【中交创联·交小哇】热拌再生沥青混合料水稳定性研究

关注“中交创联”

留言送建议

“小哇”将在第一时间解决您的问题

为您带来最新资讯

摘 要：热拌再生沥青路面的抗水损害性能是境内外研究热点。主要目的为探究不同级配组成特性和旧沥青材料(RAP)掺量对再生沥青混合料水稳性的影响，其中级配组成有细、中和粗3个水平，RAP掺量有30%、50%和70%3种情况。在采用现有浸水和冻融循环试验模拟水损害的基础上，使用水敏感测试仪(MIST)测定模拟行车荷载引发的动水对沥青路面的水损害作用，进一步探究再生沥青混合料水稳定性的影响因素。水损害作用前后的残留马歇尔稳定度和劈裂抗拉强度比的试验结果均表明，MIST试验中的水损害后的残留稳定度和劈裂强度下降幅度明显大于浸水和冻融循环试验结果；当RAP掺量较低时(30%),级配较细的级配设计再生沥青混合料可能有利于其水稳性；RAP掺量较高的2种情况(50%和70%),级配粗细对再生沥青混合料水稳定性无明显影响规律；劈裂强度试验表明，在RAP掺量为50%时，再生沥青混合料的抗水损害性能最佳。

关键词：道路工程;沥青混合料;热拌再生;水稳定性;动水冲刷;级配;RAP掺量;

沥青路面的使用寿命一般为10～15年。服役期间，沥青材料在光、热、氧和水等不利因素驱动下发生物理和化学反应，引起沥青材料老化硬化和脆化，沥青结合料原有良好的黏弹性质老化后发生永久性改变，导致沥青材料极易发生开裂，进而诱发各种病害[1,2,3]。然而，这些老化的旧沥青路面材料(RAP)仍包含大量沥青和集料资源，这些自然资源由于自然形成条件苛刻且形成时间很长，均属于不可再生资源[4,5]。因此，通过合理的材料组成设计，将RAP材料再生运用于沥青路面中，不仅属于固体废弃物资源再生利用，也可以有效缩减全寿命周期下道路经济成本[6,7]。

水损害是导致沥青路面出现早期破坏的主要诱因之一。沥青路面水损害实质上是：水在行车荷载作用下，在沥青混合料空隙中做抽-吸循环作用，不断冲洗集料表面沥青结合料导致二者黏附性变差，最终导致集料脱离等现象[8,9]。水损害不仅降低了沥青路面的服务质量，也使得水、热、氧等不利因素更加容易进入沥青结构层内部，进一步加速水损害和其他病害产生[10]。

沥青混合料水损害机理的研究主要基于黏附-剥落理论而展开。目前有6种描述沥青与集料之间的黏附作用：力学理论、化学反应理论、表面构造理论、分子定向理论、静电理论以及表面能理论，其中表面能理论除了可以定性地解释黏附作用外，其中的黏附功等参数还可以定量评价集料和沥青之间的黏附强度[11]。Bhasin[12]等采用表面能参数量化评价了不同沥青-集料之间黏聚能量的大小，发现了黏聚能较大时，沥青混合料的抗水损害能力也就越强。

再生沥青混合料中包含大量RAP材料，而RAP材料周围被旧沥青结合料所包裹，而这些旧沥青结合料的物化性质发生了一定的改变。许多研究表明再生过程中新旧沥青结合料不会完全融合[13,14,15],意味着再生沥青混合料中存在大量的新旧沥青黏结面存在。这些黏结面可能是水损害的薄弱面，降低再生沥青混合料的水稳定性[16,17,18,19]。因此，展开再生沥青混合料的水稳性研究，并具体分析了级配粗细水平和RAP掺量2个因素对于再生沥青混合料水稳定性的影响。

1 材料与试验方法

1.1材料

1.1.1试验材料

再生沥青混合料中添加新沥青为SBS改性沥青，该沥青基本性能指标见表1。

表1 SBS改性沥青技术指标

RAP材料采用专用铣刨设备对原路面中面层AC-20沥青混合料进行铣刨，并采用筛分设备将废旧沥青混合料分为0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm三档分开储存和保管，将RAP材料分档的方式有利于控制每档RAP材料之间的变异性，即每档RAP材料性质相接近。

再生沥青混合料中添加新集料选用石灰岩，其中碳酸钙含量为99%或以上，其主要技术指标见表2。再生沥青混合料中新添加的矿粉材料技术指标见表3。

表2 新集料的主要技术指标

表3 矿粉技术指标

1.1.2再生沥青混合料组成信息

为研究级配对热再生沥青混合料水损害性能的影响，将级配分为：粗、中和细3个水平，级配分布见图1。

图1 粗、中和细级配曲线分布

在RAP掺量30%、50%和70% 3个水平下，研究RAP掺量对于再生沥青混合料水损害性能的影响。不同RAP掺量的再生沥青混合料通过调整各档新集料数量以达到目标级配。再生沥青混合料的目标空隙率均为4%,参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T 0703-2011)制作试件高度63.5 mm, 直径101.5 mm, 制作标准马歇尔试件以进行后续性能测试试验。

1.2试验方法

1.2.1动水冲刷试验

为研究水损害作用对再生沥青混合料造成的损害，水敏感测试仪(MIST)用来模拟雨水在轮胎作用下对沥青路面和再生沥青混合料造成的水损害作用，见图2。

图2 MIST试验仪器和模拟动水冲刷作用试验原理

由图2可以看出，为模拟水损害对试件带来的破坏，将试件置于注满水的密闭容器中，通过气囊对室内空间进行加压，利用沥青混合料中内部空隙与外部水压之间的压力差产生水损害作用。试验测试循环次数3 500次，试验温度60℃。MIST试验后，采用马歇尔稳定度与劈裂试验来评价混合料的水损害性能。

1.2.2马歇尔稳定度试验

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)和《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2017)均将沥青混合料马歇尔稳定度试验作为材料组成设计和性能评价的重要手段。通过马歇尔稳定试验可以获得稳定度(MS,单位kN)和流值(FL,单位mm)2个指标，稳定度即沥青混合料在马歇尔稳定度试验中受到的最大荷载，流值则为最大荷载处试样垂直发生的最大位移。

马歇尔稳定度试验操作参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T 0709-2011)进行，采用标准尺寸马歇尔试样，直径101.6±0.2 mm, 高度63.5±1.3 mm, 马歇尔稳定度测试见图3。采用水浴方式对马歇尔进行温度控制，标准马歇尔稳定试验需在25℃水浴30 min。此外，在进行浸水马歇尔试验评价混合料水损害性能时，在25℃水浴30 min前，需在60℃保温4 h。评价水损害作用后材料性能时，需在MIST试验后再进行标准马歇尔试验。因此，本文3种状态稳定度试验值简记为：稳定度、浸水稳定度和MIST稳定度。

图3 马歇尔稳定度测试示意

1.2.3劈裂试验

采用冻融和水损害作用后沥青混合料劈裂强度的下降幅度，量化分析温度和RAP掺量对再生沥青混合料水损害性能的影响。标准劈裂试样(直径101.6±0.2 mm, 高度63.5±1.3 mm)在25℃水浴1.5 h后，进行标准劈裂试验，加载速率50 mm/min, 试验操作参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T 0716-2011)进行，图4为劈裂试验示意。考虑到劈裂试验结果变异性较大，每组试验采用4组平行试样。

图4 沥青混合料劈裂试验示意

类似于马歇尔稳定度试验，劈裂试验也同样有3种状态：标准劈裂试验、冻融劈裂试验和MIST劈裂试验。冻融劈裂试验试样在-18℃保温16 h后紧接着在60℃保温24 h, 再进行标准劈裂试验。MIST劈裂试验为MIST水损害后进行标准劈裂试验。

2 试验结果与讨论

2.1级配对水稳定性的影响

2.1.1马歇尔稳定试验结果

通过对比浸水和MIST水损害作用后，各组再生沥青混合料的马歇尔稳定度变化情况，分析级配对于再生沥青混合料水稳定性能的影响。图5为细、中和粗级配再生沥青混合料在浸水和MIST水损害作用前后的马歇尔稳定度结果。

(1)由图5可以看出：①无论级配和RAP掺量如何(所有试样),相较于浸水作用，MIST水损害作用导致的稳定度降低幅度更大，水损害后稳定度曲线均处于最底部，浸水后稳定度曲线处于3条曲线中间；②随着再生沥青混合料级配水平向着“粗”方向变化时，稳定度指标也随之降低，并且浸水或MIST水损害作用并不改变这一规律，即相同的水损害作用下，稳定度指标随着级配变粗而下降。这表明较细水平的级配可能有利于提升再生沥青混合料的抗水损害性能；③原样状态下(无水损害作用),再生沥青混合料稳定度曲线70%>50%>30%,这表明RAP掺加可能有利于再生沥青混合料结构强度。不过RAP掺量的增加也可能导致水损害作用后(浸水或MIST水损害作用后)稳定度下降的幅度增大，这是不利于材料的水稳定性。

图5 不同级配下再生沥青混合料马歇尔 稳定度变化趋势结果

(2)表4统计了细、中和粗3种级配水平下再生沥青混合料浸水和MIST水损害后残留稳定度结果。进一步证实了相较于浸水作用，MIST水损害作用对于再生沥青混合料整体强度的负面影响更大。各试样MIST水损害后的残留稳定均明显小于浸水作用后的残留稳定度。

更重要的是，从残留稳定度结果来看，级配的粗细水平并未表现出对所有再生沥青混合料水稳定性能一致的影响规律。当RAP掺量30%时，2种水损害作用下，较细级配水平试样的残留稳定度较高(细级配>中级配>粗级配)。

表4 残留稳定度结果

注：残留稳定度=100×稳定度水损害作用后/稳定度水损害作用前,水损害作用为：浸水作用或MIST水损害。

然而，当RAP掺量进一步增加至50%或70%,再生沥青混合料的水稳定性变化趋势和级配粗细水平变化并不十分相关。当再生沥青混合料中RAP掺量较大时(例如达到50%),RAP材料的变异性(RAP中沥青结合料性质和旧集料级配均会出现波动)将对再生沥青混合料性能产生不可忽略的影响，这也导致了再生沥青混合料性能出现无规律的波动[20],导致了水稳定性发展趋势与级配粗细水平不相关的试验结果。

2.1.2劈裂强度试验结果

(1)采用劈裂抗拉强度试验来研究级配对于再生沥青混合料水稳定性能的影响。图6为细、中和粗级配再生沥青混合料在冻融循环和MIST水损害作用前后的劈裂抗拉强度结果。

与马歇尔稳定度试验结果呈现的规律比较一致。MIST水损害作用造成的劈裂强度下降幅度最大(仅存在一个例外的数据点)。其次，级配变粗同样有利于再生沥青混合料的劈裂抗拉强度，同一状态下，劈裂强度曲线随着级配变粗而下降。最后，RAP掺量的增加也有利于再生沥青混合料的劈裂强度。

(2)表5为2种水损害作用下，试样劈裂抗拉强度残余情况，用劈裂抗拉强度比表示。劈裂强度比结果也表现出与上述结果一致的规律。

当RAP掺量较低时(30%),再生沥青混合料水稳定变化与级配粗细水平变化相关，无论是冻融或MIST水损害作用后，当级配变细时，劈裂抗拉强度比均出现上升。当RAP掺量较高时(50%或70%),试样的劈裂强度比变化趋势和级配粗细水平的变化不十分相关。

图6 不同级配下再生沥青混合料劈裂 强度变化趋势结果

2.2RAP掺量对水稳定性的影响

2.2.1马歇尔稳定试验结果

(1)基于水损害作用前后马歇尔稳定度变化情况，研究RAP掺量对于再生沥青混合料水稳定性的影响。图7为RAP掺量为30%、50%和70%再生沥青混合料在浸水和MIST水损害作用前后的稳定度结果。

图7(a)和图7(b)稳定度曲线均呈现向“上”发展的趋势，即随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的稳定度指标也随之增加。但是，当级配为粗水平时图7(c),稳定度曲线较为平缓，RAP掺量对稳定度指标的影响较低。

表5 劈裂抗拉强度比结果

注：劈裂抗拉强度比=100×劈裂抗拉强度水损害作用后/劈裂抗拉强度水损害作用前,水损害作用为：浸水作用或MIST动水冲刷。

图7 不同级配下再生沥青混合料马歇尔 稳定度变化趋势结果

(2)表6为不同RAP掺量下，再生沥青混合料的残留稳定度结果。残留稳定度结果表明，不同类型的水损害，RAP掺量对于水稳性的影响规律并不一致。此外，不同级配情况下，RAP掺量对水稳定性的影响也不相同。

表6 残留稳定度结果

注：残留稳定度=100×稳定度水损害作用后/稳定度水损害作用前。

2.2.2劈裂强度试验结果

(1)图8为RAP掺量为30%、50%和70%再生沥青混合料在浸水和MIST水损害作用前后的劈裂强度结果。

和残留稳定度相类似，劈裂抗拉强度曲线随着RAP掺量增加而向上发展，同样表明RAP掺量的增加有利于再生沥青混合料的劈裂抗拉强度。

(2)表7为各试样的劈裂抗拉强度比结果。所有的试样劈裂强度比指标，均表现出随RAP掺量先增加而减小的变化规律，即在RAP掺量50%时，劈裂强度比指标达到最大值。这表明：RAP掺量对于水损害性能的影响可能不是单调的，而是存在一个最佳状态，例如50%RAP最佳。并且，级配粗细的变化不会干扰这一规律。

3 结语

本文聚焦于再生沥青混合料的水损害特性，采用室内模拟水损害的不同试验方法，研究了级配和RAP掺量对于再生沥青混合料水稳定性的影响。在采取常规的浸水和冻融循环试验模拟水对于沥青混合料的损伤作用的同时，MIST试验仪也被用来分析模拟荷载冲击下的水对于沥青混合料的稳定性的影响，并通过水损害前后的残留稳定度和劈裂抗拉强来定量评价再生沥青混合料的水稳定性。本研究可以归纳出下列主要结论。

(1)相较于浸水和冻融循环试验，MIST试验后其残留稳定和劈裂抗拉强度比数值均更小，这表明行车荷载行车的动水冲刷对再生沥青混合料的损害程度更为严重。试验结果表明，上述规律并不受材料组成的影响(级配和RAP掺量),这表明行车荷载是沥青路面发生水损害的重要因素。

图8 不同级配下再生沥青混合料劈裂 抗拉强度变化趋势结果

表7 劈裂抗拉强度比结果

注：劈裂抗拉强度比=100×劈裂抗拉强度水损害作用后/劈裂抗拉强度水损害作用前。

(2)当RAP掺量处于较低水平时(30%),再生沥青混合料采用较细程度的级配有利于提升其水稳定性，但RAP掺量较高时(50%或70%),其水稳定性与级配粗细程度并不十分相关。

(3)劈裂强度比试验结果表明，对于再生沥青混合料水稳定性而言，存在一个最佳RAP掺量。当RAP掺量为50%时，其劈裂抗拉强度比均高于其他RAP掺量(30%和70%)的再生沥青混合料。同时，不同粗细程度的级配水平下，再生沥青混合料的水稳定性变化均服从这一规律。

素材来源：公路建养

如有侵权，请联系小编删除