團粒結構對再生瀝青混合料路用性能的影響

杜曉博 劉曉彤 張宏超 劉文昶 張 鋒

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

0 引 言

近年來，隨著對環保的日益重視及資源的日漸短缺，廢舊瀝青混合料再生技術已成為道路工程的研究熱點.但是關于舊料的研究主要集中在舊料的摻量等對再生瀝青混合料路用性能的影響上，對于舊料本身結構的研究則較少.實際上，舊料銑刨后，集料并不像新的混合料一樣是松散的，大部分舊料是由多個集料通過瀝青黏結成團存在的，通常稱為團粒結構[1].在混合料再生的過程中，團粒結構并不能完全分散，因此在再生瀝青混合料中仍然存在團粒結構.團粒結構的存在對瀝青混合料究竟會產生何種影響需要進行進一步研究.

1 團粒結構評價指標

通常來說，進行混合料再生設計時會對舊料進行抽提，確定舊料級配和瀝青含量等，團粒結構的存在將對級配產生影響.因此，采用某種指標評價團粒結構的存在對舊料級配的影響是有實際意義的，也是可行的.根據舊料抽提前后的級配差異建立團粒結構指標，為

(1)

式中：Jt為團粒結構結團程度；Bi0為各篩孔抽提前分計篩余質量分數；Bi為各篩孔抽提后分計篩余質量分數；Jt為0時，廢舊瀝青混合料中不存在團粒結構；Jt越接近于1，則廢舊瀝青混合料結團程度越高.

2 試驗方案

熱拌再生瀝青混合料配合比設計方法如下：對舊料進行抽提，得到回收瀝青和回收集料；之后計算舊料中的瀝青含量，同時對回收瀝青進行性能試驗和再生劑摻量試驗并確定再生劑摻量；對回收集料進行篩分試驗確定回收集料級配，依據該級配將舊料作為一檔集料，與新集料進行合成級配的設計.

因此，熱拌再生瀝青混合料的目標級配設計是按照舊料抽提后的回收集料級配設計的，其中隱含了舊料里的團粒結構在熱再生過程中全部散開的假設.然而在實際應用中，團粒結構仍然存在于再生瀝青混合料中，所以利用抽提后回收集料的級配進行配合比設計是不合理的.為探究團粒結構對熱再生瀝青混合料路用性能的影響，對比試驗方案見表1.

模擬舊料是由新集料按10%舊料(10～26 mm)和25%舊料(0～10 mm)抽提后的級配配成的模擬集料與模擬老化瀝青組成.

該對比試驗中，兩種再生瀝青混合料的變量為摻加的舊料形態不同.普通再生瀝青混合料(普通再生料)摻加的是實際的舊料，里面含有大量的團粒結構；而模擬舊料再生瀝青混合料(模擬再生料)摻加的是按照舊料抽提后的級配配成的模擬集料與相應含量的模擬老化瀝青，旨在模擬舊料中團粒結構在拌和中完全散開的情況，即理想狀態下的熱再生瀝青混合料設計.

3 材 料

3.1 舊料

3.1.1舊料級配

將舊料分成0～10 mm和10～26 mm兩檔，各取五組分別進行篩分試驗，然后進行抽提及瀝青的回收.抽提及回收瀝青分別采用文獻[2]中T0722—1993和T0727—2011兩種方法進行.舊料抽提前后篩分結果見表2.

3.1.2團粒結構結團程度評價

根據式(1)，對10～26 mm和0～10 mm兩檔舊料進行了團粒結構結團指標的計算，計算結果見表3.

表3 0～10 mm和10～26 mm舊料結團程度指標

由表3可知，不同粗細的舊料相比，粒徑較粗的舊料中結團程度明顯高于粒徑較小的舊料，說明團粒結構更廣泛地存在于粒徑較粗的舊料中，為保證再生瀝青混合料的路用性能，減小團粒結構對其的影響，應控制粒徑較粗舊料的摻配比例.

3.1.3舊料瀝青

通過抽提，可以得到舊料中瀝青含量.0～10 mm檔舊料瀝青平均含量為3.9%，10～26 mm檔舊料中瀝青平均含量為1.7%.舊料瀝青的三大指標見表4.

表4 舊料瀝青三大指標

3.2 基質瀝青

用于模擬老化的原樣瀝青以及舊料再生時加入的新瀝青均采用中海70#基質瀝青，其瀝青性能指標見表5.

表5 70#基質瀝青性能指標

3.3 其他材料

粗細集料均采用石灰巖，礦粉采用石灰巖磨成的石粉，再生劑為自制再生劑.

4 瀝青老化模擬及再生劑含量確定

4.1 瀝青老化模擬

采用薄膜烘箱加熱試驗對70#基質瀝青進行老化模擬，稱取50 g瀝青放入不銹鋼盛樣皿中，在193 ℃的溫度下，以5.5 r/min的速率旋轉加熱.加熱時間分別選擇6，8，10，12 h，對老化后的瀝青試樣進行三大指標測定，分別與舊料瀝青三大指標進行對比，確定最終老化時間，結果見表6.

由表6可知，老化12 h后瀝青三大指標與舊料瀝青指標較為接近，且根據趨勢可以看出，老化10 h之后瀝青性能指標變化幅度較小，再增加老化時間對瀝青性能指標影響不大，故確定模擬老化瀝青的實驗室制備條件為薄膜烘箱193 ℃，老化時間為12 h.

表6 不同老化時間下瀝青性能指標

4.2 再生劑含量確定

為確定廢舊瀝青混合料所需摻加的再生劑比例，本節用上節制備的模擬老化瀝青分別摻加6%，8%，12%，14%的再生劑，充分攪拌靜置1 h后，進行再生瀝青的三大指標試驗，試驗結果見表7.

表7 摻加不同含量再生劑的再生瀝青三大指標

由表7可知，隨著再生劑含量的提高，針入度、延度逐步增大，軟化點逐步減小.綜合三大指標變化情況，確定再生劑含量為14%.

5 瀝青混合料配合比設計

5.1 拌和工藝

廢舊瀝青混合料再生過程的理想狀態是，舊料上的瀝青可以向新料上轉移，同時和再生劑、新瀝青得到良好的融合以形成新的瀝青混合料.但是舊料上的瀝青已經老化，變硬變黏，流動性變差，如果按照普通拌和過程進行拌和，舊瀝青往往難以向新料上轉移，以致再生瀝青混合料中新舊瀝青分布不均，路用性能變差.因此普通再生料采用以下拌和工藝進行混合料的拌和：①將材料和拌鍋分別加熱到目標溫度；②加入舊料和再生劑，拌和15 s；③加入新料，拌和15 s；④加入新瀝青，拌和60 s；⑤加入礦粉，拌和90 s；⑥出料成型.

模擬再生料拌和工藝與上述工藝略有不同，具體工藝如下：①將材料和拌鍋分別加熱到目標溫度；②加入模擬舊料和模擬瀝青，拌和30 s；③加入再生劑，拌和15 s；④加入新料，拌和15 s；⑤加入新瀝青，拌和60 s；⑥加入礦粉，拌和90 s；⑦出料成型.

5.2 設計級配

普通再生料和模擬再生料的設計級配一致，均為AC-20的級配中值，見表8.舊料摻配比例為舊料1(10～26 mm)10%和舊料2(0～10 mm)25%，區別在于摻加的舊料一個是已有舊料，另一個是模擬舊料.

表8 AC-20目標級配

根據兩檔舊料摻配比例、抽提后的篩分結果以及舊料中瀝青的含量，確定模擬再生料中模擬舊料的摻配比例，見表9.模擬老化瀝青摻配比例為1.14%.

表9 模擬舊料摻配比例

根據目標級配、兩檔舊料抽提后的篩分結果、摻配比例，兩種再生料中新集料摻配比例見表10.

表10 兩種再生瀝青混合料中新集料摻配比例

6 團粒結構對體積參數和路用性能的影響

6.1 評價方法

對兩種再生料的體積參數進行測定，同時對兩種再生料的高溫性能、低溫性能、水穩定性、疲勞性能進行測定.其中高溫性能、低溫性能分別采用文獻[2]中瀝青混合料車轍試驗(T0719—2011)、瀝青混合料彎曲試驗(T0715—2011)進行評價，水穩定性則采用浸水馬歇爾穩定度試驗(T0709—2011)和凍融劈裂試驗(T0729—2011)兩種方法進行評價.

疲勞性能試驗采用中間加載彎曲試驗進行評價.試驗方案如下：①試件成型 采用輪碾成型車轍板，切割成小梁；②試件尺寸 250 mm×35 mm×30 mm，跨徑為200 mm；③試驗荷載 應力控制模式，荷載水平采用0.3，0.4，0.5三個應力比；④加載頻率 10 Hz連續式正弦波形；⑤試驗溫度 15 ℃；⑥試驗設備 MTS810材料試驗系統.

6.2 試驗結果

6.2.1體積參數

表11為再生料體積參數.由表11可知，普通再生料相比模擬再生料來說，空隙率及礦料間隙率較大，瀝青飽和度較小，這是因為對于普通再生料來說，舊料中的團粒結構未完全散開，相比模擬再生料來說，其粗集料偏多，細集料偏少，從而造成上述結果.

表11 再生料體積參數

6.2.2高溫性能

表12為車轍試驗結果.由表12可知，普通再生料車轍深度小于模擬再生料，動穩定度則較大，說明普通再生料高溫性能優于模擬再生料.團粒結構的存在可以改善再生料的高溫性能.

表12 車轍試驗結果

瀝青混合料的高溫性能的主要影響因素為集料(特別是粗集料)之間的嵌擠力和瀝青的黏結力[3].對于普通舊料來說，由于存在團粒結構，粗集料偏多，集料之間嵌擠作用更大，從而抵抗高溫變形的能力更強.同時，團粒結構由于未完全分散開，其中的舊瀝青并未得到再生，因此，這部分瀝青高溫性能較好，也在一定程度上改善了瀝青混合料的高溫性能.

6.2.3低溫性能

模擬再生料的最大彎拉應變和抗彎拉強度均比普通再生料大，彎曲勁度模量則低于比普通再生料.說明模擬再生料的低溫性能優于普通再生料，即團粒結構的存在會損害再生料的低溫性能.表13為低溫彎曲試驗結果.

表13 低溫彎曲試驗結果

由于團粒結構的存在，普通再生料中部分老化瀝青未能得到良好的再生，導致這部分瀝青的低溫性能較差，在低溫狀態下更容易出現開裂現象.此外，研究表明，隨著空隙率的增大，瀝青混合料低溫性能變差[4].普通再生料相比模擬再生料來說空隙率更大，因此也會對其低溫性能造成損害.

6.2.4水穩定性

普通再生料殘留穩定度和凍融劈裂比均小于模擬再生料，兩種瀝青混合料水穩定性評價方法均表明，普通再生料水穩定性是弱于模擬再生料，團粒結構的存在會損害再生料的水穩定性，見表14～15.

表14 浸水馬歇爾試驗結果

表15 凍融劈裂試驗結果

瀝青混合料水穩定性的影響因素有瀝青和集料的黏附性、瀝青混合料空隙率等[5].對于普通再生料來說，其空隙率高于模擬再生料，水分更容易進入混合料內部，從而更易發生水損害.同時，團粒結構中的舊瀝青由于未能得到有效再生，其粘附性較差，在水分作用性也更易脫離集料.

6.2.5疲勞性能

表16為不同應力比條件下疲勞壽命.由表16可知，隨著應力比的增加，兩種再生料疲勞壽命均降低；在相同應力比條件下，模擬再生料的疲勞壽命始終高于普通再生料，說明團粒結構的存在會降低再生瀝青混合料的疲勞壽命.

表16 不同應力比條件下疲勞壽命

瀝青混合料疲勞破壞發展過程通常是在外界荷載作用下，先在混合料內部產生微小裂縫，在荷載反復作用下，微小裂縫逐漸發展，從而會導致疲勞破壞的發生.影響疲勞破壞的因素多且復雜，一般主要取決于瀝青混合料的勁度模量、組成材料的性質、材料的均勻性,以及瀝青膜厚度等[6].

普通再生料空隙率比模擬再生料大，研究表明，隨著空隙率的增大，瀝青混合料破壞勁度模量會降低，這會使混合料在工作中更易發生破壞而產生裂縫，導致疲勞壽命變小[7-8].

團粒結構的存在會導致普通再生料制備過程中舊瀝青不能完全散開，使得舊瀝青無法得到有效再生，這部分瀝青性能較差，在荷載作用下，相應位置處更易產生微裂縫，從而降低再生料的疲勞性能[9-10].另一方面，因舊集料集聚在團粒結構中，普通再生料其他位置的瀝青膜厚度是薄于模擬再生料的，而瀝青混合料疲勞性能隨瀝青膜厚度的減小而變差，因此，這也是普通再生料疲勞性能較差的一個原因.

7 結 論

1) 粒徑較粗的舊料結團程度高于粒徑較細的舊料.

2) 團粒結構的存在會導致再生瀝青混合料空隙率及礦料間隙率增大，瀝青飽和度減小.

3) 團粒結構的存在可以改善再生瀝青混合料的高溫性能.

4) 團粒結構的存在會對再生瀝青混合料的低溫性能、水穩定性以及疲勞性能產生不利影響.