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掺加RAP的微表处混合料性能研究

摘要

为了多元化高xiao利用废旧沥青路面材料，并验证大掺量再生料(RAP)用于微表处混合料的可行性，试验研究了RAP掺量、乳化沥青用量等对再生料微表处混合料施工性能和路用性能的影响。结果表明，随RAP掺量zeng大，微表处混合料的施工和易性提高、粘附砂量zeng大，开放交通时间延长，但RAP掺量超过50%后，再生料微表处混合料粘聚力不符合JTG/TF40-02-2005《微表处和稀浆封层技术指南》要求。再生料微表处混合料的耐磨耗性能、抗车辙性能、水稳定性和低温抗裂性能随RAP掺量的增加而降低，因此用于填充车辙时，建议RAP掺量不宜大于40%。

关键词：微表处 | 再生料微表处混合料 | RAP掺量 | 施工性能 | 路用性能

近年来，我国沥青路面已经进入大规模养护维修期，每年产生的废旧沥青路面材料(RAP)高达数千万吨，这个数字还在以每年约15%的速率增长。废旧沥青路面材料多元化高xiao利用是目前研究的一个热点问题[1-3]，目前RAP的利用途径主要有热再生、温再生和冷再生技术。热再生和温再生沥青混合料可用于沥青路面表面层，但对旧料利用率低(一般不超过30%)，冷再生难度高。冷再生技术将RAP作为黑色集料使用，RAP掺量大，但其应用层位低，一般用作路面基层或下面层，鉴于既有废旧沥青路面材料回收利用技术的弊端，同时我国越来越多的道路需要进行预防性养护，有学者提出将废旧沥青路面材料应用于微表处混合料[3-5]，回收沥青路面材料中有一些高品质集料，如沥青表面层中坚硬、耐磨、抗滑的玄武岩集料，可适用于表面磨耗层，将含有较细玄武岩的废旧沥青路面材料用于微表处沥青混合料，可以充分发挥旧料作用，降低材料成本。

采用微表处混合料是改善路面表面功能及预防性养护的主要措施之一，目前已经在我国各等级公路中得到了广泛应用，近年来，国内外已开展了大量有关掺加纤维、橡胶粉、水性环氧树脂等改性剂来改善微表处混合料的施工和易性、降低噪声，同时提高路用性能和耐久性等方面研究[4-9]，而有关再生料微表处混合料配合比设计、施工和易性的相关研究不多，并且既有研究只采用常规试验定性评价再生料微表处混合料的技术效果，缺乏定量的路用性能及耐久性能评价。为此，本文通过原材料检验及矿料级配设计，拌和试验、粘聚力试验、湿轮磨耗试验、负荷轮试验研究了RAP掺量、乳化沥青用量等材料设计参数对再生料微表处混合料施工性能的影响，采用低温SCB试验、冻融循环和浸水劈裂强度试验、剪切疲劳试验、MMLS1/3加速加载试验研究了RAP掺量对再生料微表处混合料路用性能和长期使用性能的影响，研究成果为多元化高xiao利用废旧沥青路面材料及再生料微表处混合料推广应用提供参考。

原材料

(1)基质沥青：中石化生产的重交通A级70号沥青，其性能符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》要求。

(2)SBR改性乳化沥青：以SBR胶乳、基质沥青、盐酸调节剂、稳定剂、水等为原料，在实验室采用胶体磨生产加工而成。SBR胶乳和稳定剂为美德维实维克公司生产的MQI-1D和PC-1468，SBR改性乳化沥青中的有效SBR含量为5%。经测试SBR改性乳化沥青的技术性能符合JTG/TF40-02-2005《微表处和稀浆封层技术指南》(以下简称《指南》)要求(见表1)。

(3)集料及矿料：新集料采用陕西商洛红山子石料厂生产的0~3mm、3~5mm、5~10mm玄武岩；回收路面材料RAP：来源于陕西某高速公路大中修面层玄武岩旧料，集料的物理力学性能见表2。试验采用国内常用的MS-3型(粗级配)微表处矿料级配，合成级配见表3。

(4)水泥与拌合用水：水泥为P·O42.5水泥，其技术性能符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》要求；水：自来水。

掺加再生料的微表处混合料配合比设计

湿轮磨耗试验与粘附砂量试验

《指南》规定采用“图解法”确定微表处混合料的zui佳乳化沥青用量，湿轮磨耗试验主要用于检验成型后的稀浆混合料配伍性和抗水损害性能，要求以湿轮磨耗试验确定乳化沥青的zui小掺量，以负荷轮粘附砂试验确定乳化沥青的上限。试验时固定水泥用量为1.5%(占集料质量百分比)，固定液体组分(乳化沥青+拌合用水量)用量为16%，不同乳化沥青用量下的湿轮磨耗试验与粘附砂量试验结果见图1。

由图1可见：(1)相同乳化沥青用量下，再生料微表处混合料的湿轮磨耗值、粘附砂量均随RAP掺量的增加而zeng大，这是由再生料表面特性决定的。(2)在0~100%RAP掺量下(RAP等质量替代新集料)，微表处混合料的湿轮磨耗值随着乳化沥青用量的增加而减小，粘附砂量随着乳化沥青用量的增加而zeng大，湿轮磨耗试验与粘附砂量试验一起用于确定微表处混合料的zui佳沥青用量。加入RAP后，随着RAP掺量增加，再生料微表处混合料的粘附砂量上升幅度、湿轮磨耗值下降幅度均明显大于未掺RAP的微表处混合料，《指南》规定，浸水1h的湿轮磨耗损失应小于540g/㎡，粘附砂量应小于450g/㎡，据此确定掺加0~20%RAP再生料微表处混合料的zui佳沥青用量为8%，掺加20%~100%RAP再生料微表处混合料的zui佳沥青用量为9%。由此可见，再生料等质量替代新集料对于微表处混合料的油石比有一定的影响，要确保再生料微表处混合料有足够抗水损害能力，在zeng大RAP掺量的同时，应该适当增加乳化沥青用量。

拌合试验

试验时固定SBR改性乳化沥青用量为9%、水泥掺量为1.5%、拌合用水量为7%(下同)。试验按照《指南》附录A1进行，结果见表4。

由表4可见，相比不掺加再生料的微表处混合料，再生料掺量为100%时，微表处混合料可拌合时间延长了56s，延长幅度为44.8%；RAP掺量由20%zeng大到100%，微表处混合料的可拌合时间延长了45s，延长幅度达33.1%。加入再生料能延长微表处混合料的可拌合时间，提高了微表处混合料的施工和易性，在再生料掺量不超过40%时，再生料微表处混合料具有合适的拌合时间和初凝时间以及较好的稠度，但再生料掺量超过40%后，再生料微表处混合料的拌合时间大于150s，这对微表处混合料快速开放交通和后期使用性能有不利影响。分析再生料掺量对微表处混合料可拌合时间的影响，再生料粗集料表面被老化沥青砂浆包裹，再生料中填料多为沥青颗粒和沥青胶浆，沥青微珠裹覆在再生料表面形成一层沥青薄膜，这使得再生料表现出憎水性、表面呈酸性。相较于新集料，再生料与乳化沥青中的水及沥青乳化剂吸附作用相对较弱，使得乳化沥青破乳速度下降，进而导致微表处混合料稠度低、成浆状态差，可拌合时间延长。

粘聚力试验

微表处作为沥青路面预防性养护常用的一种快凝型表层处治材料，能够快速开放交通是其zui显著的特征之一。粘聚力试验按照《指南》附录A3进行，结果见图2。

由图2可见，随着RAP掺量的增加，再生料微表处混合料的30min、60min粘聚力逐渐减小，相比未掺加RAP的微表处混合料，掺加20%RAP后，微表处混合料30、60min粘聚力分别降低了5.6%、5.2%；掺加100%RAP时，微表处混合料的30、60min粘聚力分别降低了51.8%、37.1%；RAP掺量由20%zeng大至100%，再生料微表处混合料30、60min粘聚力降低了48.9%、33.6%。由此可见，低掺量RAP对微表处混合料的粘聚力影响不大，而较高RAP掺量将导致微表处混合料的粘聚力显著降低，再生料微表处混合料的粘聚力随养生时间延长存在提高过程，因此，使用掺再生料微表处混合料时，开放交通的时间应适当延长，这与拌合试验结果一致。

综上可知，RAP掺量在0~100%范围内，粘聚力随RAP掺量的增加呈良好负线性相关性，拟合优化度R^2不小于0.95。粘聚力试验主要用于确定微表处混合料的初凝和开放交通时间，以《指南》要求的30、60min粘聚力不小于1.2、2.0N·m为约束值，通过RAP掺量与粘聚力线性拟合方程，计算得到再生料掺量超过50%后，其30、60min粘聚力均不能符合《指南》要求。

轮辙变形试验

轮辙变形试验主要用于验证微表处混合料的高温稳定性，以确保微表处混合料用于填充车辙时能够有优良的抗永久变形能力。试验参照《指南》附录A6进行，结果见表5。

由表5可见，再生料等质量替代新集料后，微表处混合料的抗车辙变形能力降低。随再生料掺量的增加，微表处混合料的车辙宽度变形率和深度变形率都显著zeng大。当RAP的掺量为50%、60%时，微表处混合料轮辙变形试验的宽度变形率分别为4.8%、5.7%；RAP掺量大于60%后，宽度变形率已不能符合《指南》要求，从抗车辙性能考虑，可以认为再生料的掺加量有一个限值，需要填补车辙时，RAP掺量应小于50%。

掺加再生料的微表处混合料路用性能

水稳定性

采用浸水、冻融循环前后的劈裂强度(ITS)、浸水劈裂强度及冻融劈裂稳定度评价再生料微表处混合料的水稳定性。采用旋转压实法成型直径100mm、高100mm圆柱体试样，60℃鼓风烘箱养生3d后冷却12h备用。取圆柱体试样中间63.5mm部分用于劈裂强度试验，试验按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行，结果见表6。

由表6可知，浸水、冻融循环对微表处混合料的劈裂强度有一定的劣化，相比而言，冻融循环试验条件更加严苛。浸水、冻融前后微表处混合料的劈裂强度均随RAP掺量的增加而线性降低，负线性拟合优化度R^2大于0.95，浸水劈裂强度残留稳定度、冻融劈裂稳定度均随RAP掺量zeng大而降低。由此可见，RAP掺量越大，再生料微表处混合料的水稳定性越差，在RAP掺量大于50%后，浸水劈裂强度残留稳定度、冻融劈裂稳定度均小于80%，这对于冻融条件严苛地区和高温多雨地区，其水稳定性已经不满足使用要求。

低温抗裂性

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采用-10℃低温SCB试验评价微表处混合料的低温抗裂性能，采用旋转压实法成型直径250px、高250px圆柱体试样，60℃鼓风烘箱养生3d后冷却12h备用。采用芬兰产双面锯取圆柱体试件中间150px部分，并切割成50px厚的圆形试件，再将圆形试件其从直径方向对称切开，1个圆柱体试样可切割6个平行试件。试验加载速率为1mm/min，支点间距为SCB试件直径的0.8倍，试验结果见表7。

由表7可见，随RAP掺量增加，再生料微表处混合料的弯拉强度、弯曲应变、破坏应变能逐渐减小，弯曲劲度模量逐渐zeng大。在RAP掺量为20%~40%范围内，再生料微表处混合料的弯拉强度大于4.0MPa、弯曲应变大于2100με、破坏应变能大于2000J/㎡；但进一步增加RAP掺量时，微表处混合料的弯拉强度、弯曲应变、破坏应变能显著降低，再生料掺量zeng大至100%时，微表处混合料的低温抗裂性能约下降了50%。因此，从低温抗裂性能考虑，RAP的掺量不宜超过50%。

抗疲劳耐久性

考虑到微表处混合料的层位功能和实际的受力环境，采用直接剪切疲劳试验(控制应力)研究再生料微表处混合料的抗疲劳性能。试件厚度75px，采用环氧树脂将试件粘贴在马歇尔试件上(见图3)，25℃鼓风烘箱放置2d后备用，每组6个平行试件，疲劳试验采用电液同服疲劳试验机，试验温度为25℃，采用5Hz连续式半正矢波形，控制应力水平为0.1、0.2、0.3、0.4，采用疲劳寿命与应变水平的双对数拟合参数对试验数据进行处理，结果见表8。

由表8可知，在0.1~0.4应力水平下，掺加20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、100%RAP的微表处混合料其疲劳寿命相比未掺加再生料的混合料降低了9.2%~24.2%、12.2%~43.9%、24.2%~53.3%、28.4%~61.2%、41.5%~69.7%、49.9%~75.9%、55.0%~79.4%、58.4%~85.1%；RAP掺量超过40%后，各应力水平下混合料的疲劳寿命比未掺RAP时降低了40%以上，RAP掺量越大，混合料在高应变水平下的疲劳寿命衰减幅度越大。再生料微表处混合料的K值随着RAP掺量增加而减小；n为负值，n的绝对值随着RAP掺量增加而zeng大。RAP掺量由0增加至100%时，拟合参数K由8.018减小至5.329，减小了33.5%；参数n绝对值由1.579zeng大至2.371，zeng大了50.2%。RAP掺量越大，再生料微表处混合料疲劳寿命越短，且疲劳寿命对应力水平越敏感。因此，对于重载交通道路中，为防止再生料微表处在高应力条件下产生剪切疲劳破坏，应严格控制RAP掺量不超过50%。

结论

(1)RAP掺量对微表处混合料的施工性能影响较大。再生料微表处混合料的湿轮磨耗值、粘附砂量、拌合时间随RAP掺量的增加而zeng大。掺入RAP能提高了微表处混合料的施工和易性，当使用再生料微表处混合料时，开放交通时间应适当延长。

(2)再生料微表处混合料的耐磨耗性能、抗车辙性能、水稳定性和低温抗裂性能随RAP掺量的增加而降低，掺加RAP降低了微表处混合料的疲劳寿命，同时zeng大了疲劳寿命对应力水平的敏感性，RAP掺量超过40%后，微表处混合料的高温稳定和抗疲劳耐久性能显著降低。

(3)将再生料用于微表处混合料是可行的，综合考虑，建议微表处混合料中RAP的掺量应小于50%。

全文完发布于《新型建筑材料》2019年9月

作者简介：樊尚志，男，1990年生，河北怀安人，助教，主要从事建筑工程技术及建筑材料研究工作

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