余森開(kāi)， 仰建崗， 黃錦化， 張 偉

(1. 中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司， 北京 101500； 2. 華東交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 南昌 330013; 3. 江西省道路與鐵道工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013)

廠拌熱再生技術(shù)可以充分利用原路面瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement, RAP)，設(shè)計(jì)的再生瀝青混合料可以用于各路面結(jié)構(gòu)層，具有良好的節(jié)能、減排、經(jīng)濟(jì)效益，使其在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而，廠拌熱再生瀝青混合料在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中常會(huì)面臨級(jí)配、RAP摻量、瀝青含量、攤鋪碾壓溫度等因素的影響，出現(xiàn)設(shè)計(jì)施工后的再生瀝青混合料性能與設(shè)計(jì)性能之間的存在偏差，并影響再生瀝青混合料的壓實(shí)特性，進(jìn)而引發(fā)再生瀝青混合料的施工質(zhì)量問(wèn)題[3-4]。

再生瀝青混合料是一種多相復(fù)合材料[5-6]，在壓實(shí)特性研究方面，汪水銀等[7]研究了集料級(jí)配、瀝青含量和壓實(shí)溫度對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性的影響。Hervé等[8]采用三軸試驗(yàn)研究了瀝青混合料的壓實(shí)度對(duì)疲勞損傷和強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則的影響。Delrio等[9]研究了瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中的體積特性、空隙率及所需的剪切力和壓實(shí)能，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的壓實(shí)特性與集料球度、瀝青標(biāo)號(hào)和瀝青含量有關(guān)。Dessouky等[10]采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)分析了瀝青混合料的和易性能和壓實(shí)性能，評(píng)價(jià)了瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)壓實(shí)特性的影響。延西利等[11]采用3種品牌的溫拌瀝青與2種品牌的熱拌瀝青對(duì)比研究了不同擊實(shí)次數(shù)與擊實(shí)溫度條件下溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性與難易系數(shù)。張琛等[12]采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀研究了不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料和易性與壓實(shí)特性之間的相關(guān)性。綜上所述，級(jí)配、RAP摻量、瀝青含量以及壓實(shí)溫度影響瀝青混合料壓實(shí)特性，且與施工質(zhì)量相關(guān)。然而，在壓實(shí)特性研究方面關(guān)于再生瀝青混合料的研究較少。

現(xiàn)依托福建省福銀高速三明段廠拌熱再生瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程，采用正交試驗(yàn)法研究再生瀝青混合料設(shè)計(jì)施工過(guò)程中級(jí)配、RAP摻量、碾壓溫度與空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)、壓實(shí)速率、鎖點(diǎn)之間的關(guān)系，并基于極差分析、方差分析研究因素對(duì)壓實(shí)特性指標(biāo)的影響顯著性。同時(shí)，采用回歸分析法建模分析因素與壓實(shí)特性指標(biāo)之間變化規(guī)律，并采用實(shí)體工程論證因素對(duì)壓實(shí)特性指標(biāo)的影響。研究成果有望為再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制提供參考。

1 原材料檢測(cè)與方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料檢測(cè)

再生瀝青混合料原材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene triblock copolymer, SBS)改性瀝青、石灰?guī)r集料、礦粉、再生劑、RAP。SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。石灰?guī)r集料規(guī)格分別為0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm，其與礦粉技術(shù)指標(biāo)如表2所示。再生劑技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Physical indexes of SBS modified asphalt

表2 石灰?guī)r集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Physical indexes of limestone aggregate

表3 再生劑技術(shù)指標(biāo)Table 3 Physical indexes of rejuvenator

RAP采用銑刨、破碎、篩分的方法將原路面AC20瀝青混合料分為0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm三種類型，并采用離心分離法分離RAP中的集料與瀝青，測(cè)算0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm RAP的瀝青含量分別為6.66%、3.14%、2.23%，級(jí)配如圖1所示。此外，并采用4.75 mm篩孔將RAP中的集料劃分為粗、細(xì)集料兩種類型。采用阿布森法將離心分離得到的瀝青溶液中的老化瀝青與溶劑分離，測(cè)定老化瀝青以及RAP集料的基本性能指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。

圖1 三種規(guī)格的RAP級(jí)配Fig.1 Gradation of the aggregates in the three RAP classications

表4 RAP技術(shù)指標(biāo)Table 4 Physical indexes of RAP

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)AC20再生瀝青混合料級(jí)配，分布如圖2所示，并根據(jù)分形理論計(jì)算不同級(jí)配曲線的分形維數(shù)的數(shù)值，用n表示。之后，對(duì)級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度因素分別設(shè)計(jì)三種水平，結(jié)果如表5所示。并根據(jù)表5設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，結(jié)果如表6所示。根據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，分別采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備馬歇爾試件，每組試驗(yàn)方案制備試件4個(gè)，各組再生瀝青混合料的瀝青含量均為4.50%。

圖2 設(shè)計(jì)級(jí)配曲線Fig.2 Design grading curve

表5 因素水平Table 5 Different levels of different factors

表6 正交試驗(yàn)方案Table 6 Orthogonal test scheme

試件制作過(guò)程中，石灰?guī)r、礦粉、SBS改性瀝青的加熱溫度分別為180、180、160 ℃，加熱時(shí)間為2 h；RAP的加熱溫度為130 ℃，加熱時(shí)間不超過(guò)2 h；再生劑常溫添加，并以老化瀝青針入度指標(biāo)恢復(fù)到新瀝青針入度范圍時(shí)的用量作為設(shè)計(jì)用量，得到再生劑用量為老化瀝青含量的3%[13]。

1.3 研究指標(biāo)

采用空隙率(void ratio, VV)、壓實(shí)能量指數(shù)(compaction energy index, CEI)、壓實(shí)速率(slope of accumulated compaction energy,K)、鎖點(diǎn)(lock point, LP)指標(biāo)表示再生瀝青混合料壓實(shí)特性[11,12]。

(1)空隙率?？障堵?VV)的測(cè)算方法可按照規(guī)程中T0705中的步驟執(zhí)行。

(2)壓實(shí)能量指數(shù)。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的過(guò)程中的瀝青混合料密實(shí)曲線圖3計(jì)算壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)。CEI表示再生瀝青混合料壓實(shí)到92%壓實(shí)度所需功，采用壓實(shí)曲線92%以下所圍成的面積計(jì)算。壓實(shí)過(guò)程中CEI的值越小，再生瀝青混合料越容易壓實(shí)。

圖3 瀝青混合料壓實(shí)曲線Fig.3 Compaction curve of asphalt mixture

(3)壓實(shí)速率。壓實(shí)速率(K)表示再生混合料的可壓實(shí)性能，計(jì)算方法如式(1)所示。壓實(shí)速率K越大表示瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程中壓實(shí)一次密度上升速率越快。

(1)

式(1)中：G1為初始8次壓實(shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度，%；G2為設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)的壓實(shí)度，%；n為壓實(shí)度首次到達(dá)94%時(shí)壓實(shí)次數(shù)。

(4)鎖點(diǎn)。鎖點(diǎn)(LP)為再生瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中第2次出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)相同高度時(shí)的壓實(shí)次數(shù)，表示混合料中骨架的形成程度。

1.4 研究方法

(1)極差分析與方差分析。采用極差與方差分析法分析因素對(duì)壓實(shí)特性的影響程度與影響規(guī)律，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[14]。

(2)回歸分析。采用回歸分析法建立因素與壓實(shí)特性指標(biāo)的二次回歸模型探究因素對(duì)壓實(shí)特性的影響，模型如式(2)所示，并采用擬合優(yōu)度R2評(píng)估模型的擬合程度[4]。

(2)

式(2)中：b0、bj、bij、bjj為各項(xiàng)回歸參數(shù)；Xj為模型中的一次項(xiàng)；XiXj為模型中的交叉項(xiàng)；Xj2為模型中的二次項(xiàng)；ε為模型誤差。

(3)工程實(shí)證分析。根據(jù)實(shí)體工程，驗(yàn)證因素變化對(duì)壓實(shí)特性的影響，用于論證室內(nèi)研究的可靠性。此外，采用無(wú)核密度儀PQI 380測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)再生瀝青混合料的壓實(shí)度，試驗(yàn)段施工后的壓實(shí)度測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 壓實(shí)度檢測(cè)Fig.4 Compactness test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案測(cè)算壓實(shí)特性指標(biāo)，結(jié)果如表7所示。

表7 試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results

2.2 極差與方差分析

根據(jù)表7試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算不同因素對(duì)壓實(shí)特性指標(biāo)極差，結(jié)果如表8所示。由表8可見(jiàn)，空隙率(VV)、壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)、鎖點(diǎn)(LP)極差分析結(jié)果基本一致，因素的影響程度均表現(xiàn)為級(jí)配>壓實(shí)溫度 >RAP摻量。然而，因素對(duì)壓實(shí)速率(K)的影響程度略有不同，表現(xiàn)為級(jí)配>RAP摻量>壓實(shí)溫度。分析因素對(duì)壓實(shí)特性指標(biāo)的影響程度，級(jí)配的影響程度最高。

表8 極差分析結(jié)果Table 8 Results of range analysis

根據(jù)極差分析結(jié)果可知，再生瀝青混合料壓實(shí)特性指標(biāo)受級(jí)配影響程度最高，這可能是因?yàn)榧?jí)配構(gòu)成再生瀝青混合料骨架，越細(xì)的級(jí)配骨架之間的空隙也就越小，引起混合料的空隙率降低、壓實(shí)越容易、骨架結(jié)構(gòu)越容易形成。壓實(shí)溫度對(duì)再生瀝青混合料影響次之，這可能是因?yàn)閴簩?shí)溫度影響再生瀝青混合料中瀝青的粘聚力，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫理論，再生瀝青混合料的破壞過(guò)程滿足庫(kù)倫公式關(guān)系[15]，庫(kù)倫公式中抗剪強(qiáng)度的大小與內(nèi)聚力有關(guān)，瀝青混合料的內(nèi)聚力與瀝青以及集料表面粘附性相關(guān)聯(lián)。然而，較高的碾壓溫度將會(huì)降低瀝青的粘聚力，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的降低，使再生瀝青混合料更容易碾壓，引起空隙率(VV)、壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)的降低。RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料壓實(shí)特性影響最小，這可能是因?yàn)镽AP摻量的改變影響再生瀝青混合料中老化瀝青含量以及礦料級(jí)配，然而，相較于再生瀝青混合料級(jí)配以及瀝青含量來(lái)看，RAP摻量、級(jí)配占再生瀝青混合料總體級(jí)配與瀝青含量總體比例較小，所以影響程度較低。

采用方差分析判斷影響因素與壓實(shí)特性指標(biāo)的影響程度的顯著性，顯著性大小采用F表示，F(xiàn)值越大表明因素對(duì)指標(biāo)影響越顯著，并結(jié)合文獻(xiàn)[4]中顯著性水平判斷方法，評(píng)估影響影響因素的顯著程度，結(jié)果如表9所示。

表9 方差分析結(jié)果Table 9 Analysis of variance results

由表9可見(jiàn)，方差計(jì)算過(guò)程中R2>0.95，說(shuō)明方差計(jì)算結(jié)果可靠。從方差計(jì)算結(jié)果可知，級(jí)配是影響再生瀝青混合料空隙率(VV)、壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)、壓實(shí)速率(K)、鎖點(diǎn)(LP)指標(biāo)的關(guān)鍵因素，RAP摻量影響程度相對(duì)最低。此外，極差分析結(jié)果基本與方差分析結(jié)果基本一致，而方差分析結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了再生瀝青混合料級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度是影響再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的重要因素，級(jí)配是最顯著的影響因素。

2.3 再生瀝青混合料壓實(shí)特性變化規(guī)律分析

一般地，再生瀝青混合料在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，主要考慮的壓實(shí)特性指標(biāo)是空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)。這主要是因?yàn)榭障堵视绊懺偕鸀r青混合料壓實(shí)度，而壓實(shí)能量指數(shù)影響再生瀝青混合料的碾壓和易性。因此，僅討論空隙率指標(biāo)以及壓實(shí)能量指數(shù)指標(biāo)與級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度因素之間的變化規(guī)律。

在實(shí)際工程中，再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)在級(jí)配、RAP摻量因素對(duì)壓實(shí)特性指標(biāo)影響考慮較少，且在施工過(guò)程中常會(huì)遇到施工溫度不穩(wěn)定的問(wèn)題，引發(fā)施工質(zhì)量問(wèn)題。因此，有必要考慮壓實(shí)特性指標(biāo)進(jìn)行再生瀝青混合料級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度與壓實(shí)特性指標(biāo)之間變化規(guī)律分析，探討變化規(guī)律，以期為再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

采用二次回歸模型建立影響因素與壓實(shí)特性指標(biāo)(空隙率、壓實(shí)能量指數(shù))之間的回歸方程，結(jié)果如式(3)、式(4)所示，回歸方程的擬合優(yōu)度R2分別為0.970、0.927，模型擬合程度較高。

VV=29.458 0+33.851 5X1+0.031 8X2-

(3)

CEI=8.341 8+18.924 5X1+16.349 7X2+

93.802 8X3+0.429 5X1X2-

36.841 8X1X3-0.136 5X2X3

(4)

式中：X1為級(jí)配分形維數(shù)，取值[2.479,2.529]；X2為RAP摻量，取值[10,50]，%；X3為壓實(shí)溫度，取值[120,160]， ℃。

根據(jù)式(3)、式(4)可以得到不同碾壓溫度下(120、140、160 ℃)再生瀝青混合料空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)與級(jí)配、RAP摻量之間的變化趨勢(shì)如圖5、圖6所示。由圖5可見(jiàn)，相同壓實(shí)溫度下，再生瀝青混合料空隙率隨級(jí)配分形維數(shù)的增加而降低，即級(jí)配越細(xì)的再生瀝青混合料空隙率越小；隨RAP摻量的增加而降低，說(shuō)明RAP的存在可以降低再生瀝青混合料的空隙率；再生瀝青混合料空隙率總體隨壓實(shí)溫度的增加而降低，說(shuō)明較高的碾壓溫度將更容易達(dá)到設(shè)計(jì)空隙率。此外，從空隙率的衰減幅度看，分形維數(shù)增加時(shí)的再生瀝青混合料空隙率衰減幅度較RAP摻量增加時(shí)高，說(shuō)明級(jí)配對(duì)再生瀝青混合料空隙率影響更顯著，這與方差分析結(jié)果一致，即級(jí)配極為顯著影響空隙率指標(biāo)。由圖6可見(jiàn)，相同壓實(shí)溫度下，級(jí)配越細(xì)的再生瀝青混合料所需壓實(shí)能量指數(shù)CEI越低，越容易壓實(shí)；RAP摻量越高的再生瀝青混合料所需壓實(shí)能量指數(shù)越低，RAP摻量越高的再生瀝青混合料越容易壓實(shí)；再生瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)CEI總體隨壓實(shí)溫度的增加而降低，說(shuō)明壓實(shí)溫度越高的再生瀝青混合料達(dá)到相同的壓實(shí)度所需的壓實(shí)功就越小。此外，從壓實(shí)能量指數(shù)CEI的衰減幅度看，分形維數(shù)增加時(shí)的再生瀝青混合料CEI衰減幅度較RAP摻量增加時(shí)高，說(shuō)明級(jí)配對(duì)再生瀝青混合料CEI影響更顯著，這與方差分析結(jié)果也一致，即級(jí)配極為顯著影響CEI指標(biāo)。

圖5 不同壓實(shí)溫度的VV隨RAP摻量、級(jí)配的變化趨勢(shì)Fig.5 The change trend of VV with RAP content and grading at different compaction temperatures

圖6 不同壓實(shí)溫度的CEI隨RAP摻量、級(jí)配的變化趨勢(shì)Fig.6 The change trend of CEI with RAP content and grading at different compaction temperature

2.4 工程實(shí)證分析

為進(jìn)一步論證再生瀝青混合料級(jí)配顯著影響壓實(shí)特性指標(biāo)，依托福建省福銀高速三明段預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程，現(xiàn)場(chǎng)比較不同級(jí)配情況下的再生瀝青混合料壓實(shí)度、壓實(shí)能量指數(shù)的變化。分別選擇兩段進(jìn)行30%RAP摻量的AC20再生瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)施工壓實(shí)度、壓實(shí)能量指數(shù)CEI監(jiān)測(cè)，兩段施工時(shí)的壓實(shí)溫度均為150～155 ℃，壓實(shí)厚度均為6 cm。兩段施工均采用鋼輪初壓2遍，膠輪復(fù)壓5遍，終壓3遍的壓實(shí)工藝。所得到的兩段施工后壓實(shí)度分布如圖7所示，具體試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

圖7 兩個(gè)試驗(yàn)段壓實(shí)度分布云圖Fig.7 Cloud chart of compactness distribution of two test sections

表10 試驗(yàn)段施工結(jié)果Table 10 Construction results of test section

由表10可知，分形維數(shù)越大(級(jí)配越細(xì))的試驗(yàn)段2較試驗(yàn)段1的壓實(shí)度高0.9%，說(shuō)明試驗(yàn)段2的空隙率越低。同時(shí)，試驗(yàn)段2的壓實(shí)能量指數(shù)CEI較試驗(yàn)段1降低45.3。由此可知，再生瀝青混合料的空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)CEI受級(jí)配的影響，極差分析、方差分析、回歸分析的結(jié)果一致，級(jí)配是設(shè)計(jì)再生瀝青混合料材料組成中的重要因素，需要考慮級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度因素對(duì)再生瀝青混合料的壓實(shí)特性的影響進(jìn)行混合料的材料組成設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

(1)級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度均對(duì)壓實(shí)特性指標(biāo)空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)、壓實(shí)速率、鎖點(diǎn)影響顯著。其中，級(jí)配影響程度最高，RAP摻量影響程度相對(duì)較低。

(2)級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度與空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)之間滿足二次回歸模型。

(3)空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)與級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度變化趨勢(shì)一致，均與溫度、級(jí)配分形維數(shù)、RAP摻量負(fù)相關(guān)。并依托實(shí)體工程，進(jìn)一步論證了級(jí)配與路面壓實(shí)度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

(4)壓實(shí)特性受級(jí)配、RAP摻量、壓實(shí)溫度的影響，建議再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)考慮壓實(shí)特性指標(biāo)的變化規(guī)律，以便控制施工質(zhì)量。