凍融循環對熱再生瀝青混合料水穩定性影響研究

陶莉萍

（北京城建華晟交通建設有限公司，北京 102444）

0 引言

隨著經濟和科技的持續發展，我國高速公路建設的規模和速度也逐漸加快。截至2019年，中國公路總長485萬公里，其中高速公路里程達14萬公里，排名世界第一[1]。我國公路從大規模建設階段轉為建養并重階段，在養護過程中產生了大量廢舊瀝青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），RAP的利用促進了瀝青路面再生技術的發展，再生瀝青路面的性能研究成為熱點問題[2]。再生瀝青路面通常面臨水穩定性不足的風險，有必要研究其水穩定性的變化趨勢，評估再生瀝青混合料的水穩定性。目前，國內外學者采用凍融循環試驗測試瀝青混合料在水-溫共同作用下的路用性能變化情況[3-4]。曹曉巖等[5]采用鉆芯法，并對樣本進行14次凍融循環后測試其凍融劈裂抗拉強度，據此提出寒冷地區的瀝青混合料的容許空隙率為4%～5%。李喆等[6]對凍融循環后的試件進行疲勞測試，探究瀝青混合料在凍融循環后疲勞壽命變化情況，模擬出寒冷地區公路瀝青路面在凍融循環和行車荷載作用下的材料性能。鄭建龍等[7-8]研究了凍融作用對混合料空隙率、水穩定性的衰變影響規律，發現凍融循環會增加瀝青混合料的空隙率，破壞混合料的抗壓強度，且抗壓強度在初期下降較快，說明了水穩定性受凍融循環的影響顯著，瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比下降顯著?，F有研究主要聚焦瀝青混合料的凍融循環水穩定性，而對再生瀝青混合料的凍融循環水穩定性研究較少。

本研究通過室內模擬自然環境對瀝青混合料的影響作用來研究瀝青混合料的路用性能衰變規律，設計了0%、30%、50%三種摻量的再生瀝青混合料，分析了不同凍融循環次數下的再生瀝青混合料水穩定性的變化規律。

1 原材料測試

再生瀝青混合料由新集料、SBS改性瀝青、礦粉、RAP、再生劑組成。新集料主要分為四檔，規格分別為9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm，新集料/礦粉的主要性能指標見表1。

表1 新集料性能指標Tab.1 Performance index of new aggregates

SBS改性瀝青的主要性能指標見表2。再生劑的型號為RA-102型，用量為老化瀝青質量的4%。

表2 SBS改性瀝青技術指標Tab.2 Performance index of SBS modified asphalt

采用銑刨、破碎、篩分的方法將RAP分為12～20 mm、8～12 mm、0～8 mm三檔，結合抽提法測試RAP的級配與瀝青含量，結果見表3。RAP中老化瀝青采用阿布森法將其與三氯乙烯溶劑分離，得到老化瀝青的基本性能指標，見表4。

表3 RAP級配與瀝青含量Tab.3 RAP gradation and asphalt content

表4 老化瀝青技術指標Tab.4 Performance index of aged asphalt

2 試驗

2.1 試驗方案

采用室內試驗模擬水-溫耦合，具體試驗流程如圖1所示。同時，采用凍融劈裂抗拉強度比研究再生瀝青混合料的水穩定性變化趨勢。設計再生瀝青混合料的RAP摻量分別為0%、30%、50%，每組RAP摻量的再生瀝青混合料凍融循環次數分別為0、1、3、6、9、10 次。

圖1 凍融循環試驗流程圖Fig.1 Flow chart of freeze-thaw cycle test

2.2 級配設計

不同RAP摻量的再生瀝青混合料級配設計如圖2所示。

圖2 設計級配Fig.2 Design gradation

2.3 試件成型與試驗方法

采用馬歇爾擊實儀成型試件，每組方案成型試件4個，總計成型試件72個。此外，根據規范要求分別測試試件的空隙率、凍融循環前后的劈裂抗拉強度，計算凍融劈裂抗拉強度比，評估再生瀝青混合料的水穩定性。

3 結果分析與討論

3.1 空隙率

測試不同RAP摻量下再生瀝青混合料凍融循環空隙率，并擬合空隙率與凍融循環次數之間的變化規律，結果如圖3所示。由圖3可見，三種RAP摻量再生瀝青混合料的空隙率隨凍融循環次數的增加而增大，增長速度逐漸變緩，再生瀝青混合料的空隙率趨于穩定，達到最大值。此外，比較3種RAP摻量的再生瀝青混合料空隙率增長情況，發現0%、30%RAP摻量的再生瀝青混合料的空隙率增長速率相似，而50%RAP摻量的混合料空隙率增長速率相對穩定。進一步觀察圖3發現，RAP摻量越高的再生瀝青混合料的空隙率越小。

圖3 空隙率變化趨勢Fig.3 Change trend of air voids

3.2 劈裂抗拉強度

測試不同RAP摻量下再生瀝青混合料凍融循環時的劈裂抗拉強度，計算再生瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比，得到劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度比（TSR）與凍融循環次數之間的變化規律，并采用模型擬合凍融循環次數與凍融劈裂抗拉強度比之間的關系，結果分別如圖4、圖5所示。由圖4、5可見，隨著凍融次數的增加，再生瀝青混合料的劈裂強度呈降低的趨勢，且前6次凍融循環劈裂強度下降速率最快，第6次后的下降速率變緩并逐漸趨于穩定。此外，50% RAP摻量的再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度下降速度最快，初始的劈裂強度也最低；然而，30% RAP摻量的再生瀝青混合料水穩定性較0%、50%RAP摻量高，劈裂抗拉強度下降最慢；0% RAP摻量的再生瀝青混合料劈裂抗拉強度的變化趨勢居中。

圖4 劈裂抗拉強度與TSR變化趨勢Fig.4 Variation Trend of splitting tensile strength and TSR

圖5 TSR擬合曲線Fig.5 TSR fitting curve

為評價再生瀝青混合料受凍融循環的影響程度，引入損傷度指標進行評估，計算過程如式（1）所示。采用式（1）分別計算不同RAP摻量的再生瀝青混合料不同凍融循環次數下的損傷度，并擬合損傷度與凍融循環次數之間的關系，結果如圖6所示。由圖6可見，隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的損傷度呈先增加后降低的趨勢，說明一定RAP摻量的再生瀝青混合料對抗損傷性能有利。進一步觀察發現，RAP摻量越高的再生瀝青混合料損傷度初始增長速率越高。因此，RAP含量高的再生瀝青混合料在使用初期將會更容易受到水損壞。

圖6 損傷度擬合曲線Fig.6 Fitting curve of damage degree

式中：D為損傷度，%；E0為初始強度，MPa；E(n)為凍融循環后試件的強度，MPa。

比較空隙率與劈裂抗拉強度之間的變化趨勢可見，隨著凍融次數的增加，再生瀝青混合料的空隙率不斷增大，最后趨于穩定；然而，劈裂抗拉強度反之，其變化呈不斷減小后趨于穩定的趨勢。這也表明空隙率對劈裂強度的影響，事實上空隙率增大，破壞了混合料的骨架結構，內部空洞較多，強度自然降低，因此，在實際工程中，合理地控制瀝青混合料的空隙率可以有效提高路面的抗水損害能力。

3.3 空隙率與水穩定性之間關系

為研究空隙率與水穩定性之間的關系，分別測試初始空隙率為5%、6%、7%、8%、9%的再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度，并計算TSR指標，結果如圖7所示。由圖7可見，再生瀝青混合料的初始空隙率對凍融循環下的劈裂抗拉強度影響顯著。隨著空隙率的降低，再生瀝青混合料劈裂抗拉強度逐漸增加。此外，從劈裂抗拉強度的衰減幅度看，空隙率越大的再生瀝青混合料劈裂抗拉強度的降幅越小，而初始空隙率為7%的瀝青混合料受凍融影響作用最為顯著?？障堵蕿?%的試件在凍融時，空隙率增長最快，當空隙率小于7%時，水分不易進入混合料內部，當空隙率大于7%時，空隙較大，水分容易排出，所以空隙率為7%時，水分最容易侵入混合料內部，在凍融作用下對混合料的結構造成損傷破壞。因此，空隙率在7%左右的再生瀝青混合料的穩定性最差，極易受水-溫耦合作用的破壞，而空隙率過大又會影響混合料的結構導致混合料的強度降低，因此，在實際應用中應將空隙率控制在較低水平，從而保證再生瀝青混合料的強度及其水穩定性。

圖7 不同空隙率的試件劈裂抗拉強度變化規律Fig.7 Variation Law of splitting tensile strength of specimens with different voids

4 結論

（1）再生瀝青混合料的空隙率隨RAP摻量的增加而降低。當RAP摻量小于30%時，再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度與RAP摻量成正比。然而，當RAP摻量高于30%時，受混合料不均勻性增加的影響，再生瀝青混合料劈裂抗拉強度呈降低的趨勢。

（2）再生瀝青混合料的空隙率隨凍融循環次數的增加而逐漸增大，且增長速率先快后慢，最后趨于穩定。此外，RAP摻量越高，再生瀝青混合料的快速損傷期出現越早，更容易發生路面早期水損壞現象。

（3）再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度與凍融劈裂抗拉強度比指標隨凍融次數的增加而降低，降低速率呈先快后慢的趨勢。此外，再生瀝青混合料中RAP摻量低于30%時，水穩定性與RAP摻量成正比，而RAP摻量高于30%時則反之。