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熱拌再生瀝青混合料壓實特性分析




摘要


舊瀝青路面材料(RAP)在瀝青路面中的再生運用是境內外的研究熱點,而壓實度則是決定瀝青路面性能和使用壽命的重要參數。因此,開展再生瀝青混合料的壓實特性研究,分析了壓實溫度和RAP摻量對壓實特性的影響,其中壓實溫度選擇140℃、150℃、160℃三個水平,RAP摻量分別為0、30%和50%。再生瀝青混合料采用旋轉壓實的成型方式,并獲取了再生瀝青混合料試樣高度與旋轉壓實次數發展關系曲線,在此基礎上提取了壓實度特性參數:壓實度、能量密實指數(CEI)、壓實速率(K值)以及鎖點,此外還進行了溫度和RAP摻量與壓實特性參數的擬合分析。試驗結果表明:較高的溫度和RAP的摻加均有利于再生瀝青混合料的壓實,再生瀝青混合料壓實度和空隙率參數均隨著溫度的升高或RAP的摻加而增加;而CEI、K值和鎖點均隨著溫度的升高或RAP的摻加而降低,這同樣表明溫度升高和RAP的摻加使得再生瀝青混合料更易壓實。擬合分析結果表明:壓實度與溫度和RAP摻量正線性相關,而CEI、K值和鎖點與溫度和RAP摻量負線性相關。



關鍵詞:道路工程 | 再生瀝青混合料 | 壓實特性 | 溫度 | RAP摻量


瀝青路面壓實是路面修筑的zui后一個階段,壓實度也是決定瀝青路面質量zui重要因素之一。經過良好的壓實處理,瀝青混合料內部集料顆粒穩固排列形成骨架結構,混合料空隙率和密實度達到較高水平,zui終瀝青路面的平整度、強度和穩定度等達到設計要求[1,2]。充分壓實的瀝青路面中混合料直接相互嵌擠,彼此之間的位移受到相互間的制約,因此在長期的服役過程中能夠保持良好的力學性能和整體性,能有效抵抗行車荷載作用而不發生破壞[3,4]。

溫度是影響瀝青路面壓實度的重要因素。溫度越高,瀝青混合料中的結合料黏度越低,即瀝青路面越易于壓實[5,6]。因此,瀝青路面壓實時應保證足夠高的溫度。李立寒等[7,8]試驗研究發現,瀝青路面壓實存在一個zui佳溫度范圍,在此溫度區間內,溫度是決定瀝青混合料力學性質關鍵因素。解曉光等[9]通過分析不同瀝青混合料的zui佳壓實溫度發現,當瀝青摻量不同時,相應的zui佳壓實溫度也隨之發生改變。

舊瀝青路面材料(RAP)在長期服役過程中,瀝青材料由于荷載、光、氧氣和熱等因素作用下,發生一系列的物理化學變化,材料的黏彈性質向“硬”和“彈”的方向發展,黏度和復數模量指標發生巨量的增長[10-12]。由于黏度更大的瀝青結合料的加入(RAP中的舊瀝青結合料),再生瀝青混合料往往需要更高的壓實溫度來保證足夠的壓實度[13,14]。此外,一些學者開展了溫拌再生瀝青混合料的研究,即借助于溫拌技術,在不提示壓實度溫度的前提下,保證再生瀝青混合料能夠得到良好的壓實效果[14-17]。

本文采用旋轉壓實的方式,展開了RAP摻量為0、30%50%的再生瀝青混合料的壓實特性研究,具體分析了溫度和RAP摻量對于再生瀝青混合料壓實度的影響?;谛D壓實過程中的高度~旋轉壓實次數變化曲線,獲取了壓實度、能量密實指數(CEI)、壓實速率(K)以及鎖點4個壓實特性參數,量化分析RAP摻量和溫度對于再生瀝青混合料壓實特性的影響。



材料與試驗方法

試驗原材料

再生瀝青混合料中除去一定摻量的RAP材料外,其中新材料的添加包括新瀝青、新集料和礦粉等。

(1)RAP材料采用專用的銑刨設備對原路面中面層AC-20瀝青混合料進行銑刨,并采用篩分設備將廢舊瀝青混合料分為0~8mm、8~12mm、12~20mm三檔,見圖1。

(2)新瀝青采用SBS改性瀝青,該瀝青基本性能指標見表1。

(3)再生瀝青混合料中添加的新集料選用石灰巖,其中碳酸鈣含量為99%或以上,其主要的技術指標見表2。礦粉技術指標見表3。




再生瀝青混合料級配

再生瀝青混合料的設計級配采用密實骨架型結構(AC-13),設計級配曲線見圖2。不同RAP摻量的再生瀝青混合料通過調整各檔新集料數量以達到目標級配。再生瀝青混合料的目標空隙率均為4%,瀝青zui佳摻量設計為4.5%,瀝青設計的zui佳摻量包含RAP材料中的舊瀝青結合料和新加入的瀝青結合料。參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(T0736-2011)中相應規定進行旋轉壓實成型再生瀝青混合料試件。



旋轉壓實試驗以及相關試驗參數介紹

旋轉壓實試驗

采用旋轉壓實成型方式對再生瀝青混合料進行成型,并通過獲取不同條件下試樣旋轉壓實的參數結果以及試樣高度隨壓實次數變化曲線,進而開展溫度和RAP摻量因素對于瀝青混合料壓實特性影響的量化分析。

考慮到試驗成型的過程對于再生瀝青混合料的壓實特性具有不可忽略的影響,再生瀝青混合料的成型過程保持統一,均按照以下步驟進行:首先,分別將RAP、新集料和新瀝青分別加熱至130℃、180℃和160℃,并在烘箱中保溫2h;接著,將拌鍋溫設置到160℃,將稱好的各材料進行拌和;zui后,將拌和后的材料放置到旋轉壓實儀中進行壓實,時間為90s,旋轉壓實溫度為160℃,基本流程見圖4。隨后,比較不同RAP摻量和壓實溫度下的壓實特性,并采用壓實特性指標進行壓實特性定量評價。




旋轉壓實試驗參數介紹 

瀝青混合料壓實度和旋轉壓實次數之間發展關系見圖5。由圖5可以看出,對于固定的瀝青混合料而言,旋轉壓實次數越大,其壓實的效果(壓實度)就越好,二者是正相關的,同時壓實度在達到一定水平后,其隨著旋轉次數增加速率(曲線斜率)減小。




為了表征熱再生瀝青混合料壓實特性,分別選取壓實度、能量密實指數CEI、K值、鎖點用來評價熱再生瀝青混合料的密實度、壓實所需能量、壓實速率以及形成骨架結構的效率。

(1)壓實度:空隙率直接表征瀝青混合料的空隙情況,反映瀝青混合料的密實程度。

(2)能量密實指數CEICEI代表施工中瀝青混合料由松散狀態經攤鋪機和壓路機壓實至92%密實度所需的壓實功,采用密實曲線92%以下部分圍成面積表示,CEI越小,表明壓實過程中瀝青混合料可壓實性越好,CEI計算見式(1)。TDI代表開放交通后瀝青混合料經行車荷載由92%密實度壓實至98%密實度所需的壓實功,采用密實曲線上92%~98%部分圍成面積表示,TDI越大,表明開放交通后瀝青混合料抗變形能力越好。



(3)壓實速率K值:K代表半對數坐標紙上密實曲線由初始壓實次數Nini(8)壓實至設計壓實次數Ndes(100)曲線對應的平均斜率。K值越大,表明瀝青混合料壓實過程中每壓實一次密度上升的速率越快,K值計算見式(2)




(4)鎖點:鎖點定義為瀝青混合料在經過旋轉壓實時高度~壓實次數曲線中,第2次出現2次相同高度時所對應旋轉壓實次數,單位為次,鎖點的物理意義是瀝青混合料的骨架結構已初步形成。



試驗結果與討論

溫度對壓實特性的影響

(1)試驗樣品均采用RAP摻量為50%再生瀝青混合料,探究壓實溫度對于再生瀝青混合料壓實特性的影響??紤]到再生瀝青混合料使用新瀝青為SBS改性瀝青,結合SBS改性瀝青混合料施工中常用碾壓溫度分布范圍,壓實溫度選擇為140℃、150℃、160℃。不同壓實溫度下,再生瀝青混合料試驗高度隨壓實次數變化曲線見圖6。




由圖6可以看出,在旋轉壓實過程中,瀝青混合料試樣高度隨著旋轉壓實作用次數逐漸降低,若試樣高度降低的速率較快,則意味著這種類型的瀝青混合料比較容易壓實。

不同碾壓溫度條件下再生瀝青混合料的高度變化趨勢基本一致,試樣的高度均隨著壓實次數的增加逐漸下降,并且壓實初期試樣高度下降的速率較快。但不同壓實溫度下,再生瀝青混合料試樣高度隨壓實次數的變化曲線也有所差異。壓實溫度越高時,再生瀝青混合料高度下降趨勢較壓實溫度低的再生瀝青混合料快,同時壓實溫度越高的再生瀝青混合料zui終的壓實高度也越低,這說明其壓實度越高。

4為不同壓實溫度下,再生瀝青混合料體積參數(毛體積和理論密度)和由壓實曲線獲取的參數結果。由表4可以看出,當材料固定時(所有試樣均為50%RAP摻量的再生瀝青混合料),其理論密度便隨之固定(2.574g/cm3),壓實溫度的高低并影響其結果。然而,溫度卻影響其毛體積密度,當溫度越高時,再生瀝青混合料的毛體積密度也越大,這表明其壓實度也越高。同樣的規律也被空隙率結果所證實,溫度越高,空隙率越低,壓實度也就越好。




(2)不同壓實溫度下,壓實度、鎖點、CEIK值與溫度的擬合曲線結果見圖7。由壓實曲線獲取的參數(鎖點、CEIK)結果也證實了溫度對于再生瀝青混合料壓實特性類似的效果。溫度的升高,鎖點、CEIK值均顯現出下降的趨勢,這表明溫度的增加,再生瀝青混合料越易壓實(CEI降低),抗變形能力增強(K值減小)以及混合料中集料越早形成骨架結構(鎖點減小)。上述均表明一定程度的壓實溫度提升有利于瀝青混合料的性能。




由圖7可以看出,旋轉壓實曲線獲取的參數與溫度均線性相關(正或負線性關系)。除去K值外,擬合優度R^2達到0.9或以上。壓實度參數和溫度呈正線性相關,其他參數與溫度呈負線性相關,這印證了上述結論。


RAP摻量對壓實特性的影響

(1)RAP摻量除了對再生瀝青混合料路用性能有重大的影響外,其對再生瀝青混合料的壓實特性具有很大的影響,而瀝青路面的壓實度是決定路面性能和使用壽命的重要因素。開展了RAP摻量對于再生瀝青混合料壓實特性影響的研究,其中RAP摻量有0、30%50%三個水平。

3RAP摻量下,旋轉壓實過程中再生瀝青混合料試樣高度隨壓實次數變化曲線見圖8。由圖8可以看出,RAP材料的加入并未增加再生瀝青混合料壓實難度,尤其考慮到RAP中瀝青結合料發生了一定程度老化硬化(黏度增加),瀝青結合料黏度的增加往往意味著更多的壓實功去壓實。摻加RAP材料的壓實曲線反而處在不含RAP試樣壓實曲線的下方,這表明摻加RAP起到有利于瀝青混合料壓實的作用。




不同RAP摻量下,再生瀝青混合料體積和壓實參數見表5。從體積參數結果可以看出,RAP的摻加有利于再生瀝青混合料的壓實,空隙率隨著RAP摻量增加而減小。從密度參數統計結果可以看出,RAP摻加對于理論密度指標具有降低作用,對毛體積密度則影響不十分明顯。壓實度參數結果也表明RAP摻量與再生瀝青混合料壓實度正相關。鎖點、CEIK值均與RAP量成反比。




由表5可以看出,RAP摻加使得再生瀝青混合料更易被壓實。導致這一現象的深層原因是RAP的材料屬性。RAP周圍被舊瀝青完全包裹,并且許多研究表明[18,19],舊瀝青和新瀝青并不會完全混溶,并且周圍裹覆舊瀝青結合料的RAP材料較之新集料不容易吸附新瀝青,因此再生瀝青混合料中許多新瀝青是以“自由瀝青”的形式存在,而數量眾多的自由瀝青則在RAP和集料間起到潤滑的作用,這導致了再生瀝青混合料比普通瀝青混合料更易壓實。


(2)RAP摻量分別與壓實特性參數擬合分析結果見圖9。由圖9可以看出,與溫度和壓實特性參數擬合結果相類似,RAP摻量與壓實特性參數同樣呈線性關系。壓實度參數和RAP摻量呈正線性相關,其他參數與RAP摻量呈負線性相關。需要指出的是,鎖點和K值與RAP摻量的擬合優度R^2相對較低,在0.7左右。




結語


聚焦再生瀝青混合料壓實特性的問題,具體研究了壓實溫度和RAP摻量對于再生瀝青混合料壓實特性的影響。采用旋轉壓實的方式成型瀝青混合料試件,獲取了試樣高度隨旋轉壓實次數發展曲線圖,并從其中提取了壓實度、CEI、鎖點和K4個壓實特性參數,進一步量化分析了RAP摻量和溫度對于再生瀝青混合料壓實特性的影響,此外還進行了溫度和RAP摻量于壓實特性參數的擬合分析,得到主要結論如下。

(1)較高溫度有利于再生瀝青混合料壓實度增加。毛體積密度和壓實度指標隨溫度升高而增加,空隙率則減小。CEI、K值和鎖點指標隨溫度升高而減小表明,較高的溫度下越易壓實(CEI降低),抗變形能力增強(K值減小)以及混合料中集料越早形成骨架結構(鎖點減小)。

(2)RAP的摻加有利于再生瀝青混合料的壓實。壓實度指標隨著RAP的增加而增大,空隙率則表現出減小的趨勢,此外CEI、K值和鎖點3個壓實特性指標也隨著RAP增加而降低。

(3)RAP的材料屬性是導致其有利于壓實的深層原因,這是由于RAP周圍被舊瀝青所包裹,較之新集料不容易吸附新瀝青,因此再生瀝青混合料中具有較多的新瀝青作為自由瀝青在RAP和集料間起到潤滑的作用,這導致了再生瀝青混合料比普通瀝青混合料更易壓實。需要說明的是,這一結論需要在下一步研究中進一步證實。


全文完 發布于《公路》202110如涉侵權,請聯系刪除!





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