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添加再生料的冷补沥青混合料组成设计与性能评价
添加再生料的冷补沥青混合料组成设计与性能评价
2022年04月06日    阅读量:67397    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

摘 要

为了多元化高效利用回收沥青路面材(RAPM),考虑冷补液中的稀释剂有再生老化沥青功能,将RAPM应用于基质沥青和SBS改性沥青冷补混合料中,基于室内试验综合研究了冷补沥青混合料配合比设计方法,分析了添再生料的冷补沥青混合料力学性能、路用性能与疲劳特性,并验证添加再生料冷补沥青混合料的技术可行性。结果表明,湿劈裂强度对冷补沥青掺量较为敏感,采用“修正马歇尔法”以湿劈裂强度峰值确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量是合适的;掺加适量RAPM后基质沥青冷补沥青混合料的马歇尔稳定度、贯入剪切强度、劈裂强度有显著提高,RAPM掺量达到30%~40%时基质沥青冷补混合料的各项路用性能、抗松散性能和疲劳寿命达到峰值,但是掺加RAPM对SBS改性沥青冷补混合料低温性能、水稳定性和疲劳性能有劣化影响,在RAPM掺量小于40%时,添再生料的冷补沥青混合料路用性能依然良好。稀释剂对老化SBS改性沥青有再生功能,将RAPM应用于冷补沥青混合料可有效提升废旧沥青路面材料的再生利用价值,保障冷补沥青混合料的使用寿命沥青网sinoasphalt.com


关键词 道路工程 | 冷补沥青混合料 | 废旧沥青路面材料 | 配合比设计 | 路用性能 | 性能评价


沥青路面坑槽、松散、剥落病害是我国高温多雨、湿热地区高速公路和城市主干道路主要的病害形式之一,尤其是在雨季或冰雪冻融后,若未及时修补,在车辆冲击荷载产生的动水压力下会加剧路面损害,严重危及行车安全、劣化路面服役寿命[1,2]。传统的坑槽修补方式主要有冷补和热补两种方法,冷补沥青混合料是一种全天候路面坑槽快速修补材料,具有可存储性、施工简单、开放交通快、节能环保等技术优势,国内外对冷补沥青混合料的研究与应用也最多[3-5]。禤炜安[6]基于马歇尔稳定度试验,对比了溶剂型、乳化型和反应型3种冷补沥青混合料的初始强度。谭忆秋[7]等研究了SBS改性沥青冷补沥青混合料的冷补液组成配方,验证了冷补沥青混合料的抗冻性能,结果表明SBS改性沥青掺制的冷补沥青混合料抗冻性能优异,适用于对云贵川等潮湿地区。徐文、孟文专[8-9]研究了溶剂型冷补沥青组成配方,分析了冷补沥青混合料的施工和易性、初期和成型马歇尔稳定度。马全红[10]、王佳旭[11]等采用低温和易性试验、冻融劈裂试验、浸水前后马歇尔试验和车辙试验研究了冷补沥青混合料的初始强度、水稳定性和高温稳定性。刘晓文[12]、李峰[13]基于冷补沥青混合料强度形成机理、施工性能和路用性能要求,提出冷补沥青混合料的评价指标及技术要求。张争奇[14-16]等研究了采用正交试验确定了溶剂型冷补沥青液、水性环氧树脂冷补沥青的组成比例,提出采用马歇尔稳定度试验、黏附性试验和车辙试验评价冷补沥青混合料使用性能。孙朝杰[17]等研究了聚酯纤维掺量对冷补沥青混合料水稳定性和抗松散性能的影响。总结已有研究成果可以发现,国内外对冷补沥青液组成配比、冷补沥青混合料路用性能、施工性能评价指标及技术要求有了系统研究,为冷补沥青混合料推广应用奠定了良好基础。


目前我国沥青路面已经进入大规模养护维修期,全国每年产生的废旧沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement Material)高达数千万吨,这个数字还在以每年约15%的速度增长,RAPM多元化高效利用可以发挥旧料价值,降低材料成本。RAPM再生利用主要包含集料再利用和老化沥青性能再生,传统冷再生技术将RAP充当“黑色集料”使用,应用层位较低,而热再生技术实现了老化沥青部分性能恢复和废旧集料再利用,但是热再生对旧料利用程度低。冷补沥青中煤油、柴油、汽油等稀释剂比例高达20%~30%,根据老化沥青再生“相容性理论”、“组分调节理论”,稀释剂有稀释、渗透功能,能够提高老化沥青中的芳香分含量、降低沥青质的相对含量,实现沥青组分配比的协调,将RAPM应用于冷补沥青混合料既保证RAPM在冷补沥青混合料中掺量,稀释剂的再生沥青作用又实现了老化沥青性能恢复。但是已有研究成果多侧重于冷补沥青液组成配比和冷补沥青混合料性能改善方面,尚未开展有关掺再生料冷补沥青混合料强度特性、路用性能和疲劳性能等研究工作。为了探讨添加再生料冷补沥青混合料的技术可行性,本研究将RAPM应用于冷补沥青混合料当中,基于室内试验研究探讨RAPM掺量对冷补沥青混合料力学强度、路用性能、疲劳性能的影响,研究成果为高效多元化利用RAPM提供思路,也为掺再生料冷补沥青混合料推广应用提供借鉴。


试验材料

冷补沥青由沥青胶结料、稀释剂、添加剂等组分按照一定的比例均匀溶解配制而成,目前冷补沥青主要有溶剂型、乳化型和反应型3种,溶剂型冷补沥青因成本低、施工和易性好等优势,国内对溶剂型冷补沥青的研究与应用也最多。本文采用3种溶剂型冷补沥青,基质沥青选用秦皇岛70#道路石油沥青,改性沥青选用4.5%SBS掺量的SBS改性沥青(I-D),沥青各项技术性能满足JTG F40-2004规范要求。稀释剂为-10#柴油,添加剂为陕西路邦LB-1型冷补沥青添加剂。基质沥青冷补胶结料主要配方为:基质沥青75%、-10#柴油稀释剂23%、LB-1添加剂2%,制备温度为110℃,剪切30min。

改性沥青冷补胶结料主要配方为:SBS改性沥青72%、-10#柴油稀释剂26%、LB-1添加剂2%(材料配比为质量比,下同)。制备温度为130℃,剪切45min。

回收沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement Material,RAPM)来源于山西某高速公路上中面层SBS改性沥青混合料,筛除大于20mm粒径颗粒后将RAM筛分后分为0~3、3~10、10~15、15~20mm共4档,RAP主要性能指标满足JTG F41-2008规范要求。新集料采用石灰岩碎石JTG F41-2008规范要求。新集料采用石灰岩碎石指标满足JTG F40-2004规范要求。根据原材料筛分试验结果和实体工程实践经验,选用JTG F40-2004推荐的LB-13细粒式冷补沥青混合料矿料级配,RAP掺量分别为0、20%、40%、50%、60%,合成级配见表1。


掺再生料的冷补沥青混合料配合比设计

目前国内外主要采用马歇尔稳定度试验和纸迹试验综合确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量。室内试验发现,马歇尔稳定度随冷补沥青用量增大的变化规律不明显,满足设计初始和成型马歇尔稳定度要求的冷补沥青用量未必是最佳值,通过观察试纸上墨迹(油斑)数量和分布情况判断冷补沥青用量是否合适,无定量评价指标和评判标准,冷补沥青用量的检验主要取决于工程经验。借鉴JTG F41-2008《公路沥青路面再生技术规范》厂拌乳化沥青冷再生混合料配合比设计方法,采用“修正马歇尔法”确定冷补沥青混合料最佳冷补沥青用量,并辅以纸迹试验验证。参考文献[4-7]预估冷补沥青混合料的最佳冷补沥青含量为4.8%,考虑到RAPM表面有沥青膜裹附,受柴油稀释剂浸泡后老化沥青可能会被还原,恢复部分黏结作用,因此适当降低了冷补沥青用量。试验时以4.4%为中值间隔0.4%变化5组沥青用量,正反各击实50次成型马歇尔试件,不脱模在110℃烘箱中养生24h,取出后冷却至60℃后趁热再双面各击实25次,完成标准马歇尔试件制备。将马歇尔试件在25℃水浴中保温24h,进行劈裂强度试验。试验加载速率50mm/min,试验结果见图1。

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由图1试验结果可知,随着冷补沥青用量增大,冷补沥青混合料的劈裂强度出现先增大后减小的变化趋势,在3.6%~5.2%冷补沥青用量范围内,12组冷补沥青混合料劈裂强度均出现了峰值,劈裂强度随冷补沥青用量增大有明显的规律性,对于基质沥青冷补混合料,在RAP掺量下的0、20%、30%、40%、50%、70%,冷补沥青混合料峰值劈裂强度对应的冷补沥青用量分别为4.8%、4.5%、4.3%、4.0%、3.9%、3.8%;SBS改性沥青冷补混合料,在0、20%、30%、40%、50%、70%RAP掺量下,冷补沥青混合料峰值劈裂强度对应的冷补沥青用量分别为4.9%、4.7%、4.4%、4.1%、3.9%、3.8%,可以发现,随着RAP掺量增大,冷补沥青混合料的峰值劈裂强度对应的最佳冷补沥青用量减小,分析以为,RAPM表面被老化沥青砂浆包裹,冷补沥青混合料在拌和合、养生阶段,老化沥青被柴油等溶剂浸泡后析出、融化,老化沥青可能被还原,起到了新沥青的黏结作用。随着RAP掺量增大,峰值劈裂强度先显著增大后缓慢降低,2种冷补沥青混合料均在RAP掺量为30%时劈裂强度达到最大,相同试验条件,SBS改性沥青冷补沥青混合料的劈裂强度比基质沥青冷补混合料增大了40%~60%。进一步采用纸迹试验验证峰值强度确定最佳冷补沥青含量的合理性,结果发现,油斑墨点接近于冷补沥青混合料颗粒与白纸接触面积,冷补沥青混合料光泽明亮、无流淌、离析,墨迹无连结成块和分散现象,说明沥青用量合适。综上,以峰值劈裂强度确定的最佳冷补沥青含量可较好区分不同改性沥青种类、劈裂强度对冷补沥青含量较为敏感,试验数据规律明确,试验方法受力明确,采用“修正马歇尔法”以湿劈裂强度峰值确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量是合适的。


冷补沥青混合料强度特性

马歇尔稳定度

在上述最佳沥青用量条件下正反各击实75次成型标准马歇尔试件,不脱模在30℃恒温水浴中养生3h,接着脱模,测试冷补沥青混合料的初始马歇尔稳定度。测试初始强度试为了保证冷补沥青混合料修补坑槽时,初期开放交通不致产生轮迹或者严重车辙病害。正反各击实50次成型马歇尔试件,不脱模在110℃烘箱中养生24h,取出后冷却至室温后再双面各击实25次,脱模后在30℃恒温水浴中养生3h后测试成型马歇尔稳定度,测试成型强度是为了保证冷补沥青混合料能有足够的结构强度。马歇尔稳定度试验结果见图2。

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由图2可以发现,在最佳冷补沥青用量下,12组冷补沥青混合料的初始、成型马歇尔稳定度均大于规范要求的3.5、5kN。相同RAPM掺量,使用SBS改性冷补胶结料的冷补沥青混合料比基质沥青冷补胶结料有更高的初始和成型马歇尔稳定度。对于基质沥青冷补混合料,RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,初始马歇尔稳定度比为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.27、1.5、1.16、1.05、0.96倍,成型马歇尔稳定度为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.23、1.34、1.25、1.04、0.95倍。对于SBS改性沥青冷补混合料,RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,初始马歇尔稳定度比为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.19、1.47、1.26、1.14、0.98倍,成型马歇尔稳定度为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.33、1.44、1.21、1.9、0.96倍,表明随着RAPM掺量增大,2种冷补沥青混合料的初始、成型马歇尔稳定度先增大后减小,在RAP掺量为30%时马歇尔稳定度达到最大,RAPM掺量在70%时,再生料冷补沥青混合料的马歇尔稳定度小于未掺再生料冷补沥青混合料。分析以为,RAPM表面有老化沥青砂浆裹附,在柴油稀释剂浸泡后老化沥青可能会被还原,起到了新沥青的作用,RAPM与老化沥青砂浆作用时间长,二者的界面黏附强度大于冷接触条件下的沥青与新集料界面作用,稀释剂有再生老化沥青功能,使得冷补沥青混合料内部的界面黏附强度和沥青胶浆之间的黏结强度有所提高,再者,受行车荷载作用和铣刨、破碎的二次加工的破坏作用,RAPM力学强度降低、级配变形性大,这些都对马歇尔稳定度有不利影响。此外,随着RAPM掺量增大,而稀释剂的再生老化沥青能力有限,表面老化沥青未被还原的RAPM仅作为黑色集料,综合反映在马歇尔稳定度先增大后减小。


贯入剪切强度

采用旋转压实成型直径100mm、高100mm圆柱体试件,加载速率1mm/min,试验温度为60℃,贯入剪切强度试验方法及试验数据处理严格参照JTG D50-2017附录F进行,贯入应力系数取0.34,试验结果见图3。

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由图3贯入剪切试验结果可知,SBS改性沥青冷补混合料的贯入剪切强度比基质沥青冷补混合料增大了18%~38%,随着RAPM掺量增大,冷补沥青混合料的贯入剪切强度先增大后减小,基质沥青冷补沥青混合料在RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,贯入剪切强度分别为0.42、0.49、0.44、0.4、0.32MPa,未掺RAPM的冷补沥青混合料贯入剪切强度仅为0.34MPa,RAPM掺量为30%时贯入剪切强度达到最大值,掺加20%、30%、40%、50%RAPM的冷补混合料比未掺再生料的冷补沥青混合料贯入剪切强度提高了23.5%、44.1%、29.4%、17.6%。SBS改性沥青冷补沥青混合料在RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,贯入剪切强度分别为0.51、0.58、0.54、0.48、0.41MPa,掺加20%、30%、40%、50%RAPM掺量的冷补混合料比未掺再生料的冷补沥青混合料贯入剪切强度提高了8.5%、23.4%、14.8%、2.1%。总结主要由2个方面引起,RAP表面老化沥青稠度大,且为SBS改性沥青,老化沥青与新沥青、稀释剂交融后相比未掺RAPM冷补液有更大的黏度,从而抗变形能力提高。再者,RAPM力学强度低、棱角性差且级配变异性大,随着RAPM掺量增大,RAPM粗集料之间的骨架嵌挤作用受RAPM的劣化作用影响越明显,综合反映在抗剪切强度先增大后减小的变化趋势。


冷补沥青混合料路用性能

低温性能

采用预切口半圆弯拉试验、低温小梁弯曲试验综合评价冷补沥青混合的低温抗裂性能,试验温度采用-10℃。半圆弯拉试验采用直径150mm,厚度30mm半圆试件,预切口深度10mm,试验加载速率2.54mm/min,用于模拟冷补沥青路面开裂后,冷补沥青混合料抵抗裂缝发展的能力,试验评价指标为开裂应变能。低温小梁弯曲试验试件尺寸250mm×35mm×35mm,试件有效跨径200mm,试验加载速率50mm/min,试验评价指标为弯拉强度和弯曲破坏应变试验结果见表2。

由表2可见,对于基质沥青冷补混合料,随着RAPM掺量增大,开裂应变能、弯拉强度、弯曲破坏应变均呈先增大后减小的变化趋势,在RAPM掺量为30%时低温抗裂性能最优,在RAPM掺量20%~40%范围内,再生料冷补沥青混合料的开裂应变增大了36.1%~60.2%、弯拉强度增大了4.2%~12.5%、弯曲破坏应变增大了11.9%~33.5%。而对于SBS改性沥青冷补混合料,相比未参加RAPM的冷补沥青混合料,在RAPM掺量20%、30%、40%、50%、70%条件下,开裂应变能降低了10.8%、16.2%、19.8%、24.7%、32.4%,弯拉强度降低了4.9%、7.3%、10.4%、14.8%、18.8%,弯曲破坏应变降低了8.8%、13.7%、18.9%、22.2%、28.9%。基质沥青冷补混合料低温性能随RAPM掺量增加的变化趋势与改性沥青冷补混合料不同,总结主要有3个方面原因,沥青老化后变硬、变脆,低温延展性和释放荷载能力降低,RAPM掺量越大,老化沥青数量越多,RAPM削弱冷补沥青混合料低温性能越明显。随着RAPM掺量增大,最佳冷补沥青含量降低,冷补沥青混合料柔性降低、低温变形能力衰退。掺加稀释剂对老化沥青性能有一定恢复功能,老化SBS改性沥青的性能得到再生,再生后的SBS改性沥青低温性能优于基质沥青,但仍不如老化前的SBS改性沥青。综合反映在冷补沥青混合料低温性能的提高和衰减。


水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价冷补沥青混合料的水稳定性,试验方法参照JTG E20-2011进行,结果见表3。

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由表3可知,使用SBS改性沥青冷补液,冷补沥青混合料冻融劈裂强度比和马歇尔残留稳定度均随RAPM掺量增大而降低,基质沥青冷补混合料随RAPM掺量增大总体呈下降趋势,在RAPM掺量为20%~40%时马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比略有提高。不同RAPM掺量的冷补沥青混合料,冻融劈裂强度比大于85%、马歇尔残留物稳定度大于90%,说明冷补沥青混合料有良好的水稳定性,RAPM掺量对冷补沥青混合料水稳定性的负面影响不大。


高温稳定性

冷补沥青混合料修补坑槽,在服役期间行车荷载的压密作用后形成低洼结构面,修补处易受车辆的冲击荷载作用,这对冷补沥青混合料的高温变形能力提出了更高要求。采用车辙试验评价冷补沥青混合料的高温稳定性,试验温度60℃,车辙试件厚5cm,试验加载速率42次/min,以车辙试验动稳定度、加载60min车辙变形量为评价指标,试验结果见表4。

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由表4可知,2种冷补沥青混合料的车辙试验动稳定度随着RAPM掺量增大而增大,车辙变形量随RAPM掺量增大而减小,在20%、30%、40%、50%、70%RAPM掺量下,基质沥青冷补混合料的动稳定度增大了8.9%、30%、36.8%、46%、59.3%,60min车辙变形量减小了7.4%、12.6%、18%、23.4%、27%,SBS改性沥青冷补混合料的动稳定度增大了7.9%、19.1%、32.7%、36.2%、42.2%,60min车辙变形量减小了9.9%、16.7%、24.5%、25.5%、27.9%,由此可见,掺加RAPM有利于提高冷补沥青混合料的抗变形能力,RAPM掺量越大,冷补沥青混合料的高温性能越好。


抗松散性能

采用肯塔堡分散试验评价冷补沥青混合料黏结性和模拟车辆荷载作用下集料脱落而散失的程度,试验方法、步骤参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0733-2011)进行,以冷补沥青混合料马歇尔试件在洛杉矶试验仪中撞击100、300次,冷补沥青混合料试件散落材料的质量的百分比表示。试验结果见表5。

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由表5可知,分散撞击100次的冷补沥青混合料分散质量损失率小于10%,相同撞击次数,改性沥青冷补混合料的质量损失远小于基质沥青冷补混合料,随着RAPM掺量增大,基质沥青冷补混合料抗松散性能先是略有提升后缓慢降低,SBS改性沥青冷补混合料松散质量损失随RAPM掺量增大呈线性关系增大,松散质量损失越小,冷补沥青混合料的黏结力越高、抗松散性能越好,由此可见SBS改性沥青冷补沥青混合料的抗松散性能优于基质沥青冷补混合料,掺加20%~40%RAPM有利于提高基质沥青冷补混合料的抗松散性能,但RAPM对改性沥青冷补混合料抗松散性能有劣化影响。分析其原因,老化SBS改性沥青受稀释剂还原作用后黏结力优于基质沥青,但沥青老化与再生是不可逆过程,老化沥青性能不可能完全被恢复,再生后的沥青性能不如SBS原样沥青。


冷补沥青混合料疲劳特性

按照JTG E20-2011进行四点弯曲疲劳试验试验方法T0739-2011),试验选择300με、400με、600με、1000με的4个应变水平,试验温度为20℃,结果见表6。

由表6可知,随着应变水平增大,冷补沥青混合料疲劳寿命呈指数函数关系减小,在应变水平与疲劳寿命的双对数坐标内二者呈良好的负线性相关性,拟合优化度R^2大于0.95。对于基质沥青冷补沥青混合料,随着RAPM掺量增大,相同应变水平下的疲劳寿命呈先增大后减小的变化趋势,在RAPM掺量在30%时疲劳寿命出现峰值,RAPM掺量达到70%时疲劳寿命将小于普通冷补沥青混合料,因此当使用基质沥青冷补液时,应控制RAPM掺量在30%~40%为宜。与基质沥青冷补混合料不同,随着RAPM掺量增大,SBS改性沥青冷补混合料相同应变水平下的疲劳寿命呈递减趋势衰减,RAPM掺量20%~70%范围内,300、400、600、1000με水平下的疲劳寿命分别降低3.9%~51.7%、18.5%~93.6%、15.3%~203.1%、16.1%~340.6%,应变水平越高,增大RAPM掺量对改性沥青冷补混合料疲劳寿命的劣化影响越严重。


结论

a.随着冷补液用量增大,冷补沥青混合料的湿劈裂强度先增大后减小,湿劈裂强度对冷补沥青掺量较为敏感,采用“修正马歇尔法”以湿劈裂强度峰值确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量是合适的。随着RAPM掺量增大,冷补沥青混合料的峰值劈裂强度对应的最佳冷补沥青用量减小,贯入剪切强度、劈裂强度、马歇尔稳定度随RAPM掺量增大而降低。

b.表面层和中面层铣刨的RAPM中含有大量老化SBS改性沥青,冷补液中稀释剂对老化沥青有再生功能,老化沥青与冷补液混融后基质沥青冷补沥青混合料的高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能有显著改善。将RAPM应用于冷补沥青混合料可有效提升废旧沥青路面材料的再生利用价值,具有推广应用价值。

c.RAPM掺量对冷补沥青混合料抗松散性能、路用性能和疲劳性能的影响较为敏感,综合考虑,建议用于冷补沥青混合料的适宜RAPM掺量为30%~40%。

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标签:施工案例技术中心再生沥青沥青混凝土改性沥青
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摘 要

为了多元化高效利用回收沥青路面材(RAPM),考虑冷补液中的稀释剂有再生老化沥青功能,将RAPM应用于基质沥青和SBS改性沥青冷补混合料中,基于室内试验综合研究了冷补沥青混合料配合比设计方法,分析了添再生料的冷补沥青混合料力学性能、路用性能与疲劳特性,并验证添加再生料冷补沥青混合料的技术可行性。结果表明,湿劈裂强度对冷补沥青掺量较为敏感,采用“修正马歇尔法”以湿劈裂强度峰值确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量是合适的;掺加适量RAPM后基质沥青冷补沥青混合料的马歇尔稳定度、贯入剪切强度、劈裂强度有显著提高,RAPM掺量达到30%~40%时基质沥青冷补混合料的各项路用性能、抗松散性能和疲劳寿命达到峰值,但是掺加RAPM对SBS改性沥青冷补混合料低温性能、水稳定性和疲劳性能有劣化影响,在RAPM掺量小于40%时,添再生料的冷补沥青混合料路用性能依然良好。稀释剂对老化SBS改性沥青有再生功能,将RAPM应用于冷补沥青混合料可有效提升废旧沥青路面材料的再生利用价值,保障冷补沥青混合料的使用寿命沥青网sinoasphalt.com


关键词 道路工程 | 冷补沥青混合料 | 废旧沥青路面材料 | 配合比设计 | 路用性能 | 性能评价


沥青路面坑槽、松散、剥落病害是我国高温多雨、湿热地区高速公路和城市主干道路主要的病害形式之一,尤其是在雨季或冰雪冻融后,若未及时修补,在车辆冲击荷载产生的动水压力下会加剧路面损害,严重危及行车安全、劣化路面服役寿命[1,2]。传统的坑槽修补方式主要有冷补和热补两种方法,冷补沥青混合料是一种全天候路面坑槽快速修补材料,具有可存储性、施工简单、开放交通快、节能环保等技术优势,国内外对冷补沥青混合料的研究与应用也最多[3-5]。禤炜安[6]基于马歇尔稳定度试验,对比了溶剂型、乳化型和反应型3种冷补沥青混合料的初始强度。谭忆秋[7]等研究了SBS改性沥青冷补沥青混合料的冷补液组成配方,验证了冷补沥青混合料的抗冻性能,结果表明SBS改性沥青掺制的冷补沥青混合料抗冻性能优异,适用于对云贵川等潮湿地区。徐文、孟文专[8-9]研究了溶剂型冷补沥青组成配方,分析了冷补沥青混合料的施工和易性、初期和成型马歇尔稳定度。马全红[10]、王佳旭[11]等采用低温和易性试验、冻融劈裂试验、浸水前后马歇尔试验和车辙试验研究了冷补沥青混合料的初始强度、水稳定性和高温稳定性。刘晓文[12]、李峰[13]基于冷补沥青混合料强度形成机理、施工性能和路用性能要求,提出冷补沥青混合料的评价指标及技术要求。张争奇[14-16]等研究了采用正交试验确定了溶剂型冷补沥青液、水性环氧树脂冷补沥青的组成比例,提出采用马歇尔稳定度试验、黏附性试验和车辙试验评价冷补沥青混合料使用性能。孙朝杰[17]等研究了聚酯纤维掺量对冷补沥青混合料水稳定性和抗松散性能的影响。总结已有研究成果可以发现,国内外对冷补沥青液组成配比、冷补沥青混合料路用性能、施工性能评价指标及技术要求有了系统研究,为冷补沥青混合料推广应用奠定了良好基础。


目前我国沥青路面已经进入大规模养护维修期,全国每年产生的废旧沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement Material)高达数千万吨,这个数字还在以每年约15%的速度增长,RAPM多元化高效利用可以发挥旧料价值,降低材料成本。RAPM再生利用主要包含集料再利用和老化沥青性能再生,传统冷再生技术将RAP充当“黑色集料”使用,应用层位较低,而热再生技术实现了老化沥青部分性能恢复和废旧集料再利用,但是热再生对旧料利用程度低。冷补沥青中煤油、柴油、汽油等稀释剂比例高达20%~30%,根据老化沥青再生“相容性理论”、“组分调节理论”,稀释剂有稀释、渗透功能,能够提高老化沥青中的芳香分含量、降低沥青质的相对含量,实现沥青组分配比的协调,将RAPM应用于冷补沥青混合料既保证RAPM在冷补沥青混合料中掺量,稀释剂的再生沥青作用又实现了老化沥青性能恢复。但是已有研究成果多侧重于冷补沥青液组成配比和冷补沥青混合料性能改善方面,尚未开展有关掺再生料冷补沥青混合料强度特性、路用性能和疲劳性能等研究工作。为了探讨添加再生料冷补沥青混合料的技术可行性,本研究将RAPM应用于冷补沥青混合料当中,基于室内试验研究探讨RAPM掺量对冷补沥青混合料力学强度、路用性能、疲劳性能的影响,研究成果为高效多元化利用RAPM提供思路,也为掺再生料冷补沥青混合料推广应用提供借鉴。


试验材料

冷补沥青由沥青胶结料、稀释剂、添加剂等组分按照一定的比例均匀溶解配制而成,目前冷补沥青主要有溶剂型、乳化型和反应型3种,溶剂型冷补沥青因成本低、施工和易性好等优势,国内对溶剂型冷补沥青的研究与应用也最多。本文采用3种溶剂型冷补沥青,基质沥青选用秦皇岛70#道路石油沥青,改性沥青选用4.5%SBS掺量的SBS改性沥青(I-D),沥青各项技术性能满足JTG F40-2004规范要求。稀释剂为-10#柴油,添加剂为陕西路邦LB-1型冷补沥青添加剂。基质沥青冷补胶结料主要配方为:基质沥青75%、-10#柴油稀释剂23%、LB-1添加剂2%,制备温度为110℃,剪切30min。

改性沥青冷补胶结料主要配方为:SBS改性沥青72%、-10#柴油稀释剂26%、LB-1添加剂2%(材料配比为质量比,下同)。制备温度为130℃,剪切45min。

回收沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement Material,RAPM)来源于山西某高速公路上中面层SBS改性沥青混合料,筛除大于20mm粒径颗粒后将RAM筛分后分为0~3、3~10、10~15、15~20mm共4档,RAP主要性能指标满足JTG F41-2008规范要求。新集料采用石灰岩碎石JTG F41-2008规范要求。新集料采用石灰岩碎石指标满足JTG F40-2004规范要求。根据原材料筛分试验结果和实体工程实践经验,选用JTG F40-2004推荐的LB-13细粒式冷补沥青混合料矿料级配,RAP掺量分别为0、20%、40%、50%、60%,合成级配见表1。


掺再生料的冷补沥青混合料配合比设计

目前国内外主要采用马歇尔稳定度试验和纸迹试验综合确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量。室内试验发现,马歇尔稳定度随冷补沥青用量增大的变化规律不明显,满足设计初始和成型马歇尔稳定度要求的冷补沥青用量未必是最佳值,通过观察试纸上墨迹(油斑)数量和分布情况判断冷补沥青用量是否合适,无定量评价指标和评判标准,冷补沥青用量的检验主要取决于工程经验。借鉴JTG F41-2008《公路沥青路面再生技术规范》厂拌乳化沥青冷再生混合料配合比设计方法,采用“修正马歇尔法”确定冷补沥青混合料最佳冷补沥青用量,并辅以纸迹试验验证。参考文献[4-7]预估冷补沥青混合料的最佳冷补沥青含量为4.8%,考虑到RAPM表面有沥青膜裹附,受柴油稀释剂浸泡后老化沥青可能会被还原,恢复部分黏结作用,因此适当降低了冷补沥青用量。试验时以4.4%为中值间隔0.4%变化5组沥青用量,正反各击实50次成型马歇尔试件,不脱模在110℃烘箱中养生24h,取出后冷却至60℃后趁热再双面各击实25次,完成标准马歇尔试件制备。将马歇尔试件在25℃水浴中保温24h,进行劈裂强度试验。试验加载速率50mm/min,试验结果见图1。

添加再生料的冷补沥青混合料组成设计与性能评价 沥青网,sinoasphalt.com

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由图1试验结果可知,随着冷补沥青用量增大,冷补沥青混合料的劈裂强度出现先增大后减小的变化趋势,在3.6%~5.2%冷补沥青用量范围内,12组冷补沥青混合料劈裂强度均出现了峰值,劈裂强度随冷补沥青用量增大有明显的规律性,对于基质沥青冷补混合料,在RAP掺量下的0、20%、30%、40%、50%、70%,冷补沥青混合料峰值劈裂强度对应的冷补沥青用量分别为4.8%、4.5%、4.3%、4.0%、3.9%、3.8%;SBS改性沥青冷补混合料,在0、20%、30%、40%、50%、70%RAP掺量下,冷补沥青混合料峰值劈裂强度对应的冷补沥青用量分别为4.9%、4.7%、4.4%、4.1%、3.9%、3.8%,可以发现,随着RAP掺量增大,冷补沥青混合料的峰值劈裂强度对应的最佳冷补沥青用量减小,分析以为,RAPM表面被老化沥青砂浆包裹,冷补沥青混合料在拌和合、养生阶段,老化沥青被柴油等溶剂浸泡后析出、融化,老化沥青可能被还原,起到了新沥青的黏结作用。随着RAP掺量增大,峰值劈裂强度先显著增大后缓慢降低,2种冷补沥青混合料均在RAP掺量为30%时劈裂强度达到最大,相同试验条件,SBS改性沥青冷补沥青混合料的劈裂强度比基质沥青冷补混合料增大了40%~60%。进一步采用纸迹试验验证峰值强度确定最佳冷补沥青含量的合理性,结果发现,油斑墨点接近于冷补沥青混合料颗粒与白纸接触面积,冷补沥青混合料光泽明亮、无流淌、离析,墨迹无连结成块和分散现象,说明沥青用量合适。综上,以峰值劈裂强度确定的最佳冷补沥青含量可较好区分不同改性沥青种类、劈裂强度对冷补沥青含量较为敏感,试验数据规律明确,试验方法受力明确,采用“修正马歇尔法”以湿劈裂强度峰值确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量是合适的。


冷补沥青混合料强度特性

马歇尔稳定度

在上述最佳沥青用量条件下正反各击实75次成型标准马歇尔试件,不脱模在30℃恒温水浴中养生3h,接着脱模,测试冷补沥青混合料的初始马歇尔稳定度。测试初始强度试为了保证冷补沥青混合料修补坑槽时,初期开放交通不致产生轮迹或者严重车辙病害。正反各击实50次成型马歇尔试件,不脱模在110℃烘箱中养生24h,取出后冷却至室温后再双面各击实25次,脱模后在30℃恒温水浴中养生3h后测试成型马歇尔稳定度,测试成型强度是为了保证冷补沥青混合料能有足够的结构强度。马歇尔稳定度试验结果见图2。

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由图2可以发现,在最佳冷补沥青用量下,12组冷补沥青混合料的初始、成型马歇尔稳定度均大于规范要求的3.5、5kN。相同RAPM掺量,使用SBS改性冷补胶结料的冷补沥青混合料比基质沥青冷补胶结料有更高的初始和成型马歇尔稳定度。对于基质沥青冷补混合料,RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,初始马歇尔稳定度比为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.27、1.5、1.16、1.05、0.96倍,成型马歇尔稳定度为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.23、1.34、1.25、1.04、0.95倍。对于SBS改性沥青冷补混合料,RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,初始马歇尔稳定度比为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.19、1.47、1.26、1.14、0.98倍,成型马歇尔稳定度为未掺RAPM的冷补沥青混合料的1.33、1.44、1.21、1.9、0.96倍,表明随着RAPM掺量增大,2种冷补沥青混合料的初始、成型马歇尔稳定度先增大后减小,在RAP掺量为30%时马歇尔稳定度达到最大,RAPM掺量在70%时,再生料冷补沥青混合料的马歇尔稳定度小于未掺再生料冷补沥青混合料。分析以为,RAPM表面有老化沥青砂浆裹附,在柴油稀释剂浸泡后老化沥青可能会被还原,起到了新沥青的作用,RAPM与老化沥青砂浆作用时间长,二者的界面黏附强度大于冷接触条件下的沥青与新集料界面作用,稀释剂有再生老化沥青功能,使得冷补沥青混合料内部的界面黏附强度和沥青胶浆之间的黏结强度有所提高,再者,受行车荷载作用和铣刨、破碎的二次加工的破坏作用,RAPM力学强度降低、级配变形性大,这些都对马歇尔稳定度有不利影响。此外,随着RAPM掺量增大,而稀释剂的再生老化沥青能力有限,表面老化沥青未被还原的RAPM仅作为黑色集料,综合反映在马歇尔稳定度先增大后减小。


贯入剪切强度

采用旋转压实成型直径100mm、高100mm圆柱体试件,加载速率1mm/min,试验温度为60℃,贯入剪切强度试验方法及试验数据处理严格参照JTG D50-2017附录F进行,贯入应力系数取0.34,试验结果见图3。

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由图3贯入剪切试验结果可知,SBS改性沥青冷补混合料的贯入剪切强度比基质沥青冷补混合料增大了18%~38%,随着RAPM掺量增大,冷补沥青混合料的贯入剪切强度先增大后减小,基质沥青冷补沥青混合料在RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,贯入剪切强度分别为0.42、0.49、0.44、0.4、0.32MPa,未掺RAPM的冷补沥青混合料贯入剪切强度仅为0.34MPa,RAPM掺量为30%时贯入剪切强度达到最大值,掺加20%、30%、40%、50%RAPM的冷补混合料比未掺再生料的冷补沥青混合料贯入剪切强度提高了23.5%、44.1%、29.4%、17.6%。SBS改性沥青冷补沥青混合料在RAPM掺量为20%、30%、40%、50%、70%时,贯入剪切强度分别为0.51、0.58、0.54、0.48、0.41MPa,掺加20%、30%、40%、50%RAPM掺量的冷补混合料比未掺再生料的冷补沥青混合料贯入剪切强度提高了8.5%、23.4%、14.8%、2.1%。总结主要由2个方面引起,RAP表面老化沥青稠度大,且为SBS改性沥青,老化沥青与新沥青、稀释剂交融后相比未掺RAPM冷补液有更大的黏度,从而抗变形能力提高。再者,RAPM力学强度低、棱角性差且级配变异性大,随着RAPM掺量增大,RAPM粗集料之间的骨架嵌挤作用受RAPM的劣化作用影响越明显,综合反映在抗剪切强度先增大后减小的变化趋势。


冷补沥青混合料路用性能

低温性能

采用预切口半圆弯拉试验、低温小梁弯曲试验综合评价冷补沥青混合的低温抗裂性能,试验温度采用-10℃。半圆弯拉试验采用直径150mm,厚度30mm半圆试件,预切口深度10mm,试验加载速率2.54mm/min,用于模拟冷补沥青路面开裂后,冷补沥青混合料抵抗裂缝发展的能力,试验评价指标为开裂应变能。低温小梁弯曲试验试件尺寸250mm×35mm×35mm,试件有效跨径200mm,试验加载速率50mm/min,试验评价指标为弯拉强度和弯曲破坏应变试验结果见表2。

由表2可见,对于基质沥青冷补混合料,随着RAPM掺量增大,开裂应变能、弯拉强度、弯曲破坏应变均呈先增大后减小的变化趋势,在RAPM掺量为30%时低温抗裂性能最优,在RAPM掺量20%~40%范围内,再生料冷补沥青混合料的开裂应变增大了36.1%~60.2%、弯拉强度增大了4.2%~12.5%、弯曲破坏应变增大了11.9%~33.5%。而对于SBS改性沥青冷补混合料,相比未参加RAPM的冷补沥青混合料,在RAPM掺量20%、30%、40%、50%、70%条件下,开裂应变能降低了10.8%、16.2%、19.8%、24.7%、32.4%,弯拉强度降低了4.9%、7.3%、10.4%、14.8%、18.8%,弯曲破坏应变降低了8.8%、13.7%、18.9%、22.2%、28.9%。基质沥青冷补混合料低温性能随RAPM掺量增加的变化趋势与改性沥青冷补混合料不同,总结主要有3个方面原因,沥青老化后变硬、变脆,低温延展性和释放荷载能力降低,RAPM掺量越大,老化沥青数量越多,RAPM削弱冷补沥青混合料低温性能越明显。随着RAPM掺量增大,最佳冷补沥青含量降低,冷补沥青混合料柔性降低、低温变形能力衰退。掺加稀释剂对老化沥青性能有一定恢复功能,老化SBS改性沥青的性能得到再生,再生后的SBS改性沥青低温性能优于基质沥青,但仍不如老化前的SBS改性沥青。综合反映在冷补沥青混合料低温性能的提高和衰减。


水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价冷补沥青混合料的水稳定性,试验方法参照JTG E20-2011进行,结果见表3。

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由表3可知,使用SBS改性沥青冷补液,冷补沥青混合料冻融劈裂强度比和马歇尔残留稳定度均随RAPM掺量增大而降低,基质沥青冷补混合料随RAPM掺量增大总体呈下降趋势,在RAPM掺量为20%~40%时马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比略有提高。不同RAPM掺量的冷补沥青混合料,冻融劈裂强度比大于85%、马歇尔残留物稳定度大于90%,说明冷补沥青混合料有良好的水稳定性,RAPM掺量对冷补沥青混合料水稳定性的负面影响不大。


高温稳定性

冷补沥青混合料修补坑槽,在服役期间行车荷载的压密作用后形成低洼结构面,修补处易受车辆的冲击荷载作用,这对冷补沥青混合料的高温变形能力提出了更高要求。采用车辙试验评价冷补沥青混合料的高温稳定性,试验温度60℃,车辙试件厚5cm,试验加载速率42次/min,以车辙试验动稳定度、加载60min车辙变形量为评价指标,试验结果见表4。

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由表4可知,2种冷补沥青混合料的车辙试验动稳定度随着RAPM掺量增大而增大,车辙变形量随RAPM掺量增大而减小,在20%、30%、40%、50%、70%RAPM掺量下,基质沥青冷补混合料的动稳定度增大了8.9%、30%、36.8%、46%、59.3%,60min车辙变形量减小了7.4%、12.6%、18%、23.4%、27%,SBS改性沥青冷补混合料的动稳定度增大了7.9%、19.1%、32.7%、36.2%、42.2%,60min车辙变形量减小了9.9%、16.7%、24.5%、25.5%、27.9%,由此可见,掺加RAPM有利于提高冷补沥青混合料的抗变形能力,RAPM掺量越大,冷补沥青混合料的高温性能越好。


抗松散性能

采用肯塔堡分散试验评价冷补沥青混合料黏结性和模拟车辆荷载作用下集料脱落而散失的程度,试验方法、步骤参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0733-2011)进行,以冷补沥青混合料马歇尔试件在洛杉矶试验仪中撞击100、300次,冷补沥青混合料试件散落材料的质量的百分比表示。试验结果见表5。

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由表5可知,分散撞击100次的冷补沥青混合料分散质量损失率小于10%,相同撞击次数,改性沥青冷补混合料的质量损失远小于基质沥青冷补混合料,随着RAPM掺量增大,基质沥青冷补混合料抗松散性能先是略有提升后缓慢降低,SBS改性沥青冷补混合料松散质量损失随RAPM掺量增大呈线性关系增大,松散质量损失越小,冷补沥青混合料的黏结力越高、抗松散性能越好,由此可见SBS改性沥青冷补沥青混合料的抗松散性能优于基质沥青冷补混合料,掺加20%~40%RAPM有利于提高基质沥青冷补混合料的抗松散性能,但RAPM对改性沥青冷补混合料抗松散性能有劣化影响。分析其原因,老化SBS改性沥青受稀释剂还原作用后黏结力优于基质沥青,但沥青老化与再生是不可逆过程,老化沥青性能不可能完全被恢复,再生后的沥青性能不如SBS原样沥青。


冷补沥青混合料疲劳特性

按照JTG E20-2011进行四点弯曲疲劳试验试验方法T0739-2011),试验选择300με、400με、600με、1000με的4个应变水平,试验温度为20℃,结果见表6。

由表6可知,随着应变水平增大,冷补沥青混合料疲劳寿命呈指数函数关系减小,在应变水平与疲劳寿命的双对数坐标内二者呈良好的负线性相关性,拟合优化度R^2大于0.95。对于基质沥青冷补沥青混合料,随着RAPM掺量增大,相同应变水平下的疲劳寿命呈先增大后减小的变化趋势,在RAPM掺量在30%时疲劳寿命出现峰值,RAPM掺量达到70%时疲劳寿命将小于普通冷补沥青混合料,因此当使用基质沥青冷补液时,应控制RAPM掺量在30%~40%为宜。与基质沥青冷补混合料不同,随着RAPM掺量增大,SBS改性沥青冷补混合料相同应变水平下的疲劳寿命呈递减趋势衰减,RAPM掺量20%~70%范围内,300、400、600、1000με水平下的疲劳寿命分别降低3.9%~51.7%、18.5%~93.6%、15.3%~203.1%、16.1%~340.6%,应变水平越高,增大RAPM掺量对改性沥青冷补混合料疲劳寿命的劣化影响越严重。


结论

a.随着冷补液用量增大,冷补沥青混合料的湿劈裂强度先增大后减小,湿劈裂强度对冷补沥青掺量较为敏感,采用“修正马歇尔法”以湿劈裂强度峰值确定冷补沥青混合料的最佳冷补沥青用量是合适的。随着RAPM掺量增大,冷补沥青混合料的峰值劈裂强度对应的最佳冷补沥青用量减小,贯入剪切强度、劈裂强度、马歇尔稳定度随RAPM掺量增大而降低。

b.表面层和中面层铣刨的RAPM中含有大量老化SBS改性沥青,冷补液中稀释剂对老化沥青有再生功能,老化沥青与冷补液混融后基质沥青冷补沥青混合料的高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能有显著改善。将RAPM应用于冷补沥青混合料可有效提升废旧沥青路面材料的再生利用价值,具有推广应用价值。

c.RAPM掺量对冷补沥青混合料抗松散性能、路用性能和疲劳性能的影响较为敏感,综合考虑,建议用于冷补沥青混合料的适宜RAPM掺量为30%~40%。

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