基于博納帝再生設備的上面層再生混合料性能研究

劉燕燕， 裘秋波， 李政， 楊爾軍， 周韡

(1.浙江順暢高等級公路養護有限公司，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越來越多地應用在公路養護及改造中，廠拌熱再生混合料的性能受到越來越多的關注。為實現廢舊瀝青混合料的高效加熱，提高再生混合料級配的穩定性，意大利博納帝公司開發了第三代熱再生設備RED再生滾筒。當生產再生混合料時，將新集料與RAP按設定的比例一起送入RED再生滾筒，由于擋料板的特殊設計，RAP不會與火焰直接接觸，加熱后經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定性。

在許多地方標準中規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定性及性能要求較高。相對于雙滾筒再生設備，RED再生設備的級配穩定性有明顯優勢，但目前在中國的應用較少?；诓┘{帝再生設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，并沒有經濟性優勢。該文基于新型RED滾筒廠拌熱再生設備，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用提供參考和依據。

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果

新加集料為玄武巖，新加瀝青為SBS改性瀝青，相關性能如表2所示。

表2 SBS改性瀝青性能試驗結果

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備的再生混合料抗裂性能，該文采用拌和站直接生產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

采用Jc指標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生疲勞開裂現象。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力水平提供計算依據。試驗采用UTM-100試驗儀進行加載試驗，每個應力比選取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準，具體試驗參數如表4所示。

表4 劈裂疲勞試驗參數

(2) 疲勞試驗

根據再生混合料試件的劈裂強度試驗結果，選取0.2、0.4、0.6共3級應力比的應力值作為加載應力，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。根據不同應力比條件下試件疲勞性能擬合疲勞方程：

(4)

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

3 試驗結果及分析

3.1 低溫抗裂性能

低溫小梁試驗結果如表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。破壞應變為2 617.7 με。雖然滿足了技術要求，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，裂縫處存在應力集中，裂縫擴展緩慢積累，到達峰值時，裂縫失效，裂縫出現明顯擴展，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試驗結果

表7 30%RAP摻量AC-16再生瀝青混合料臨界應變能

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果如表8所示。

表8 AC-16間接拉伸強度試驗結果

根據間接拉伸強度試驗結果，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加載次數的變化曲線。應力比為0.4的位移曲線如圖3所示，位移曲線隨加載次數的變化呈橫向反S形狀。

圖3 軸向位移隨加載次數變化曲線(應力比:0.4)

根據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。獲得不同應力比條件下的疲勞次數如表9所示。

表9 AC-16不同應力比條件下的疲勞次數

疲勞壽命取對數作為縱坐標，應力比為橫坐標，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力水平的敏感性，a的絕對值越大，材料疲勞壽命對應力水平越為敏感；而截距b則與材料的疲勞壽命有關，b值越大，相同應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，將疲勞試驗結果與間接拉伸強度相當的新拌AC-16混合料疲勞試驗結果相比較，分析摻加RAP料后疲勞性能的變化。新拌AC-16混合料疲勞試驗結果如表11、12所示。

表10 AC-16混合料間接拉伸疲勞試驗結果

表11 AC-16新拌混合料間接拉伸疲勞試驗結果

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，各應力比條件下的疲勞次數均有降低；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，采用博納帝再生設備生產再生混合料疲勞壽命有一定保證。

4 結論

(1) 針對博納帝再生設備生產的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。