基于性能测试的温拌再生沥青混合料配合比设计

杨永平，石占斌

（准格尔旗高等级公路投资有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017100）

1 引言

随着我国公路大中修养护期的到来，每年有大量的废旧沥青混合料（RAP）产生，在寻求循环经济的过程中，RAP 等建筑材料的再利用可能成为先行者。通过对RAP进行适当的管理，科学合理的进行设计及验证，理论上几乎所有的RAP都可以重新用于生产新的沥青路面。此外，RAP 再利用的目标应该是在同一沥青层中重复使用再生，而不是通过降低其使用层位来降低其价值。虽然国内外有多项研究和道路应用都表明高RAP 掺量再生沥青混合料在面层中的应用完全可行[1，2]，且在实体工程中有很多成功的案例，但在实际成产过程中仍有很多人对此持怀疑态度，为安全起见，当厂拌热再生混合料用于面层时，最大掺配比例限制在30%左右[3]，主要是因为RAP中旧沥青已经老化变脆变硬，RAP 掺量增加会导致再生混合料开裂等问题的产生[4]，同时有部分再生过程中可能不会添加再生剂或新沥青，从而导致“黑岩”效应[5]。还有一个比较主要的原因是回收RAP 的质性变异性比较大，使得再生沥青混合料的性能可靠性低[6]。

在广泛推广应用高RAP 掺量再生沥青混合料之前，必须解决上述问题。传统利用混合料体积参数进行的设计方法只能用来表征由新集料及新沥青组成的混合料，无法解决由RAP的添加而带来的问题，因此有必要改进设计和质量控制方法[7]。对于高RAP 再生沥青混合料设计，由于存在老化和坚硬的废旧沥青，一方面使得再生沥青混合料的低温开裂问题尤为突出；另一方面，通过使用较软的新沥青或添加再生剂来提高抗裂性的过度补偿可能会导致车辙[8]。因此，必须选择最合适的测试方法来表征这两种特性。同时，在选择基于性能测试的配合比设计及性能验证时，应考虑当地气候条件、预期失效模式、方法的再现性以及现场性能的相关性等。

本文基于性能测试的试验方法具体是指平衡开裂和车辙性能的试验方法，是一种替代体积参数进行配合比设计的方法，可以有效提升高RAP 再生沥青混合料耐久性能[9]。同时作为下面层或柔性基层，混合料开裂的方式有多种情况，包括自下而上和自上而下的疲劳、热裂纹和裂纹扩展。已有研究结果表明四点弯曲疲劳试验和Overlay Test试验可以有效表征沥青混合料在循环荷载作用下各种裂纹的发展[10，11]。本文将结合车辙和低温弯曲两项试验来开发高RAP掺量再生沥青混合料配合比设计，并在循环荷载模式下使用四点弯曲疲劳试验和Overlay Test试验验证该设计方法，以期为大掺量再生沥青混合料配合比设计提供一种新方法。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

2.1.1 集料

RAP 为原路面结构铣刨后运输到拌合站，经破碎和筛分处理后分为旧10～20、旧5～10、旧0～5 三挡。利用燃烧法测得各档RAP矿料级配及新添加的集料及矿粉筛分结果见表1，RAP及新集料各项技术指标均满足规范要求。

表1 矿料筛分结果

2.1.2 沥青及再生剂

依据再生技术规范要求[1]，新添加沥青选用90号基质沥青，再生剂选用SMC常温改性再生剂，各项指标均满足规范要求。再生剂的掺量[12]由公式（1）计算得出。

利用阿布森法从RAP 中回收沥青，回收沥青针入度为33（0.1mm），90 号基质沥青针入度为87（0.1mm）。经计算，本文采用SMC 常温沥青再生剂掺量为新添加沥青质量的14%。

2.2 测试方法及原理

2.2.1 室内拌和工艺

进行再生时应将再生剂直接添加到RAP 中，而不是先与新沥青进行预混合，以便再生剂能够与RAP 中老化的沥青直接接触促进其活化再生。但在实际厂拌再生拌合站中，旧料并不配备单独的拌和装置，所以采用将常温再生剂按照14%的掺量添加到新沥青中。室内生产时将常温再生剂添加到115℃～125℃的新沥青中并连续搅拌45min以上备用。

按照材料组成要求比例将配制好的新集料置于165℃烘箱中，RAP料置于120℃烘箱中，然后按照以下顺序在145℃的拌锅中进行搅拌：将加热好的RAP和新集料置于拌锅中干拌30s，然后将制备好的常温再生沥青添加到拌锅中搅拌90s，最后将矿粉（如有）置于拌锅中，继续搅拌90s，将拌合好的常温再生沥青混合料成型为各种试件并进行相应的试验研究。

2.2.2 材料组成

利用燃烧法得到的各档旧料中沥青含量见表2。

表2 旧沥青混合料沥青含量

选用的对比ATB-25型为《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）规定的90号基质热拌沥青混合料，按照精细配合比设计进行单档复配而成，合成级配曲线为级配中值。再生沥青混合料的矿料级配及组合由表1 的筛分结果进行合成，调整了三个粗细不同、RAP 掺量在70%左右的级配进行对比分析，具体级配见表3。根据普通热拌ATB-25 沥青混合料最佳油石比，以RAP中旧沥青含量、选用新沥青添加量为1.6%和2.4%分别拌制三种级配的再生沥青混合料，命名为混合料1、混合料1*、混合料2、混合料2*、混合料3、混合料3*。对比级配在其最佳油石比情况下拌制对比混合料-混合料B。

表3 常温再生沥青混合料合成级配

2.2.3 高低温水稳测试

汉堡车辙是国际上常用的一种车辙试验方法[13]，文章使用汉堡车辙设备（HWTD）评估大掺量温再生沥青混合料的抗车辙性。试验温度为60℃，接触压力为0.60MPa±0.03MPa，选用胶轮，试验进行10000 个循环或车辙深度大于20mm 时试验终止。试验试件为旋转压实成型，然后用双面锯切割而成。

低温裂纹扩展采用25℃的半圆弯曲（SCB）试验，为制备SCB 试验试样，将圆柱形试样从等空隙率的车辙板上取芯，切割为厚度为25mm的薄片后从直径处切成两半。然后在半圆柱体上切割深15mm、宽3.5mm 预切口作为裂纹起裂点。在测试过程中，将试件置于三点弯曲测试支架，利用UTM 50mm/min的加载速度进行试验，试验过程采集荷载和竖向位移。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验测定水稳性能。冻融和浸水均使用双面击实75次的马歇尔试件，每个试验需要8 个试件，其中一半进行冻融或浸水处置，另一半进行空白对照。然后进行劈裂和马歇尔稳定度测试。最终使用处置组合空白组的比值作为水稳性能评价指标。

2.2.4 关键性能验证

为增加室内再生配合比设计的可信度，在设计的配合比和最佳油石比的基础上分别成型切割等空隙率的四点弯曲疲劳小梁和Overlay Test试验试件。由于开裂是高RAP 掺量再生沥青混合料的主要问题，而且疲劳开裂主要发生在中下面层及柔性基层中，同时柔性基层作为半刚性基层和柔性路面的过渡层，抗反射裂缝性能要求较高，因此使用四点弯曲疲劳试验测定再生混合料在循环荷载作用下疲劳裂纹的产生和扩展；使用Overlay Test 测试其在循环荷载作用下荷载损失率。其中四点弯曲疲劳采用的试验条件为：加载频率10Hz，试验温度10℃，加载应变400，初始模量下降到50%或循环次数达到100000 次时结束试验；Overlay Test试验条件：正弦三角波形（加载5s，卸载5s），初始荷载下降到7%或循环次数达到1000次。

3 结果分析与讨论

3.1 马歇尔体积参数

按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表5.3.3-2[14]的要求及2.2.2节所述，分别拌和制备不同沥青混合料马歇尔试件并进行常规体积参数测试，结果见表4。

表4 常规马歇尔体积参数结果

由表4 可知，标准ATB-25 型热拌沥青混合料体积参数指标全部满足规范要求，但再生沥青混合料体积参数并不能完全满足所有要求。同时会出现高RAP掺量再生沥青混合料典型的高饱和度和低空隙率问题[15，16]。即使使用较粗的级配（如级配3）其空隙率也和要求的最小值3%相近。马歇尔试验结果表明，对比级配的稳定度和流值均满足规范要求，但再生沥青混合料只有偏粗的级配3 符合要求，其余两组级配的再生沥青混合料虽然表现出较高的稳定度，但流值远超过最大限制值，这表明其路用性能可能并不是很稳定。

在实际使用过程中，大掺量RAP再生沥青混合料并不能很好的满足国家规范规定的要求。同时，必须认识到即使满足这些规范要求，也无法确保预期的路用性能。规范要求的基本性能参数只能作为基于性能测试的再生沥青混合料配合比设计优化的信息补充。因此，本研究将重点放在基于性能测试的配合比设计上。

3.2 汉堡车辙

汉堡车辙评价指标为试验终止时车辙深度大于20mm时的循环次数或者到达10000个循环时车辙深度与20mm 的比值。试验结果如图1所示，其中每个样品重复试验的结果范围由误差条表示。

图1 不同级配沥青混合料车辙试验结果

从图1 可以看出，对比的普通热拌沥青混合料在10000次循环时的车辙深度比为20%左右，以此作为本次研究的参考值。六个再生沥青混合料的抗车辙性能均优于对比级配要求的参考值，表明大掺量再生沥青混合料的抗车辙性并不是主要问题，而且较粗的级配可以提高其抗车辙性能。再生后沥青混合料车辙性能会提升，再生剂和新沥青的掺加比例会降低再生沥青混合料的抗车辙性能。采用拌和前将再生剂与新添加沥青进行共混，导致随着油石比的增加再生剂相对于旧沥青比例也增加，双重作用下车辙性能很有可能快速下降，从试验数据的离散程度可以发现，再生剂作用的均匀性也是需要重点考虑的问题。

3.3 半圆弯拉试验（SCB）

SCB用来评价沥青混合料的抗裂性能时，断裂能Gf和断裂指数FI是评价其抗裂性能的关键参数。其中断裂能是指荷载位移曲线中荷载和位移包围的面积，断裂指数是指达到峰值荷载后荷载位移曲线斜率，如图2所示。

图2 断裂性能示意图

不同沥青混合料的荷载-位移曲线如图3所示。

图3 不同沥青混合料SCB试验结果

由图3结合表4可知，相同级配的再生沥青混合料峰值荷载随着油石比的增加会降低，峰值荷载后的荷载位移曲线斜率随着油石比的增加也会降低，即断裂指数会升高，表明油石比的增加会提高抗裂性能。出现这种效果是直观预期的，同时也在一定程度上证实了半圆弯曲试验（SCB）测试方法的有效性。同时比较三个级配可以发现，较粗的级配断裂指数随油石比的增加变化比较明显，这是由于增加油石比后斜率增大，同时断裂能增加。

3.4 基于性能平衡的混合料配合比设计

选用较粗级配3 的抗车辙性能和抗裂性能随油石比的变化规律，以及最佳油石比状态下普通热拌沥青混合料的平衡作为控制指标进行最佳油石比的平衡设计，如图4所示，左纵轴显示车辙试验结果，右纵坐标显示断裂指数结果，两条水平虚线表示基于普通热拌ATB-25型沥青混合料的车辙和断裂指数控制标准。

图4 基于车辙和开裂平衡的级配3混合料最佳油石比

在大掺量再生配合比设计过程中，一方面要确定其最佳矿料级配，另一方面需要确定其最佳油石比或最佳再生剂掺量。由于RAP 中集料筛分结果固定，同时新添加的集料档次较少，导致高RAP 混合料的矿料级配设计变更的可能性有限，只能简单的对矿料级配进行优化，所以本研究主要集中于通过油石比的变化进行配合比设计。由图4可知，在同时满足车辙和断裂指数要求的情况下，级配3的最佳合成油石比可以控制在4.2%～4.5%之间，结合表3中旧沥青含量为2%，所以根据平衡设计理论设计的最佳新沥青配合比在2.2%～2.5%之间。考虑工程经济性要求，最终选择最佳油石比为2.3%进行后续性能验证。

3.5 疲劳及水稳性能验证

根据平衡混合料设计结果，选用级配3为最优配合比，最佳合成油石比为4.3%，新沥青添加量为2.3%，以此制备等空隙率的疲劳试件，同时制备了最佳油石比状态下普通热拌ATB-25 型沥青混合料疲劳试件。试验结果如图5所示，疲劳评价指标为疲劳稳定期耗散能变化率（RDEC）的平均值（PV）以及疲劳寿命次数[17]。

图5 两种沥青混合料疲劳测试耗散能变化率散点图

由图中数据可知，选用普通热拌ATB-25型沥青混合料的疲劳寿命为59410次，而级配3在最佳油石比下的疲劳寿命为70190 次。通过疲劳稳定期耗散能变化率的平均值PV也反映出同样的试验结论，表明在行车荷载重复加载作用下大掺量常温再生沥青混合料具有良好的抗疲劳性能，是普通热拌ATB-25型沥青混合料的1.2倍。

同时还对两种混合料进行了水稳性能测试，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。

3.6 Overlay Test抗反射裂缝测试

为更好的评价大掺量常温再生沥青混合料在柔性基层的推广应用，增加了评价抗反射裂缝的Overlay Test试验，两种沥青混合料的试验结果如图6所示。

图6 两种混合料OT试验最大荷载与荷载周期数变化曲线

由图6可知，在25℃条件下两种沥青混合料均表现出良好的抗反射裂缝性能，荷载周期达到1000次时，荷载损失率均在93%以下。再生沥青混合料的荷载损失率变化率较为平稳，能够更好的反映出再生沥青混合料抗反射裂缝性能更优。推荐在柔性基层中大面积推广应用。

4 结语

对于大掺量再生沥青混合料配合比设计，传统的以马歇尔体积参数进行配合比设计时并不能很好的保证其所需的路用性能，主要是因为体积参数中会出现许多非常规变量不能很好的满足我国公路沥青路面施工技术规范。为此提出一种利用汉堡车辙试验和SCB半圆弯曲试验平衡沥青混合料的车辙和开裂问题的配合比设计方法，同时利用设计好的沥青混合料疲劳、水稳、抗反射裂缝等路用性能验证了该设计方法，建议将这种方法作为大掺量再生沥青混合料配合比设计程序的一个部分。得到结论如下：

①多数大掺量再生沥青混合料在最佳油石比及最优配合比时，马歇尔体积参数指标与传统沥青混合料马歇尔体积参数经验值有一定的差距。

②基于性能测试的平衡沥青混合料车辙和开裂程序中，汉堡车辙和半圆弯拉试验是可行的，两种试验方法可以提供配合比设计变化的预期趋势。

③通过平衡设计选用的最优配合比和最佳油石比的大掺量温再生沥青混合料性能与传统热拌ATB-25型沥青混合料相比，疲劳性能可以延长1.2倍。应用于柔性基层时抗反射裂缝性能较普通性能优越，其它路用性能相当。