劉燕燕， 裘秋波， 李政， 楊爾軍， 周韡

(1.浙江順暢高等級公路養(yǎng)護有限公司，浙江 杭州 310051； 2.浙江金麗溫高速公路有限公司；3.蘇交科集團股份有限公司)

隨著廠拌熱再生技術(shù)越來越多地應(yīng)用在公路養(yǎng)護及改造中，廠拌熱再生混合料的性能受到越來越多的關(guān)注。為實現(xiàn)廢舊瀝青混合料的高效加熱，提高再生混合料級配的穩(wěn)定性，意大利博納帝公司開發(fā)了第三代熱再生設(shè)備RED再生滾筒。當(dāng)生產(chǎn)再生混合料時，將新集料與RAP按設(shè)定的比例一起送入RED再生滾筒，由于擋料板的特殊設(shè)計，RAP不會與火焰直接接觸，加熱后經(jīng)過拌和站二次篩分進入各熱料倉，從而提高級配與性能的穩(wěn)定性。

在許多地方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定廠拌熱再生混合料不宜用于高速公路以及一級公路的表面層，主要原因是上面層對混合料級配穩(wěn)定性及性能要求較高。相對于雙滾筒再生設(shè)備，RED再生設(shè)備的級配穩(wěn)定性有明顯優(yōu)勢，但目前在中國的應(yīng)用較少?；诓┘{帝再生設(shè)備的上面層再生混合料性能有必要進一步驗證。

裂縫是高速公路的主要病害形式，RAP料的加入對混合料的抗裂性能有一定的影響。目前中國采用的廠拌熱再生上面層的RAP料摻量普遍為20%左右，相比于新拌混合料，并沒有經(jīng)濟性優(yōu)勢。該文基于新型RED滾筒廠拌熱再生設(shè)備，以AC-16上面層混合料類型為研究對象，采用30%的RAP摻量，重點對其抵抗低溫裂縫、反射裂縫及疲勞裂縫的能力進行研究與驗證，為廠拌熱再生上面層瀝青混合料的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 材料與級配

以30%RAP摻量的AC-16上面層混合料為研究對象。其中銑刨舊料分為粗、細兩檔，均為玄武巖，銑刨料抽提篩分結(jié)果如表1所示。粗、細兩檔銑刨料采用1∶1的摻配比例。

表1 銑刨舊料抽提試驗結(jié)果

新加集料為玄武巖，新加瀝青為SBS改性瀝青，相關(guān)性能如表2所示。

表2 SBS改性瀝青性能試驗結(jié)果

30%RAP摻量AC-16再生混合料級配如表3所示，總瀝青用量為5.0%。

表3 30%RAP摻量AC-16再生混合料級配

2 試驗方法

為了驗證采用博納帝再生設(shè)備的再生混合料抗裂性能，該文采用拌和站直接生產(chǎn)的混合料作為研究對象，分別對其低溫抗裂性能、抗反射裂縫性能與抗疲勞開裂性能進行研究。

2.1 低溫抗裂性能

低溫性能表征的是瀝青混合料抵抗低溫收縮裂縫的能力，再生瀝青混合料中含有較高比例的老化瀝青，這對混合料的低溫性能存在一定的影響。因此，需要對再生瀝青混合料的低溫性能進行評價。該文采用低溫小梁試驗方法對30%RAP料摻量的AC-16博納帝再生混合料的低溫性能進行研究。

2.2 抗反射裂縫性能

上面層廠拌熱再生混合料中含有較多的老化瀝青，瀝青的延度隨著老化程度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，反映到混合料性能上就是抗反射裂縫能力的下降。該文采用半圓彎曲試驗(SCB試驗)評價博納帝廠拌熱再生混合料抵抗反射裂縫的能力。

(1) 試驗方法

試驗在UTM試驗機上進行，采用三點加載模式，采用25.4、38 mm兩種開口深度的試件進行試驗。在室內(nèi)成型4個試件，分別切割為半圓，同一試件切割出的半圓試件中心底部分別切割25.4、38 mm的切縫。最終制備4個25.4 mm切縫與4個38 mm切縫試件，共8個半圓試件。試驗溫度為25 ℃，加載速率為0.5 mm/min，分別測定不同開口深度試件條件的累積能量。

(2) 評價指標(biāo)

采用Jc指標(biāo)評價瀝青混合料的抗裂能力，按以下公式計算：

(1)

式中：Jc為臨界應(yīng)變能(kJ/m2)；b為試件厚度(m)；a為開口深度(m)；U為試件破壞時的累積能量(kJ)；dU/da為不同開口深度條件下破壞時累積能量的變化(kJ/m)。

試件破壞時的累積能量U按下式進行計算。

(2)

式中：U為試件破壞時的累積能量，即荷載-跨中撓度曲線下的面積；xi、xi+1分別為第i、i+1點的豎向位移(mm)；yi、yi+1分別為第i、i+1點的荷載(kN)。

2.3 抗疲勞開裂性能

上面層瀝青路面在車輛荷載的長期作用下通常會產(chǎn)生疲勞開裂現(xiàn)象。該文采用間接拉伸疲勞試驗對30%RAP料摻量的AC-16博納帝再生混合料的抗疲勞開裂性能進行研究。

(1) 強度試驗

首先采用強度試驗測試混合料的最大破壞荷載和抗拉強度，為疲勞試驗施加不同的應(yīng)力水平提供計算依據(jù)。試驗采用UTM-100試驗儀進行加載試驗，每個應(yīng)力比選取4～6個試件進行試驗，以試件完全斷裂作為判斷疲勞失效的標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗參數(shù)如表4所示。

表4 劈裂疲勞試驗參數(shù)

(2) 疲勞試驗

根據(jù)再生混合料試件的劈裂強度試驗結(jié)果，選取0.2、0.4、0.6共3級應(yīng)力比的應(yīng)力值作為加載應(yīng)力，間接拉伸強度與破壞時最大荷載之間的計算公式如下：

(3)

式中：RT為間接拉伸強度；PT為試件破壞時的最大荷載；D為試件直徑；t為試件厚度。

試件破壞時的荷載作用次數(shù)定義為試件的疲勞壽命Nf，用來評價瀝青混合料的疲勞抗裂性能。根據(jù)不同應(yīng)力比條件下試件疲勞性能擬合疲勞方程：

(4)

式中：σ為施加的拉應(yīng)力；RT為強度試驗測得的間接拉伸強度；σ/RT為應(yīng)力比，代表對試件施加的應(yīng)力水平；a和b為回歸得到的參數(shù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 低溫抗裂性能

低溫小梁試驗結(jié)果如表5所示。

表5 30%RAP摻量AC-16再生瀝青混合料低溫性能試驗結(jié)果

從表5可以看出：30%RAP料摻量條件下，AC-16抗彎拉強度為12.58 MPa。破壞應(yīng)變?yōu)? 617.7 με。雖然滿足了技術(shù)要求，但性能普遍偏低，表明RAP料的摻入對低溫性能具有比較大的影響。

3.2 抗反射裂縫性能

半圓彎曲(SCB)試驗過程中獲得的荷載與位移隨時間的變化曲線如圖1所示。

從圖1可以看出：試驗過程中是以恒定的位移變化率加載，傳感器測定施加的荷載值。從加載過程可以看出，荷載都是先增大后減小，存在峰值。由于是位移控制的加載方式，可以解釋為隨著壓頭逐漸向下移動，其對試件施加的荷載逐漸增大，裂縫處存在應(yīng)力集中，裂縫擴展緩慢積累，到達峰值時，裂縫失效，裂縫出現(xiàn)明顯擴展，其抵抗荷載的能力逐漸衰減。

圖1 30%RAP摻量AC-16再生瀝青混合料荷載-位移-時間曲線

在恒定的位移變化率加載過程中，實際上是一個對試件做功的過程，而試件的響應(yīng)主要是裂縫的擴展，是其斷裂能耗散的過程。通過式(2)計算這一能量來表征其抵抗裂縫擴展的能力。計算結(jié)果見表6、7。

表6 30%RAP摻量AC-16再生瀝青混合料不同切口深度SCB試驗結(jié)果

表7 30%RAP摻量AC-16再生瀝青混合料臨界應(yīng)變能

對比未摻加RAP料的新拌AC-16混合料試件與使用較長一段時間的AC-16路面取芯試件的應(yīng)變能Jc，如圖2所示。其中AC-16-30%表示RAP料摻加量為30%的廠拌熱再生新拌和成型試件，AC-16-5Y與AC-16-10Y分別表示使用了5年與10年的未摻RAP料的AC-16路面取芯試件。

圖2 不同試件臨界應(yīng)變能

從圖2可以看出：對比新拌混合料成型的試件，摻入RAP料后，其抗裂性能有所下降，但下降幅度比較小。表明對于廠拌熱再生，其初始的抗反射能力基本能夠達到全新AC-16混合料。但隨著路齡的增加，未摻RAP料的AC-16路面其抗裂性能出現(xiàn)了較大的衰減。表明由于瀝青的不斷老化，路面的抗反射能力在使用過程中會不斷衰減。因此，廠拌熱再生路面的耐久性是需要重點關(guān)注的問題。

3.3 抗疲勞開裂性能

30%RAP摻量AC-16再生瀝青混合料間接拉伸強度試驗結(jié)果如表8所示。

表8 AC-16間接拉伸強度試驗結(jié)果

根據(jù)間接拉伸強度試驗結(jié)果，進行劈裂疲勞試驗。疲勞試驗過程中記錄試件的軸向變形位移，獲得試件軸向位移隨循環(huán)加載次數(shù)的變化曲線。應(yīng)力比為0.4的位移曲線如圖3所示，位移曲線隨加載次數(shù)的變化呈橫向反S形狀。

圖3 軸向位移隨加載次數(shù)變化曲線(應(yīng)力比:0.4)

根據(jù)試件位移變化曲線的第二個反彎點來確定試件的疲勞壽命。獲得不同應(yīng)力比條件下的疲勞次數(shù)如表9所示。

表9 AC-16不同應(yīng)力比條件下的疲勞次數(shù)

疲勞壽命取對數(shù)作為縱坐標(biāo)，應(yīng)力比為橫坐標(biāo)，繪制得到的疲勞曲線如圖4所示。并擬合得到線性疲勞方程，如表10所示。

圖4 30%RAP摻量AC-16疲勞壽命曲線

圖4的線性疲勞方程中，斜率a表征材料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感性，a的絕對值越大，材料疲勞壽命對應(yīng)力水平越為敏感；而截距b則與材料的疲勞壽命有關(guān)，b值越大，相同應(yīng)力水平條件下材料的疲勞壽命越大。為便于分析30%RAP摻量AC-16混合料疲勞性能，將疲勞試驗結(jié)果與間接拉伸強度相當(dāng)?shù)男掳鐰C-16混合料疲勞試驗結(jié)果相比較，分析摻加RAP料后疲勞性能的變化。新拌AC-16混合料疲勞試驗結(jié)果如表11、12所示。

表10 AC-16混合料間接拉伸疲勞試驗結(jié)果

表11 AC-16新拌混合料間接拉伸疲勞試驗結(jié)果

表12 AC-16新拌混合料與再生混合料疲勞方程對比

從表10、11可以看出：摻加RAP料后，各應(yīng)力比條件下的疲勞次數(shù)均有降低；從表12的新拌混合料和再生混合料的疲勞試驗結(jié)果對比中可以看出：表征疲勞敏感度的|a|值在摻加RAP料后有所增大，但變動幅度小于10%，表征疲勞壽命的b值在摻加RAP料后有所減低，變幅只有0.16%，說明在摻加30%RAP料后，采用博納帝再生設(shè)備生產(chǎn)再生混合料疲勞壽命有一定保證。

4 結(jié)論

(1) 針對博納帝再生設(shè)備生產(chǎn)的30%RAP摻量的AC-16型上面層瀝青混合料的抗裂性能進行了評價與分析。

(2) RAP料的摻入對低溫抗裂性能具有比較大的影響，不宜在低溫地區(qū)使用。

(3) 對比新拌混合料，摻入30%RAP料后，AC-16抗反射裂縫能力有所下降，但下降幅度比較小。但隨著路齡的增加，其抗裂性能將出現(xiàn)較快的衰減。

(4) 對比新拌混合料，摻加30%RAP料后，疲勞敏感度增大，疲勞壽命降低，但變化并不明顯。