高摻量RAP和溫拌技術(shù)對(duì)瀝青混合料性能的影響

王錦輝,司馬利凡

(河南省公路工程局集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450000)

溫拌瀝青(WMA)技術(shù)和瀝青混合料回收料(RAP)為生產(chǎn)新的瀝青混合料提供了一種環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)高效的方法。但是,由于RAP摻入新瀝青混合料中,老化結(jié)合料會(huì)使其硬度增加,瀝青路面的松弛能力降低,RAP含量高的混合料表現(xiàn)出更高的中低溫開裂敏感性[1-3]。此外,研究表明,RAP的添加與改善抗車轍性能相關(guān),RAP剛度的增加會(huì)對(duì)瀝青混合料的抗疲勞開裂能力產(chǎn)生負(fù)面影響[4-5]。另外,WMA混合料中高摻量RAP(例如15%或30%等)研究表明,較低的生產(chǎn)溫度和RAP來源會(huì)顯著影響溫拌再生瀝青混合料的工作性和穩(wěn)定性,若加入再生劑可以進(jìn)一步提高RAP的摻量[6]。RAP材料在實(shí)際工程中逐步使用出現(xiàn)了諸多問題,為了解決RAP對(duì)瀝青混合料性能的正面和負(fù)面影響,在室內(nèi)開展了不同的WMA技術(shù),評(píng)價(jià)其對(duì)制備的混合料抗車轍和抗裂性能的影響,旨在提高RAP材料摻量的同時(shí),采用溫拌技術(shù)達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。RAP材料來源于連霍高速鄭洛段大修工程,使用三種WMA技術(shù)生產(chǎn)了高含量RAP的不同瀝青混合料。溫拌技術(shù)分別為Sasobit?(有機(jī))、Evotherm?(化學(xué))和Advera?(發(fā)泡),RAP含量為0%、25%和35%的混合料,試驗(yàn)結(jié)果與對(duì)照混合料HMA(含和不含RAP)的結(jié)果進(jìn)行比較,以評(píng)價(jià)使用WMA添加劑和不含RAP的WMA混合料對(duì)抗車轍、抗裂和疲勞性能的影響。

1 溫拌瀝青技術(shù)

1.1 有機(jī)助劑

在瀝青混合料或結(jié)合料中摻加有機(jī)添加劑(如有機(jī)蠟)可降低結(jié)合料的黏度,使骨料在結(jié)合料中更自由地移動(dòng)。此外,使用有機(jī)添加劑也可降低混合料的拌和溫度至20～30 ℃。Sasobit?是最常見的商用有機(jī)添加劑之一,可在混合過程中直接添加到HMA混合料中,可與結(jié)合料機(jī)械或手動(dòng)混合。建議Sasobit使用量為0.8%～4%(按結(jié)合料重量計(jì))。

1.2 化學(xué)添加劑

Evotherm?是最典型的化學(xué)WMA添加劑之一,用于結(jié)合料可提高骨料顆粒的涂覆率。Evotherm是一種深色液體化學(xué)添加劑,包括表面活性劑,可降低固體和液體或兩種液體之間的表面張力。Evotherm旨在降低瀝青混合料的生產(chǎn)溫度,在生產(chǎn)過程中,熱骨料和Evotherm之間的相互作用導(dǎo)致乳液中的水蒸發(fā),結(jié)合料充分覆蓋熱骨料。有研究結(jié)果表明,瀝青混合料的混合和壓實(shí)溫度降低20～30 ℃左右,它可以在與骨料混合之前直接粘貼到加熱的瀝青結(jié)合料中。對(duì)于聚合物改性結(jié)合料,使用量為結(jié)合料重量的0.30%～0.75%。

1.3 發(fā)泡技術(shù)

Advera?是著名的發(fā)泡添加劑之一,加入結(jié)合料后,溫度會(huì)突然下降,因?yàn)橐徊糠帜芰坑糜谡舭l(fā)水分,結(jié)合料封裝釋放的蒸汽,導(dǎo)致結(jié)合料的瞬時(shí)體積膨脹,同時(shí)降低結(jié)合料黏度。Advera是一種粉末狀沸石發(fā)泡技術(shù),使其更容易生產(chǎn)試驗(yàn)室WMA混合料,添加約5%(按結(jié)合料重量計(jì))。通過向混合料中添加混合的Advera和結(jié)合料,可以產(chǎn)生微小的水噴霧,使瀝青結(jié)合料的體積增大,從而在較低溫度下增強(qiáng)和易性和骨料涂層,此技術(shù)可將混合和壓實(shí)溫度降低約30 ℃。

有研究結(jié)果表明,廣泛用作有機(jī)添加劑的Sasobit材料,它可以提高WMA混合料的抗車轍性能,含有化學(xué)添加劑的WMA混合料的抗車轍性能降低。這是因?yàn)镾asobit含有蠟晶體,這使得它比其他添加劑更硬。與其他WMA技術(shù)相比,Advera具有更好的疲勞壽命,因此,建議在含有Sasobit的WMA混合料中使用軟結(jié)合料,以提高混合料的疲勞壽命。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 材料

表1總結(jié)了12種不同的HMA和WMA組合類型,混合料代碼名稱、RAP摻量及溫拌劑摻量見表1。

表1 試驗(yàn)用混合料組合

2.2 瀝青結(jié)合料和助劑

瀝青結(jié)合料為SBS改性PG 76-22,對(duì)比三種常見WMA技術(shù)生產(chǎn)的WMA混合料的性能;溫拌技術(shù)為Sasobit?(有機(jī))、Evotherm?(化學(xué))和Advera?(發(fā)泡)。

Sasobit在120 ℃下與熱瀝青結(jié)合料混合,按結(jié)合料總重量的3%計(jì)算。使用帶有標(biāo)準(zhǔn)槳葉的機(jī)械剪切混合器(不需要高剪切混合),將Sasobit與熱結(jié)合料徹底混合?；旌虾蟮慕Y(jié)合料可以毫不延遲地達(dá)到目標(biāo)混合溫度,也可以保存在倉庫中以備日后使用,結(jié)合料中的Sasobit應(yīng)在數(shù)周內(nèi)保持均勻。

添加Evotherm的劑量和程序依照添加劑生產(chǎn)商的建議,將Evotherm添加到248 ℃的加熱瀝青結(jié)合料中(120 ℃),使用帶有標(biāo)準(zhǔn)槳葉的機(jī)械剪切攪拌機(jī),摻量為PG 76-22結(jié)合料重量的0.6%。

發(fā)泡添加劑:添加約5%(按結(jié)合料重量計(jì)),在與骨料混合之前,將Advera以結(jié)合料重量的5%添加到熱結(jié)合料中。

2.3 RAP級(jí)配

RAP材料收集為細(xì)粒和粗料(結(jié)合料含量分別為4.7%和3.1%),取自連霍高速鄭洛段大修工程。表2為兩種RAP材料的骨料級(jí)配,針對(duì)RAP含量為0%、25%和35%的混合料制定了設(shè)計(jì)骨料級(jí)配,滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)的要求。

表2 兩種RAP材料的骨料級(jí)配

2.4 試驗(yàn)方案

為了評(píng)價(jià)HMA和WMA混合料及RAP含量較高的溫拌瀝青混合料的性能,對(duì)12種混合料的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)和分析,以確定WMA技術(shù)和高RAP含量對(duì)中溫(疲勞開裂)和高溫(永久變形)的影響。表3顯示了瀝青混合料的體積特性,HMA混合料分為不含RAP和不含再生劑的對(duì)照組混合料。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求,從短期老化的松散混合料中提取舊瀝青結(jié)合料,采用三氯乙烯作為溶劑進(jìn)行提取。

表3 瀝青混合料的體積特性

2.5 瀝青結(jié)合料流變性能評(píng)價(jià)

DSR測試應(yīng)在76 ℃旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)老化條件下進(jìn)行試驗(yàn),先是旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)短期老化后,使用壓力老化容器(PAV)進(jìn)行長期老化。根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行MSCR試驗(yàn),以評(píng)價(jià)提取和回收瀝青結(jié)合料在高溫下的抗車轍性,該試驗(yàn)考慮了氣候和交通水平。采用BBR試驗(yàn)對(duì)提取的瀝青結(jié)合料的低溫性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.6 瀝青混合料性能評(píng)價(jià)

采用輪轍試驗(yàn)對(duì)不同瀝青混合料的永久抗變形能力進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)指標(biāo)為車轍深度;采用SCB半圓彎曲試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)指標(biāo)為臨界斷裂能Jc,其表達(dá)式見公式(1)。

(1)

式中:Jc為臨界斷裂能,kJ/m2;a為切口深度,mm;dU/da為單位切口深度的應(yīng)變能變化率;b為試樣厚度,mm;U為破壞應(yīng)變能,N·mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 瀝青結(jié)合料試驗(yàn)

(1)MSCR試驗(yàn)結(jié)果。

MSCR的試驗(yàn)結(jié)果見表4,Jnr是不可恢復(fù)的蠕變?nèi)崃?在兩個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行,根據(jù)表4中的結(jié)果,所有含RAP的混合料的Jnr值均低于不含RAP的混合料,這證實(shí)了RAP結(jié)合料的硬化效果。

表4 MSCR試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖1,與HMA對(duì)照混合料相比,所有WMA混合料(包括不含RAP)的Jnr值較低,這表明WMA混合料的抗車轍性能較好,尤其是WS35R混合料更突出。但不是所有的WMA混合料都是這樣的規(guī)律(包括25% RAP或35% RAP),與H35R混合料相比,兩個(gè)應(yīng)力水平下,WS35R都具有較低的Jnr值,具有較強(qiáng)的抗變形能力。

圖1 多重應(yīng)力恢復(fù)試驗(yàn)Jnr結(jié)果

εr是相對(duì)于峰值應(yīng)力量的可恢復(fù)應(yīng)變量的度量?？梢缘贸鼋Y(jié)論,恢復(fù)率εr較高的結(jié)合料更耐永久變形。表4中εr的結(jié)果證實(shí)了WMA混合料的更好性能。降低拌和與壓實(shí)溫度并使用WMA技術(shù)有助于使軟化的結(jié)合料具有更高的可恢復(fù)應(yīng)變值。結(jié)果表明,WS0R、WS25R和WS35R混合料的Jnr和εr值分別較低和較高,這訪問明三種不同WMA技術(shù)的所有混合料在兩種應(yīng)力水平下的Sasobit性能更好。

(2)LAS試驗(yàn)。

LAS試驗(yàn)是一種加速試驗(yàn),可以識(shí)別瀝青瑪蹄脂或結(jié)合料在長期老化后的疲勞性能,應(yīng)變水平為2.5%和5%,采用材料連續(xù)損傷疲勞模型得到了瀝青的疲勞壽命,如圖2所示。圖2(a)表明,由于應(yīng)變敏感性較高,從含35%RAP的HMA混合物中提取的結(jié)合料具有較低的疲勞壽命。RAP結(jié)合料和WMA技術(shù)的結(jié)合改善了結(jié)合料的疲勞性能,與其他WMA和HMA結(jié)合料相比,WE35R具有更高的疲勞壽命Nf。因此,WMA添加劑具有疲勞潛力,Evotherm的作用更為顯著。同時(shí),H25R的疲勞壽命Nf損耗意味著來自RAP材料的老化結(jié)合料將降低應(yīng)變控制載荷模式下的疲勞性能。

圖2 不同應(yīng)變水平時(shí)瀝青結(jié)合料的疲勞壽命

(3)BBR試驗(yàn)。

結(jié)合料在RTFO老化后進(jìn)行PAV老化,以評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫性能,試驗(yàn)溫度為-12 ℃。表5的BBR試驗(yàn)結(jié)果顯示,再生料含量為25%時(shí)的所有溫拌瀝青混合料能滿足-12 ℃的性能要求,摻量為35%的溫拌瀝青混合料、不添加和添加25%再生料的熱拌瀝青混合料不能滿足-12 ℃的性能要求。但是所有混合料的數(shù)據(jù)差異并不大,也可以說WMA混合物和HMA對(duì)照混合物之間低溫性能沒有顯著差異。

表5 BBR試驗(yàn)結(jié)果

3.2 瀝青混合料性能試驗(yàn)

(1)車轍試驗(yàn)結(jié)果。

評(píng)價(jià)了12種瀝青混合料的平均車轍深度結(jié)果,如圖3所示。結(jié)果表明,混合料WS25R是抗車轍性能最優(yōu)的混合料,而不含RAP混合料的H0R是抗車轍性能最差的混合料。與沒有RAP的HMA瀝青混合料相比,向HMA中添加RAP會(huì)減小車轍深度。然而,向WMA混合物中添加RAP對(duì)WMA混合物的永久變形沒有顯著影響。還需要注意的是,Sasobit的性能在其他系統(tǒng)中是最好的,WMA技術(shù)和含有Sasobit的混合物的車轍深度值較低。RAP含量的增加速度顯著降低WMA和HMA混合物中的車轍深度。

圖3 不同混合料的平均車轍深度

車轍試驗(yàn)結(jié)果與表4所示的MSCR測試結(jié)果一致,含有Sasobit和35%RAP的混合料的Jnr值較低,剛度越高,預(yù)計(jì)其抗車轍能力越強(qiáng)?；诓缓琑AP、WMA混合料的MSCR和LWT測試結(jié)果優(yōu)于HMA對(duì)照混合料,與HMA控制組合進(jìn)行性能比較可以推斷,RAP和WMA技術(shù)的結(jié)合在提高瀝青混合料的抗永久變形和水穩(wěn)定性方面具有良好的效果。

(2)SCB試驗(yàn)。

圖4顯示了含有0%、25%和35%RAP的HMA和WMA混合物的臨界斷裂能Jc值比較,根據(jù)之前的研究,瀝青混合料應(yīng)滿足≥0.5 kJ/m2的最小要求值,以降低中溫開裂敏感性。SCB測試結(jié)果表明,含有RAP的HMA混合物的Jc值幾乎與不含RAP的HMA混合物相似或更低。然而,含有RAP的WMA的混合物Jc值高于未添加RAP的WMA混合物,并且隨著WMA混合物中RAP含量的增加,增幅不斷增加。這一觀察結(jié)果表明,WMA添加劑摻入RAP混合料是有效的,尤其是Sasobit?；赪S0R的Jc值,添加Sasobit產(chǎn)生的Jc值最低,也是所有混合物中的最硬的,這與LWT和MSCR測試的結(jié)果一致。

圖4 不同混合料的SCB試驗(yàn)臨界斷裂能Jc值

4 結(jié) 論

(1)添加35%RAP材料顯著提高了HMA和WMA混合物的永久抗變形能力,Sasobit作為溫拌劑時(shí)其高溫性能更好。而且,在不同測試應(yīng)變水平下,MSCR和LWT測試結(jié)果之間穩(wěn)定關(guān)聯(lián),該試驗(yàn)可以有效地用于預(yù)測瀝青混合料的車轍性能。

(2)BBR試驗(yàn)結(jié)果表明,從WMA混合物中提取所有瀝青結(jié)合料滿足-12 ℃條件下蠕變速率M值和剛度標(biāo)準(zhǔn),與HMA混合料相比具有更高的蠕變速率M值和更低的剛度(不包含RAP)。

(3)根據(jù)SCB試驗(yàn)結(jié)果,WMA技術(shù)用于在低溫下生產(chǎn)瀝青混合料,但不會(huì)影響瀝青混合料的抗裂性。此外,在WMA混合物中加入高達(dá)35%的RAP含量可產(chǎn)生類似或更好的斷裂性能。

(4)基于LAS試驗(yàn)結(jié)果,考慮到循環(huán)載荷條件下的響應(yīng),所有三種WMA添加劑對(duì)瀝青結(jié)合料的疲勞性能表現(xiàn)出幾乎相似的影響,RAP結(jié)合料和WMA技術(shù)的結(jié)合提高了混合料的疲勞壽命,與其他WMA添加劑和HMA混合物相比,化學(xué)技術(shù)的效果更為明顯。