陳梓寧，程培峰

(東北林業(yè)大學　土木工程學院，黑龍江　哈爾濱　150040)

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基于流變學原理的熱再生瀝青混合料舊料摻配比例

陳梓寧1，程培峰2

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：為了優(yōu)化熱再生瀝青混合料配合比設計，利用了流變學試驗原理和美國SHRP試驗方法，從中引入車轍因子、疲勞因子、低溫蠕變速率對4種新舊瀝青摻配比例的再生瀝青高溫性能、疲勞性能和低溫性能進行評價和分析，在兼顧高低溫性能的情況下得到舊瀝青、再生劑和新瀝青的最佳摻配比例，進而得出熱再生瀝青混合料舊料摻量的最佳摻配比例; 同時對舊料進行熱再生瀝青混合料配合比設計及其路用性能試驗, 與普通瀝青混合料路用性能對比分析，證明熱再生瀝青混合料舊料摻量的最佳摻配比例設計方法的合理性?；诹髯儗W原理對幾種新舊瀝青摻配比例的再生瀝青進行對比分析，得到最佳再生瀝青摻配比例，并用于指導熱再生瀝青混合料舊料摻量以及配合比設計。

關鍵詞：道路工程；最佳摻配比例；流變學原理；再生瀝青；舊料摻量

0引言

截止到2014年底，我國公路總里程已經(jīng)達到446萬km，其中高速公路總里程已經(jīng)突破11.1萬km。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，公路里程不斷增長，早期建設成的高等級公路也陸續(xù)進入到大、中修及養(yǎng)護階段，產(chǎn)生了大量的廢舊瀝青混合料。為了節(jié)約資源，再生利用作為一種資源節(jié)約型技術,在瀝青路面養(yǎng)護維修工程中得到大規(guī)模的推廣應用。目前，國內(nèi)在舊料再生方面摸索出一套再生技術方法[1-3]，但是兼顧再生瀝青混合料高低溫性能的舊料摻配比例方面研究仍不夠深入。在評價再生瀝青方面，僅用三大指標評價舊瀝青及再生瀝青的性能有局限性，既難以直觀反映出再生瀝青的高低溫性能，也無法為再生混合料中舊料的合理摻配比例提供技術依據(jù)。而大量試驗研究證明，舊料的摻配比例直接影響到再生瀝青混合料的路用性能，特別是在對瀝青混合料高、低溫性能具有特殊要求的季凍地區(qū)。舊料摻量合理與否直接影響到再生技術的適用性及適用條件。鑒于此，本文利用流變學原理對再生瀝青試驗，評價其路用性能，研究新舊瀝青不同比例條件下膠漿的性能變化，通過對比分析，得到最佳摻配比例，指導合理的舊料摻量，為再生技術在季凍地區(qū)的應用提供技術依據(jù)。

1基于流變學原理的再生瀝青性能評價

1.1研究方法

美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)最重要的研究成就之一就是采用了流變學的研究方法,最早是在1994年頒布，之后在2001年對低溫性能評價進行了改動[4-5]，后來國內(nèi)很多研究者對此方法進行研究以及運用[6-11]。此方法中，引入了像車轍因子G*/sinδ、疲勞因子G*sinδ、勁度模量、蠕變速率等流變學參數(shù)作為評價瀝青路用性能的技術指標。本文根據(jù)SHRP瀝青路用性能試驗研究方法，使用動態(tài)剪切流變儀(DSR)、彎曲梁流變儀(BBR)儀器對4種再生瀝青進行試驗，利用車轍因子、疲勞因子、勁度模量和蠕變速率對再生瀝青的高溫性能、耐疲勞性能和低溫性能進行對比分析。

1.2確定再生瀝青摻配比例

研究采用長平高速改擴建剩余的舊料，對舊料進行再生，其中原路面鋪筑的為90#瀝青。使用20-1100型瀝青混合料分析器(圖1)將其中舊瀝青、礦粉和舊集料分離，得到的三氯乙烯和舊瀝青的混合溶液，使用R-215 Professional V型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(圖2)將三氯乙烯與舊瀝青分離，得到舊瀝青，其性能指標見表1。

圖1　20-1100型瀝青混合料分析器 Fig.1　20-1100 asphalt mixture analyzer

圖2　R-215 Professional V型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀Fig.2　 R-215 Professional V-type rotary evaporator

檢測項目90#瀝青性能指標要求試驗結(jié)果25℃針入度/(0.1mm)80～10048.9軟化點/℃不小于4458.710℃延度/cm不小于309.7

再生劑選用嘉鵬再生劑，根據(jù)舊瀝青性能確定再生劑用量范圍7%到11%，通過試驗結(jié)果(表2)可以看出，再生劑劑量為9%時，回收瀝青性能指標基本恢復到90#瀝青的水平，因此選擇再生劑劑量為9%。

表2　摻加再生劑的再生瀝青性能檢測結(jié)果

參考以往再生瀝青混合料研究成果，結(jié)合再生混合料舊料摻配比例經(jīng)驗，選取4組不同摻配比例的再生瀝青進行高、低溫性能對比試驗研究，4組再生瀝青摻配比例如表3所示，此時，我們假設新舊瀝青混合料的油石比一樣， 1:2, 1:3, 1:4和1:5的4種舊瀝青和新瀝青比例所對應的舊料摻配比例分別為33%, 25%,21%以及17%，4種再生瀝青摻配比例分別用A, B, C, D表示。

表3　再生瀝青質(zhì)量比例

季凍地區(qū)瀝青要兼顧高低溫性能，普遍采用90#瀝青。經(jīng)過試驗檢測，瀝青的各項技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術要求，可以在工程中使用。

1.3動態(tài)剪切試驗結(jié)果與分析

本研究采用Gemini II ADS型動態(tài)剪切流變儀(圖3)對再生瀝青進行高溫性能試驗，試驗結(jié)果如圖4、圖5、表4所示。

圖3　Gemini II ADS型動態(tài)剪切流變儀Fig.3　Gemini II ADS dynamic shear rheometer

圖4　四種再生瀝青車轍因子曲線圖Fig.4　Rutting factor curves of 4 recycled asphalts

圖5　四種再生瀝青相位角曲線圖Fig.5　Phase angle curves of 4 recycled asphalts

再生瀝青溫度19℃16℃A相位角/(°)50.747.8疲勞因子/MPa48416010B相位角/(°)5249.0疲勞因子/kPa42025781C相位角/(°)51.148.0疲勞因子/kPa40435672D相位角/(°)52.649.5疲勞因子/kPa38855546

根據(jù)試驗結(jié)果，4個摻配比例的再生瀝青在溫度為58 ℃時，滿足G*/sinδ>1.0 kPa。

雖然4種再生瀝青高溫等級相同，但是隨著新瀝青摻加比例的增加，車轍因子A(1.81)>B(1.42)>C(1.31)>D(1.22)逐漸減小，說明瀝青的抗變形能力逐漸減弱；相位角A(82.1)

瀝青的老化是導致瀝青路面出現(xiàn)車轍病害的重要原因。從圖4和圖5可以看出，老化前和老化后都是隨溫度的升高，相位角δ增大，車載因子G*/sinδ減小。但是對比可以發(fā)現(xiàn)，同一摻配比例的再生瀝青在同一溫度級別，相位角老化后比老化前大幅減小，反之車轍因子增大，這可以說明老化后的再生瀝青抗變形能力增強，但是黏性減弱。從表4可以看出，4種再生瀝青隨著新瀝青摻配比例的增加，疲勞因子(4 841)>B(4 202)> C(4043)>D(3 885)逐漸減小， 說明再生瀝青的柔性增強，抗疲勞性能有所提高。

1.4彎曲梁蠕變試驗結(jié)果與分析

本研究采用TE BBR型彎曲梁流變儀(圖6)對再生瀝青進行試驗。

圖6　TE BBR型彎曲梁流變儀Fig.6　TE BBR type bending beam rheometer

瀝青路面低溫開裂是很常見的路面破壞，國內(nèi)學者認為，瀝青混合料的低溫開裂主要取決于瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能，與集料骨架作用關系不大，由于瀝青在低溫下表現(xiàn)為彈性體，在高溫下表現(xiàn)為黏性體[12]，因此SHRP研究的彎曲梁流變試驗是一種判斷瀝青彈性和黏性的方法，目的在于評價瀝青的低溫性能。

通過彎曲梁流變試驗得到兩個評價參數(shù)：一個蠕變勁度，即瀝青抵抗永久變形的能力；另一個是m值，即荷載作用時瀝青勁度的變化率。

圖7　PAV后再生瀝青蠕變勁度曲線圖Fig.7　Creep stiffness curves of recycled asphalt after PAV treatment

圖7表明，B，C和D配比再生瀝青在-12 ℃的情況下，蠕變勁度均小于300 MPa，然而A配比的再生瀝青A(316)不符合SHRP標準且蠕變勁度最大，所以A配比再生瀝青在低溫性能方面最差。在-12 ℃時， D配比再生瀝青的蠕變勁度小于C配比和B配比，這也說明增加新瀝青的用量對降低蠕變勁度有幫助，且D配比再生瀝青低溫性能更好一些。在同一溫度級別下，4種摻配比例的再生瀝青隨著新瀝青摻配比例的升高，蠕變勁度逐漸減小，再生瀝青脆性變?nèi)?，低溫性能變強?/p>

m代表了瀝青通過黏彈流動對收縮應力的釋放速度，即m值越大，說明釋放速度越快，瀝青抗低溫開裂性能越好。如圖8所示，在同種溫度下的4種摻配比例的再生瀝青蠕變速率關系為m(D)>m(C)>m(B)>m(A)， 說明隨著新瀝青摻加比例的增多，再生瀝青的蠕變速率逐漸增加，其低溫性能變強。

圖8　PAV后再生瀝青m值曲線圖Fig.8　m value curves of recycled asphalt after PAV treatment

1.5新舊瀝青摻配比例選擇

車轍因子表征瀝青材料的抗永久變形能力，相比較相位角評價再生瀝青的高溫性能更為直觀。從再生瀝青車轍曲線圖4可以看出，隨著新瀝青摻量的增加，車轍因子處于下降趨勢，而C點為車轍因子曲線的變化點。這說明在C點之前車轍因子隨著新瀝青摻配比例的增多，下降速率較快且變化不大，而在C點之后，車轍因子下降速度趨于平緩。這表示在再生瀝青新舊瀝青摻配比例1:4之前，高溫性能隨著新瀝青摻量增多而下降，且下降速度較快，在摻配比例超過1:4之后，高溫性能下降程度越來越小。

在PAV老化后再生瀝青蠕變勁度曲線圖7中可以看出，隨著新瀝青摻配比例的增多蠕變勁度曲線呈現(xiàn)下降趨勢，且下降趨勢越來越平緩。其中E點為蠕變勁度變化點，E點之前，下降較快，E點之后，下降的速度減慢，說明在再生瀝青摻配比例1:3.8 之前，低溫性能增長較快，1:3.8摻配比例之后低溫性能增長趨于平緩；從PAV老化后再生瀝青m值曲線圖8可以知道，隨著新瀝青摻量的增多蠕變速率處于增長的趨勢，但蠕變增長速率逐漸減小，其中F點為曲線的變化點，可以知道F點之前，蠕變速率增長較快，F(xiàn)點之后，增長速率減慢，說明隨著新瀝青摻加比例的增多，再生瀝青的蠕變速率增加緩慢，F(xiàn)點為再生瀝青摻配比例1:4.2。

考慮到高溫性能，建議選擇再生瀝青的摻配比例不超過21%，因為小于這個摻配比例的再生瀝青混合料的高溫性能與不摻舊料的結(jié)合料相比會有顯著提高。在低溫性能方面，要同時考慮蠕變勁度和蠕變速率。從蠕變勁度來看，再生瀝青摻配比例取值范圍建議不小于1:3.8，原因在于在1:3.8比例之前低溫性能提高較大，而在此之后提高不大；從蠕變速率角度看，因為在1:4.2比例之前低溫性能增長較快，之后增長較慢，所以再生瀝青的摻配比例建議不大于1:4.2。 因此，綜合高低溫性能，選擇1:4 的舊瀝青和新瀝青的摻配比例較為合理。

從數(shù)值角度來看，車轍因子：A>B>C>D，A最好，58 ℃老化前后車轍因子變化情況如下：B的車轍因子老化后上升1.96；C的車轍因子老化后上升1.93；D的車轍因子老化后上升1.86。可見，C與B的上升幅度接近，要好于D。但從圖7 和圖8蠕變勁度S來看：A不滿足要求(>316)，D>C>B。從蠕變速率m來看，A不滿足要求(-12 ℃時，0.297<0.3)，D>C>B。通過分析可知，A和D分別是高溫性能最好和低溫性能最好的摻配比例，但是為了兼顧高低溫性能，不能選擇A和D的摻配比例。從不同溫度變化幅度看：C的ΔS=283，B的ΔS=294也就是說溫度從-12 ℃降低到-18 ℃時，B的勁度增加得大，說明低溫性能下降得快。同樣的，C的Δm=0.1，B的Δm=0.097也就是說溫度從-12 ℃降低到-18 ℃時，B的m增加得小，說明低溫性能沒有C好。

對于季凍地區(qū)，低溫要求較為嚴格，因此，摻配比例確定的原則是選擇低溫性能好的前提下，高溫也要滿足要求，同時還要考慮經(jīng)濟性，在性能滿足的情況下盡可能多摻舊料，為此，推薦最適宜的摻配比例為C，也就是舊新瀝青1:4的摻配比例。

2再生瀝青混合料配合比設計

工程上再生瀝青混合料的舊料摻配比例大多是由經(jīng)驗確定，大約為20%～30%，也有片面追求舊料摻量而沒有考慮性能的，對舊料摻量也是越多越好，更多的是關注于再生瀝青混合料高溫性能，往往對其低溫性能有所忽略，尤其是在東北三省， 該地區(qū)屬于季凍地區(qū)，所以對低溫性能的要求也同樣重要。本研究通過之前分析得到新舊瀝青比例，指導再生瀝青混合料配合比設計。根據(jù)舊料的油石比，工程材料特性、氣候特點、交通量等特點，結(jié)合當?shù)氐墓こ探?jīng)驗，預估當新瀝青用量4.4%，通過舊瀝青和新瀝青1:4的摻配比例，估算出舊料摻量為21%。

2.1舊料級配

對舊集料進行篩分得到礦料級配。

表5　舊料篩分結(jié)果

2.2新材料

粗集料選用玄武巖，粒徑為19～13.2, 13.2～9.5, 9.5～4.75, 4.75～2.36 mm。細集料選用石屑。經(jīng)過試驗檢測可知粗、細集料和礦粉的各項技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術要求，可以在實體工程中使用。

2.3再生瀝青混合料級配設計

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)給出AC-20瀝青混合料的礦料級配范圍要求和各規(guī)格礦料篩分結(jié)果。通過計算機試算確定21%舊料摻配比例的礦料配合比如下：19～13.2 mm:13.2～9.5 mm:9.5～4.75 mm:4.75～2.36 mm:2.36～0 mm:礦粉:舊料=24:17:9:5:21:3:21。

2.4確定最佳油石比

以估算新瀝青用量4.4%為中值，取5種不同的油石比制備馬歇爾試件，測定瀝青混合料空隙率、密度、瀝青飽和度、礦料間隙率、穩(wěn)定度和流值，然后運用馬歇爾試驗確定最佳油石比。

3再生瀝青混合料性能檢驗

3.1常規(guī)瀝青混合料試驗

對摻舊料21%的再生瀝青混合料和普通瀝青混合料進行車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗和馬歇爾穩(wěn)定度試驗。

表6　新集料篩分結(jié)果

表7　合成級配通過率

表8　最佳油石比瀝青混合料物理力學參數(shù)匯總

表9　再生瀝青混合料路用性能

由路用性能試驗結(jié)果可以知道，摻21%舊料的AC-20再生瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫性能均滿足規(guī)范要求。與普通瀝青混合料相比，高溫性能提高了12.3%，摻21%的舊料對再生瀝青混合料高溫性能有顯著的提高；而從低溫性能來看，摻21%舊料的混合料低溫性能與不摻舊料相差不大，只降低了4.6%。

3.2低溫凍斷試驗

小梁彎曲試驗時檢驗瀝青混合料彎曲性能、變形適應能力的試驗方法，但其評價指標僅考慮了強度特性，而瀝青混合料的低溫性能不是單純由瀝青混合料的強度特性所決定的，具有一定的局限性。

低溫凍斷試驗的核心思想是模擬路面實際降溫過程中混合料的受力狀況。國內(nèi)學者對約束試件溫度應力試驗進行了大量的試驗研究，并認為該試驗能夠真實地評價瀝青混合料的低溫開裂性能。因此，用低溫凍斷試驗來對瀝青混合料的低溫性能進行再次驗證，凍斷試驗設備見圖9。

圖9　凍斷試驗設備Fig.9　Freeze fracture test equipment

分別對摻21%舊料的AC-20再生瀝青混合料和不摻舊料的AC-20瀝青混合料進行凍斷試驗。

圖10　凍斷試驗溫度應力曲線Fig.10　Temperature stress curves obtained by freeze fracture test

瀝青混合料類型凍斷強度/kPa凍斷溫度/℃摻21%舊料AC-20瀝青混合料68524.8AC-20瀝青混合料69325.2

有研究表明用凍斷溫度作為評價瀝青混合料低溫性能的指標更為穩(wěn)定。其中摻21%舊料的再生瀝青混合料凍斷溫度和不摻舊料的相差0.4 ℃，可見此種舊料摻配比例的低溫性能相對較好，與不摻舊料瀝青混合料相比低溫性能降低不大。

圖10為凍斷試驗溫度應力曲線。經(jīng)過再生瀝青混合料性能的驗證以及與不摻舊料瀝青混合料性能對比，可以得到在舊料摻量為21%時，在高溫性能有顯著提高的情況下，低溫性能略有下降，說明此種摻配比例合理，因此，通過控制再生瀝青的摻配比例，得到合理舊料摻量，指導配合比設計。

4結(jié)論

(1)采用動態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀對4種摻配比例的再生瀝青進行試驗并進行對比分析，在兼顧高溫性能的同時，得到在舊瀝青、再生劑和新瀝青參配比例為1:0.09:4。利用新舊瀝青摻配比例，得到合理的舊料摻量來指導混合料配合比設計。

(2)本研究以AC-20再生瀝青混合料和普通瀝青混合料為例進行車轍、小梁彎曲、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗和凍斷試驗，通過試驗結(jié)果對比分析證明，此種摻配比例合理。

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Old Material Blending Ratio of Thermal Recycled Asphalt Mixture Based on Rheological Principle

CHEN Zi-ning1，CHENG Pei-feng2

(School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

Abstract：In order to optimize the design of hot recycled asphalt mixture’s mix proportion, by using the rheological test principle and United States SHRP test methods, in which the parameters including rutting factor, the fatigue factor, low creep rate are introduced to evaluate and analyze the high-temperature performance, fatigue performance and low-temperature performance of recycled asphalts with 4 new and old asphalt blending ratios. Considering both high and low temperature performances, the optimum blending ratio of old asphalt, recycling agent and new asphalt is obtained, and then the best blending ratio of old material content for hot recycled asphalt mixture is obtained. Furthermore, the mix proportion of the old material in hot recycled asphalt mixture is designed and the road performance test is conducted. Comparing with the pavement performance of ordinary asphalt mixture, it is proved that the best blending ratio of the old asphalt mixture material content for hot recycled asphalt mixture is reasonable. Therefore, based on rheological principle, the recycled asphalt mixtures with abovementioned blending proportions are comparatively analysed, and the best blending ratio for recycled asphalt, which could guide the design of old material content and mix proportion of hot recycled asphalt mixture.

Key words：road engineering；optimum blending ratio；rheological principle；regenerated asphalt；old material blending ratio

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)03-0024-07

中圖分類號：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.005

作者簡介：陳梓寧(1991-)，男，吉林長春人，碩士.(1571773206@qq.com)

收稿日期：2015-08-05