高RAP掺量热再生SMA路面高效再生路用性能研究
文章来源：微信公众号“沥青路面”
引言
随着环保观念及绿色公路理念日益深入人心，厂拌热再生混合料以其性能优于其他再生方式的沥青混合料，可用于各等级公路的面层和柔性基层，及废旧沥青路面循环利用和减少碳排放等优势。截止目前，在国家鼓励政策和地方政府的带动之下，厂拌热再生混合料已经逐步为公众所接受，其使用规模越来越大。我国自1993年北京首都机场高速公路开始设计使用SMA(Stone Mastic Asphalt)以来，SMA以其优良的路用性能已经成为了我国高等级公路上面层的首选结构。经过交通荷载及环境因素的反复作用，按照6～8a大中修和12～15a设计寿命计算，我国早期所修筑的改性沥青路面及SMA路面已经进入或即将进入大规模养护维修期。大量研究结果表明，坚硬、耐磨、抗滑的玄武岩集料经车辆荷载作用后仍具有足够的强度，改性沥青老化后其性能虽有一定的衰减，但整体性能仍优于老化基质沥青。如果将含有玄武岩的废旧SMA沥青路面材料与常规材料混合使用，不仅造成了极大的资源浪费，也提高了再生难度，因此将废旧SMA沥青路面材料(老化SBS改性沥青和玄武岩集料)进行高效再生，可以充分利用SMA混合料的残余强度，提高路面结构的综合路用性能。目前国内外对改性沥青路面再生相关研究较少，鲜见利用旧SMA材料开发再生SMA材料的相关研究和报道。本文针对废旧SMA材料自身特点，评价了其用于再生SMA材料的可行性，通过掺加再生剂改善老化SBS改性沥青的性能，研究了不同废旧SMA材料情况下掺量热再生SMA混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和疲劳性能，结合铺筑的试验路使用性能检测结果，证明了废旧SMA材料生产再生SMA是可行的，并推荐了SMA混合料适宜的的ＲAP掺量，研究结果可为同类工程提供理论与技术借鉴。
不同RAP掺量SMA混合料材料组成设计
原材料及废旧改性沥青SMA材料性能检测
试验采用陕西某高速公路大中修时产生的废旧沥青路面材料(Reclaimed asphalt pavement)，路面在翻修时已经运营了7a。废旧改性沥青SMA材料性能检测主要包括集料和老化SBS性能检测两部分。试验采用的废旧SMA材料取自陕西某高速公路大中修现场，对旧沥青路面材料进行级配、油石比、沥青性能进行分析。将RAP分为0～5、5～10mm共2档，粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，集料分为0～3、3～5、5～10、10～20mm共4档。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40－2004)要求，分别对新旧集料性能进行检测，可知:回收SMA材料的各项指标满足现行施工规范要求，其中压碎值、洛杉矶磨耗值、坚固性比玄武岩新集料稍差，这主要是受车辆冲击荷载作用后集料内部产生微裂纹所致。采用燃烧法确定RAP沥青含量为5.4%，阿布森法获取RAP中的老化沥青，可知:SMA路面经长期光、热、紫外线老化后，沥青针入度减小，延度减小，135℃黏度增大，为恢复老化沥青部分性能，试验时添加了8%橡胶油作为再生剂。新沥青采用我国北方常用的SBS改性沥青(I－D，SBS掺量为4.5%)，采用木质素纤维，其掺量为3.5‰。以不同RAP掺量热再生混合料合成级配最可能接近为原则，确定不同RAP掺量热再生SMA混合料级配。
再生改性沥青SMA混合料最佳沥青用量
按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41－2008)的要求，采用马歇尔法进行热再生混合料的配合比设计。为了避免因RAP预热温度过高所导致的RAP碳化、送料通道堵塞等问题，结合实体工程采用的RAP预热温度，确定RAP加热温度为120℃，试验时结合现场施工采用拌合、碾压温度，以热再生混合料出料温度为165℃为基准，根据不同RAP掺量调整新集料的加热温度。试验时先将RAP与橡胶油再生剂(掺量为8%)一起拌合1min，加入新集料强制拌合30s，使RAP表面的老化沥青被充分打散，然后加入木质素纤维干拌90s，使纤维分散均匀，接着加入SBS改性沥青，拌合2.5min，使新旧沥青充分交融，最后加入矿粉拌合90s。按照普通SMA改性沥青混合料试验流程以马歇尔稳定度、矿料间隙率、沥青饱和度、分散质量损失率和析漏指标确定热再生SMA混合料的最佳沥青用量,试验结果表明，热再生SMA改性沥青混合料的各项体积指标和力学指标均满足现行施工规范要求，这表明本文所采用的拌合、击实温度以及各项试验方法是合理的，此外随着RAP掺量增大，热再生SMA混合料的最佳沥青用量降低，而矿料间隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度并没有明显的变化规律，这可能与RAP掺量增大后新旧沥青的交融程度及新旧料离析有关。
不同RAP掺量热再生SMA混合料路用性能
高温稳定性
按照现行沥青路面施工规范要求，采用车辙试验评价不同RAP掺量的再生SMA混合料的高温稳定性。研究表明，车辙的产生主要是受高温、荷载的综合作用，也受到常温疲劳作用的影响，考虑到我国部分地区夏季温度高(气温超过40℃)，高温持续时间长等不利影响，车辙试验温度采用70℃，为了研究不同RAP掺量热再生SMA改性沥青混合料高温稳定性对试验温度的敏感性，特增加了40℃车辙试验，本文车辙试验采用40、50、60、70℃共4个试验温度。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求成型尺寸为300mm×300mm×50mm的车辙板，试验轮行走速度为42±1次/min，车辙加载时间为60min。
车辙试验结果表明:①各RAP掺量的热再生SMA混合料的60℃车辙试验动稳定度均可达到4200次/mm以上，远大于规范3000次/mm的高温稳定性要求。②相同试验温度情况下，随着RAP掺量增大，再生SMA混合料车辙试验动稳定度呈增大趋势，可见增大RAP掺量可改善再生SMA混合料的高温稳定性，分析其原因，蠕变稳定阶段的沥青路面永久变形一般来源于两部分，集料的转动、移动等产生的位移和沥青胶浆剪切失稳所产生的位移，SMA混合料中由于粗集料之间形成了稳定的骨架嵌挤结构，车辙变形主要是由于胶浆剪切失稳所致，增大RAP掺量，老化沥青对SBS改性沥青高温性能的改性作用越明显。③以y=A+Blg(DS)拟合曲线斜率表征热再生SMA混合料对温度的敏感性，随着RAP掺量增大，再生SMA拟合曲线斜率减小，同时曲线截距增大，可见增大RAP掺量可改善SMA混合料的温度敏感性。综上可知，热再生SMA混合料的高温稳定性完全满足规范要求，高温稳定性不是制约热再生SMA混合料增大RAP掺量的因素。
低温抗裂性
低温小梁弯曲试验
按照JTGF40－2004试验要求采用低温小梁弯曲试验评价再生SMA混合料的低温抗裂性。试验时小梁试件由车辙板切割而成，试件尺寸为30mm×35mm×250mm，试验温度为－10℃。试验采用单点加载方式，支点间距200mm，加载速率为50mm/min。以抗弯拉强度、最大弯拉应变，同时辅以单位体积的破坏能指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。
表7试验结果表明:①增大RAP掺量后，再生SMA混合料的抗弯拉强度随RAP掺量增大而减小，而最大弯拉应变和单位体积破坏应变能随RAP掺量增大呈线性关系减小，弯曲劲度模量作为抗弯拉强度和最大弯拉应变的综合评价指标，随RAP掺量的增大而增大，可见增大RAP掺量后再生SMA混合料低温抗裂性下降。②比较不同RAP掺量的再生SMA混合料弯拉应变可以发现，RAP掺量为40%时，再生SMA混合料的弯拉破坏应变为3031με，仍然满足规范冬严寒区大于3000με的要求，当RAP掺量达到50%时，弯拉破坏应变小于2800με，不满足冬严寒和冬寒区改性沥青混合料低温抗裂性要求。由此可见低温抗裂性是制约再生SMA混合料增大RAP掺量的技术瓶颈，工程实践中为了增大RAP掺量需采取提高热再生混合料低温抗裂性的措施。
低温冻断试验
研究表明，沥青路面的低温抗裂性能取决于沥青混合料的低温抗拉强度和低温荷载应力的释放能力。为了采用多指标综合评价再生SMA混合料的低温抗裂性，本文采用低温冻断试验研究了不同RAP掺量的再生SMA混合料低温抗裂性。低温冻断(约束试件温度应力试验)试验方法严格按照AASHTOTp10执行。试验时成型车辙板，按照40mm×40mm×200mm切割标准棱柱体试件，环境箱的控温范围为－70～70℃，降温速率为10℃/h。采用美国OEM公司生产的TSRST－4约束试件温度应力试验仪进行试验，以冻断应力、断裂温度、转折点温度和温度应力曲线斜率综合评定再生SMA混合料的低温抗裂性。
①随着RAP掺量增大，再生SMA－16混合料的冻断应力降低，断裂温度升高，转折点温度升高。温度应力曲线斜率增大，冻断应力越大，试件破坏时需要的力越大，其低温抗裂性越好，而断裂温度和转折点温度越低，沥青混合料的低温抗裂性越好，温度应力曲线斜率越大，沥青混合料低温应力松弛越快，短时间内释放的温度应力越大，混合料低温抗裂性越差。由此可知，随着RAP掺量增大，再生SMA混合料的抵抗低温抗裂性能越差，且低温应力释放能力越差，低温抗裂性随RAP掺量增大而降低，这与低温小梁弯曲试验结果相一致。②RAP掺量由0%增大到30%时，断裂应力降低幅度并不明显，对于转折点温度、温度应力曲线斜率试验指标也有类似规律，而RAP掺量超过40%后，断裂应力显著降低，同时转折点温度、断裂温度、温度应力曲线斜率也显著增大，表明再生SMA混合料的低温抗裂性显著降低。
水稳定性
水稳定性不足而诱发的水损害是沥青路面早期病害之一，水稳定性是指在水、荷载、环境温度的作用下，使沥青胶浆与集料发生剥落、剥离而丧失原有强度和耐久性的一种现象。本文采用现行沥青路面施工规范要求的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究不同RAP掺量再生SMA混合料的水稳定性。浸水马歇尔和冻融劈裂试验严格按照JTGE20—2011相关试验方法执行。
试验结果表明:各RAP掺量下的再生SMA混合料浸水马歇尔残留强度比和冻融劈裂强度均大于90%，满足规范浸水马歇尔残留稳定度大于85%、冻融劈裂试验残留强度比大于80%的要求，可见再生SMA混合料具有优良的水稳定性。
不同RAP掺量再生SMA混合料抗疲劳耐久性
研究表明，在应变控制疲劳试验过程中，沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况，沥青层底拉应变也是计算路面结构厚度的重要控制指标之一。本文采用四分点控制应变疲劳试验研究不同RAP掺量再生SMA混合料的抗疲劳耐久性。疲劳试件由400mm×300mm×100mm车辙板切割而成，试件尺寸为400mm×50mm×63mm，试验温度为15℃，采用控制应变加载模式，应变水平为150、200、300、400με，疲劳试验在UTM液压疲劳机上进行。
试验结果表明:相同应变水平条件下，随着RAP掺量增大，再生SMA混合料疲劳寿命减小，掺加30%再生料后SMA混合料疲劳性能在各应变水平下降低幅度较小，表明其疲劳性能是可以接受的，但RAP掺量达到50%后SMA混合料疲劳寿命下降较为显著，以疲劳性能考虑，适宜的再生料掺量为30%。
试验路铺筑及试验检测
本课题依托陕西省2012年国省干线大中修工程三元－灞桥高速公路路面工程第二合同段，项目起点桩号为K55+340，终点桩号为K68+679，主线全长共13.339km。对原SMA－16改性沥青混合料铣刨后，加铺5cm再生SMA－16改性沥青混合料，两段试验路的RAP掺量分别为30%和40%，现场施工时RAP预热温度，新集料的加热温度，混合料拌合温度和拌合时间严格按照本文采用的相关参数进行，摊铺完成后第二天对试验段再生SMA－16的空隙率、渗水系数、摆值、构造深度、压实度进行现场测定。经过3a多的交通荷载作用，对试验路进行了质量评定和外观定期观测，经评定路面平整密实、集料颗粒分布均匀，检测结果表明试验路表明完好，各项监测指标良好，没有出现诸如车辙、拥包、松散、裂缝等病害，可见采用再生30%RAP和40%RAP掺量的再生SMA改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。
结论
①室内试验及工程应用结果表明，本文所确定的RAP预热温度、新集料加热温度、混合料拌合温度和拌合时间是合理可行的，可为后续工程实践提供借鉴，推荐再生SMA混合料适宜的再生料掺量为30%～40%。
②随着RAP掺量增大，热再生SMA混合料的高温稳定性提高，再生SMA混合料的高温稳定性优于普通SMA改性沥青混合料，高温稳定性不是制约增大RAP掺量的因素。
③低温弯曲和冻断试验结果表明，随着RAP掺量增大，再生SMA混合料低温性能下降，尤其RAP掺量超过40%后，断裂应力和弯拉应变显著降低，同时转折点温度、断裂温度、温度应力曲线斜率也显著增大，表明再生SMA混合料的低温抗裂性显著降低。低温抗裂性不足是制约RAP掺量增大的技术瓶颈，工程实践中为了增大RAP掺量应该采取提高沥青混合料低温性能的措施。
④掺加30%再生料后SMA混合料疲劳性能在各应变水平下降低幅度较小，但RAP掺量达到50%后SMA混合料疲劳寿命下降较为显著。室内试验及工程应用结果表明，热再生SMA沥青混合料可用于表面层，废旧SMA沥青路面材料高效再生技术是可行的，其经济效益和社会效益显著。