新加沥青标号对高掺量RAP再生混合料强度及疲劳性能的影响

为了研究新加沥青标号的性能差异对高掺量回收沥青路面材料(RAP)再生沥青混合料强度和疲劳性能的影响，制备了3种不同类型的再生沥青混合料：新集料和70＃沥青制备的AC-20沥青混合料；RAP掺量为50%并添加70＃沥青的AC-20再生沥青混合料；RAP掺量为50%并添加90＃沥青的AC-20再生沥青混合料(简称AC-20参照组、AC-20-50%RAP-70＃和AC-20-50%RAP-90＃，下同)，3组沥青混合料采用相同的目标级配设计和沥青含量。

通过强度试验和疲劳试验分析沥青混合料的性能；采用不同温度下单轴压缩试验和劈裂试验评价沥青混合料的强度；采用控制应变的***四点弯曲疲劳试验研究沥青混合料的疲劳性能；同时，根据再生沥青实测针入度和软化点的变化规律，探索利用公式预测再生沥青疲劳性能的可行性。研究结果表明：掺入50%RAP能使再生沥青混合料的强度提高，沥青混合料强度随试验温度升高而降低，在试验温度范围内，3组试件强度的高低排序不随试验温度变化而改变，AC-20-50%RAP-70＃再生沥青混合料强度最高；再生混合料的疲劳性能与添加新沥青的标号有关，AC-20-50%RAP-90＃再生沥青混合料疲劳性能最好，而AC-20-50%RAP-70＃再生沥青混合料的疲劳寿命低于新制备沥青混合料，选用合适标号的新加沥青可有效改善再生沥青混合料的疲劳性能。

关键词

道路工程 | 沥青标号 | RAP | 强度 | 疲劳性能

沥青路面再生技术是指利用部分回收沥青路面材料(RAP)与新沥青和集料共同生产再生沥青混合料。沥青混合料应在保证具有相同或更优路用性能的前提下，尽可能在生产实践中增加其掺加比例，以提高经济效益[1-4]。目前，国内外厂拌热再生沥青实践中，RAP掺量(质量分数，下同)通常在10%~30%，在此掺量范围内，厂拌热再生沥青混合料具有和新拌沥青混合料相近的路用性能[5-8]。目前，很多国家和地区已经开展了采用更高掺量RAP再生沥青混合料的实践。美国已有超过40个州使用了30%以上RAP掺量的再生沥青混合料[9-10]。对于高掺量RAP再生沥青混合料而言，除了实际生产拌和过程中出现的一些工艺问题外，其强度和疲劳性能仍被认为无法与传统沥青混合料相比拟。

高掺量RAP再生沥青混合料的疲劳性能一直备受关注，RAP中的老化沥青会增加再生混合料的硬度，更易产生疲劳破坏，低温条件下脆性增加[11-14]。间接拉伸试验结果和小梁疲劳试验结果均表明，在不对再生混合料级配设计调整的情况下，材料硬度随RAP掺量的提高而增加，会引起早期开裂破坏[15-17]。这些强度增加和发生开裂的现象，很大程度上是由于新沥青和回收料中旧沥青结合程度不足引起的[18-19]。此外，以往针对再生沥青混合料的力学及疲劳性能研究，对象大多是再生沥青混合料，而材料级别的分析对象多是回收沥青和再生沥青[19-22]，缺乏对新加沥青标号影响作用的分析。

综上所述，本文通过一系列室内试验研究AC-20再生沥青混合料强度和疲劳性能。为研究高RAP掺量对再生沥青混合料疲劳性能的影响，混合料中RAP掺量选择50%。制备再生混合料过程中，添加2种标号(70＃和90＃)的新沥青，以考察不同沥青标号对再生混合料性能的影响。

1、试验准备

试验准备工作包括3种混合料试件的制备：新集料和70＃沥青制备的AC-20沥青混合料；RAP掺量为50%并添加70＃沥青的AC-20再生沥青混合料；RAP掺量为50%并添加90＃沥青的AC-20再生沥青混合料(简称AC-20参照组、AC-20-50%RAP-70＃和AC-20-50%RAP-90＃，下同)。3种混合料在设计上具有相同的级配组成和沥青含量，分别测试3种混合料试件的硬度和疲劳性能。

AC-20参照组根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中相关设计要求制备，集料采用武安石场花岗岩，沥青采用70＃沥青。2组再生混合料由RAP回收料、集料和新沥青组成，新集料来源与参照组相同，RAP回收料取自原石安(石家庄-安阳)高速公路旧沥青路面，2种新沥青分别为70＃和90＃沥青，其中70＃沥青与参照组中所采用的相同。表1为3种混合料材料组成情况。

2、试验材料

2.1RAP回收料

本研究所用RAP回收料均来自原石安高速公路旧沥青路面，其含量由《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)(简称规程，下同)中T0735-2011沥青含量试验(燃烧炉法)获得，RAP回收料中T0735-2011沥青含量试验(燃烧炉法)获得，RAP回收料中沥青含量(质量分数，下同)为 3.6%。对燃烧后的集料进行筛分，分析RAP回收料集料粒径。采用规程中T0726-2011阿布森法萃取回收沥青，再根据T0604-2011、T0606-2011和T0625-2011 检测回收沥青针入度、软化 点和135 旋转黏度。测得回收沥青的针入度为40(0.01mm)，软化点为 66.8C ，135 旋转黏度为1.3 Pa·s。表2为回收料集料粒径组成。

2.2集料

本研究所用新集料为武安石场生产的花岗岩。表3和表4为所用4档集料(A~D档)的粒径和性能参数。

2.3沥青

本研究中所采用新沥青为70＃和90＃2种，其针入度、软化点、延度和135 旋转黏度如表5所示。

3、混合料配合比设计和性能检验

3.1配合比设计

AC-20参照组试件的设计方法按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)进行。下页表6为参照组试件的各筛孔通过率，根据室内试验结果，参照组混合料最佳油石比(质量分数)为4.3%。采用最佳油石比的参照组混合料主要性能参数见下页表7。再生混合料采用与参照组相同的合成级配曲线。

3.1沥青混合料性能检验

本文对3种类型沥青混合料进行了强度和疲劳性能试验。其中，利用旋转压实成型试件，通过钻芯并切割两端，得到φ100mm 100mm圆柱体沥青混合料试件，用于抗压强度试验；成型沥青混合料马歇尔试件用于劈裂强度试验；成型沥青混合料车辙板，通过切割得到380mm 50mm 63.5mm长方体小梁疲劳试件。在进行强度和疲劳试验之前，先对3种混合料的体积参数、级配组成和沥青性能进行检验，验证试验所用混合料与设计参数的吻合程度。

3.2.1体积参数

3种沥青混合料试件的体积参数试验结果见表8。

对比表7和表8的结果，可以发现试件实测体积参数与最佳油石比下的设计参数非常接近。

3.2.2级配组成验证

利用燃烧筛分法对3种沥青混合料的级配组成进行验证，试验结果见表9。

由表9可以看出，3组沥青混合料的实际级配差异很小，可视为采用相同的级配设计。对于2组采用50%RAP再生沥青混合料而言，其油石比(4.24和4.28)与参照组油石比(4.30)也几乎相同，符合设计要求。

3.2.3再生沥青性能分析

3组沥青混合料中的沥青性能分析结果见表10。结果显示，在RAP掺量为50%时，加入不同标号沥青的2组沥青混合料所抽提出的再生沥青均比参照组的沥青更硬，即其具有较低的针入度和较高的软化点及旋转黏度。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)(简称规范，下同)中关于沥青标号的性能指标，2组再生沥青均比新加沥青下降1个标号，即分别达到50＃和70＃沥青的标准。

参考欧洲规范[23]，可根据新加沥青和回收沥青的针入度及软化点，预测对应的再生沥青针入度和软化点，其计算公式为

采用式(1)、式(2)计算得到的再生沥青针入度和软化点见下页表11，并与表10中实测值进行对比后发现，2种方法的结果十分接近，即再生混合料回收沥青的标号分别达到50＃和70＃沥青的标准。

4、强度试验结果分析

4.1抗压强度及抗压回弹模量

抗压强度及抗压回弹模量试验参考规程中T0713-2000方法，分别测试3种混合料在15 和20 下的抗压强度和回弹模量，试验结果见表12。

由表12可见：掺加50%RAP的再生沥青混合料具有更高的抗压强度和抗压回弹模量。以试验温度为15 为例，AC-20-50%RAP-70＃混合料抗压强度最高达到10.1MPa；掺加90＃新沥青的混合料也可达到9.3MPa。抗压回弹模量结果同样表明：AC-20-50%RAP-70＃混合料抗压回弹模量最高，达到2171MPa；AC-20-50%RAP-90＃混合料次之，达到2001MPa。AC-20参照组沥青混合料的抗压强度和抗压回弹模量均最低，分别是7.9、1885MPa。当试验温度为20 时，各组混合料试验结果呈现相同的趋势。由此可以得出：对比普通AC-20沥青混合料，在RAP掺量为50%的再生沥青混合料中添加90＃新沥青，其抗压强度提高15%左右，抗压回弹模量提高9%；添加70＃新沥青时，抗压强度和抗压回弹模量增幅分别达到25%和23%。

4.2劈裂强度

劈裂强度可有效评价再生混合料的强度性能，《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中同样指出劈裂强度与抗压强度满足一定的换算关系。劈裂强度试验参考规程中T0716-2011 方法，在0 、15 、30 、45 这4个温度下分别进行沥青混合料劈裂试验。图1为3种混合料试件号裂强度试验结果。

由图1可见，随着试验温度的升高，各组混合料试件的劈裂强度逐渐降低，采用 70# 沥青的再生混合料劈裂强度最高，参照组沥青混合料劈裂强度最低，这一结果与混合料抗压强度试验结果相符。在0 、15 、30 、45 时，相比于AC-20参照组混合料，AC-20-50%RAP-70# 再生混合料的劈裂强度分别提高了25.8%、18.3%、39.1%和26.1%:AC-20-50%RAP-90# 再生混合料的劈裂强度则分别提高了9.3%、14.9%、19.1%和 15.4%。可以看出，在高温区段再生混合料劈裂强度增幅更为显著从3组混合料劈裂强度随温度的变化趋势可以看出，AC-20-90# 再生混合料劈裂强度在高温段变化相对缓慢，表明采用标号较高沥青时，混合料高温性能较好，对温度变化较不敏感。

5、疲劳试验结果分析

根据规程中Ｔ0739-2011推荐，采用***万能试验机对3组混合料试件进行四点弯曲疲劳试验。试验采用应变控制模式，分别用400 10^-6、600 10^-6、800 10^-6作为控制应变进行试验，每组试验平行测试4个试件。试验机输出偏正弦波，试验温度为20 ，当试件强度下降至初始强度的50%或试件破坏时，试验停止，停止时的作用次数即为试件的疲劳寿命。下页图2为3组混合料疲劳试验结果，可见：AC-20-50%RAP-90＃再生混合料具有最好的疲劳性能，在不同控制应变下均可以承受最多次的反复疲劳荷载作用；AC-20-50%RAP-70＃再生混合料疲劳性能略逊于AC-20参照组，疲劳性能为3组中最弱。由此可见，在再生混合料中加入较高标号(较软)的沥青时，可以显著提高再生混合料的疲劳性能。

疲劳寿命Nf和控制应变ε双对数线性回归疲劳方程如表13所示。在疲劳回归方程中，斜率n越小，疲劳寿命对控制应变的变化敏感度越低；截距k越小，在相同控制应变下，疲劳寿命越短。分析其原因为：掺加50%RAP后，再生沥青混合料的劲度有所增加，导致疲劳寿命因混合料硬化而有所减弱，因此AC-20-50%RAP-70＃再生混合料k值比AC-20参照组低，而90＃新沥青更软，一定程度上缓解了RAP的硬化作用，因此AC-20-50%RAP-90＃混合料k值与AC-20参照组相近；旧路回收的RAP混合料由于加载历史作用，相比于新拌沥青混合料，其疲劳寿命对于控制应变的变化较不敏感，因此2组再生混合料的n值都比参照组小。

6、结语

(1)当采用一定级配和油石比设计时，掺入50%RAP的再生沥青混合料中，再生沥青会变硬，硬化程度与回收沥青的性能有关。

(2)所有试件抗压强度和劈裂强度均随试验温度升高而降低，3组试件强度的高低顺序不会随试验温度变化而改变，再生混合料试件强度总是优于参照组试件强度，采用70＃基质沥青的再生混合料强度始终最高。采用标号较高新沥青制备的再生混合料试件具有较好的疲劳性能。采用90＃基质沥青的再生混合料疲劳性能优于参照组试件，而采用70＃基质沥青的再生混合料疲劳寿命最低。

(3)根据欧洲规范中提出的再生沥青针入度和软化点计算公式，得到的计算值与实测值非常接近，证明可借鉴该公式来预测再生沥青性能。

(4)通过建立的疲劳方程分析试验结果表明，新沥青标号对再生混合料的软化作用是影响其疲劳性能的关键因素，选用合适的沥青标号可有效提高再生沥青混合料的疲劳寿命。再生沥青混合料具有较好的强度性能，有利于减少路面结构层的厚度，增加设计寿命。但是，在制备再生混合料时，应选取合适的新沥青标号，否则可能导致路面疲劳性能下降，不利于结构的长期使用。

(5)在今后的研究中，除了总结再生沥青混合料材料级别的强度和疲劳性能外，还需进一步对再生沥青进行材料级别的性能分析。此外应对实际路面回收RAP混合料作进一步老化分析，并同室内模拟RAP老化结果进行对比研究，以求更接近工程实际。

全文完。首发于《长安大学学报(自然科学版)》2017年5月。

棱柱体小梁四点弯曲试验是 2011 年交通部行业标准《公路工程沥青及沥青混合料规程》增加的评价沥青混合料疲劳性能和测量劲度模量的非常重要的试验方法。该方法可以在DTS多功能动态试验系统中进行，也可以使用单独式系统，搭配温控环境箱进行试验。尤其对于试验任务量比较大的单位，因为疲劳试验可能持续的时间比较长，几小时到几天、甚至几周。 所以配备一套单独式的沥青混合料疲劳试验系统是非常有必要的。

意大利matest-澳大利亚Pavetest气动伺服四点弯曲疲劳试验机 (4PB) 是采用数字控制高性能伺服阀，提供高达60Hz的准确加载波形的气动伺服试验仪。四点弯曲疲劳试验机可加载半正弦波和正弦波，受控应变或受控正弦应力控制模式，测试多种尺寸沥青混合料小梁的弯曲劲度/模量。

产品特点
1.试样通过伺服电机驱动滚珠丝杠牢固夹紧，可始终维持预定的夹紧力，并保证测试过程中试样在产生屈服变形时仍能被持续夹紧，夹紧力可通过调节电机电流控制。

2.两个夹紧开关在仪器前方，用于试样梁的左右两侧和中间侧夹紧点的夹紧和放松。四个试样夹紧框可实现所有加载点和反力点的自由旋转和横向移动。

3.顶部夹紧块的标志线，可帮助操作者在夹紧前横向对中试样梁。

4.气动伺服系统使用底部气动加载作动器，配备高性能气动伺服阀，PID闭环控制，运行中的自适应控制，可始终维持测试所需的应力/应变。

5.薄型高性能不锈钢圆形荷载传感器，用于实时测量和控制荷载。主轴位移传感器可实现中间加载框架的准确定位。

6.试样表面位移传感器(On-specimen LVDT)可按设定进行控制并测量试样梁有效范围内的整体弯曲变形（而不是悬浮式的测量部分变形的方法），符合相关标准的要求。

7.基于Windows的TestLab软件提供的用户界面，简单、效率高并符合有关国际标准。

更多道路交通土木工程及岩土相关知识及设备，请详询@TIPTOP卓致力天！