖然起著緩沖荷載作用，但是這部分瀝青的粘彈性很大，脆性很大。當(dāng)荷載變化時，其受到的影響要比新瀝青大，內(nèi)部的微裂縫也相應(yīng)的會多一些，尤其在低溫條件下老化瀝青對熱再生混合料抗疲勞性能的貢獻(xiàn)能力要小于其低溫脆性所帶來的不利影響，由于熱再生混合料內(nèi)部存在缺陷或者新舊集料分布不均勻，在荷載作用下會因為應(yīng)力集中而引起應(yīng)變能的聚積，從而引起微裂縫的產(chǎn)生，在荷載的重復(fù)作用下，裂縫會進(jìn)一步擴(kuò)展，使結(jié)構(gòu)受力面減小，RAP摻量大的瀝青混合料會更易出現(xiàn)破壞。

5 熱再生混合料低溫抗裂性改善措施研究

參考國內(nèi)常用的提高熱拌瀝青混合料低溫抗裂性措施，通過摻加橡膠粉，摻量為2%、3%、4%(干法工藝添加，用量為混合料質(zhì)量的百分比)，聚酯纖維摻量為4%、6%、8%、10%(占混合料質(zhì)量的百分比)。試驗選擇50%RAP熱再生混合料，按照馬歇爾法確定2%、3%、4%橡膠粉摻量下熱再生混合料的最佳油石比為4.55%、4.62%、4.71%， 2%、3%、4%聚酯纖維摻量下50%RAP熱再生混合料的最佳油石比為4.60%、4.65%、4.73%。采用低溫SCB試驗評價橡膠粉和聚酯纖維摻量對熱再生混合料低溫抗裂性的改善效果，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 改性后熱再生混合料低溫疲勞擬合結(jié)果Figure 3 Hot recycled mixturet low temperaturefatigue fitting results after modified

疲勞試驗結(jié)果表明：摻加橡膠粉和聚酯纖維后均可顯著改善熱再生混合料的低溫抗疲勞性能，隨著橡膠粉摻量增大，橡膠粉改性熱再生混合料的疲勞試驗雙對數(shù)擬合曲線截距K呈先增大后減小的變化趨勢，曲線斜率n值呈先減小后增大的變化趨勢，橡膠粉摻量為8%時熱再生混合料抗疲勞性能最好；與橡膠粉改性熱再生混合料相類似，隨著纖維摻量的增大纖維改性熱再生混合料低溫抗疲勞性能呈先提高后降低的變化趨勢，3%聚酯纖維摻量時熱再生混合料抗疲勞性能最佳。此外，相同應(yīng)力水平，聚酯纖維對熱再生混合料的低溫疲勞性能的改性效果明顯優(yōu)于橡膠粉。橡膠顆粒對熱再生混合料的改性機理在于其與熱再生混合料共混體系通過銀紋作用顯著提高了混凝土的柔性性能，而聚酯纖維加入到熱再生混合料中起到增粘作用、吸附穩(wěn)定以及加筋作用，增大了瀝青膠漿對集料的約束力形成的結(jié)構(gòu)瀝青和纖維網(wǎng)共同作用，進(jìn)而大大改善了熱再生混合料的柔韌性[16]。

6 結(jié)論

① 隨RAP增大，熱再生混合料低溫抗裂性降低，尤其是RAP摻量超過40%后熱再生混合料低溫性能顯著降低，此外，增大RAP摻量，熱再生混合料低溫疲勞性能降低，尤其是RAP摻量達(dá)到40%后，疲勞曲線截距和擬合曲線斜率顯著減小，從疲勞耐久性考慮，熱再生混合料的最大RAP摻量不宜超過40%。

② 低溫彎曲試驗與低溫SCB兩種試驗方法表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律，即熱再生混合料低溫性能隨著再生料摻量的增加而減小，且SCB試驗制作方便，數(shù)據(jù)離散性小，建議采用SCB試驗評價熱再生混合料的低溫抗裂性。

③ 摻加橡膠顆粒和聚酯纖維后，熱再生混凝土的柔性和韌性有顯著的改善，低溫抗疲勞性能提高，推薦適宜的橡膠粉摻量為8%，最佳聚酯纖維摻量為3%。

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Study on Cracking Resistance of High RAP Content Hot Recycled Mixture Based on SCB Test

ZHANG Yan1， ZHOU Jun wei2

(1.Yunnan Traffic Vocational and Technical College, Kunming, Yunnan 650501, China; 2.Key Laboratory of Special Area Highway Engineering of the Ministry of Education, Chang’an University， Xi’an, Shanxi 710068, China)

In order to study the low-temperature crack resistance of high RAP content hot recycled mixture, improve the utilization of RAP. Through SCB test studied the low temperature crack resistance of hot recycled concrete with 30%, 40%, 50%RAP dosage, The fracture energy and flexural strain of multi-index evaluation method research hot recycled mixture performance at low temperature, low temperature bending test were compared, at the same time. results show that ：increasing the dosage of RAP, low temperature crack resistance and hot recycled mixture fatigue cracking resistance at low temperature were lower, especially RAP content more than 40% after low temperature hot recycled mixture performance is significantly reduced, proposal using low-temperature SCB test evaluation the low temperature crack resistance of hot recycled mixture, rubber powder and polyester fiber can be used to improve the low temperature crack resistance of hot recycled mixture, recommend the suitable rubber powder content is 8%, the best dosage of polyester fiber is 3%.

road engineering； hot recycled mixture； low temperature crack resistance； low-temperature fatigue cracking； fatigue cracking resistance

2015 — 04 — 22

國家自然科學(xué)基金項目(51305099)

張 艷(1984 — )，女，江蘇常州人，碩士研究生，副教授,工程師，從事公路專業(yè)教學(xué)方面。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0112 — 05