? 基于流变学原理的热再生沥青混合料旧料掺配比例 基于流变学原理的热再生沥青混合料旧料掺配比例
陈梓宁1，程培峰2
(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040)
摘要：为了优化热再生沥青混合料配合比设计，利用了流变学试验原理和美国SHRP试验方法，从中引入车辙因子、疲劳因子、低温蠕变速率对4种新旧沥青掺配比例的再生沥青高温性能、疲劳性能和低温性能进行评价和分析，在兼顾高低温性能的情况下得到旧沥青、再生剂和新沥青的最佳掺配比例，进而得出热再生沥青混合料旧料掺量的最佳掺配比例;同时对旧料进行热再生沥青混合料配合比设计及其路用性能试验,与普通沥青混合料路用性能对比分析，证明热再生沥青混合料旧料掺量的最佳掺配比例设计方法的合理性。基于流变学原理对几种新旧沥青掺配比例的再生沥青进行对比分析，得到最佳再生沥青掺配比例，并用于指导热再生沥青混合料旧料掺量以及配合比设计。
关键词：道路工程；最佳掺配比例；流变学原理；再生沥青；旧料掺量
0引言
截止到底，我国公路总里程已经达到446万km，其中高速公路总里程已经突破11.1万km。随着我国经济的发展，公路里程不断增长，早期建设成的高等级公路也陆续进入到大、中修及养护阶段，产生了大量的废旧沥青混合料。为了节约资源，再生利用作为一种资源节约型技术,在沥青路面养护维修工程中得到大规模的推广应用。目前，国内在旧料再生方面摸索出一套再生技术方法[1-3]，但是兼顾再生沥青混合料高低温性能的旧料掺配比例方面研究仍不够深入。在评价再生沥青方面，仅用三大指标评价旧沥青及再生沥青的性能有局限性，既难以直观反映出再生沥青的高低温性能，也无法为再生混合料中旧料的合理掺配比例提供技术依据。而大量试验研究证明，旧料的掺配比例直接影响到再生沥青混合料的路用性能，特别是在对沥青混合料高、低温性能具有特殊要求的季冻地区。旧料掺量合理与否直接影响到再生技术的适用性及适用条件。鉴于此，本文利用流变学原理对再生沥青试验，评价其路用性能，研究新旧沥青不同比例条件下胶浆的性能变化，通过对比分析，得到最佳掺配比例，指导合理的旧料掺量，为再生技术在季冻地区的应用提供技术依据。
1基于流变学原理的再生沥青性能评价
1.1研究方法
美国战略公路研究计划(SHRP)最重要的研究成就之一就是采用了流变学的研究方法,最早是在1994年颁布，之后在2001年对低温性能评价进行了改动[4-5]，后来国内很多研究者对此方法进行研究以及运用[6-11]。此方法中，引入了像车辙因子G*/sinδ、疲劳因子G*sinδ、劲度模量、蠕变速率等流变学参数作为评价沥青路用性能的技术指标。本文根据SHRP沥青路用性能试验研究方法，使用动态剪切流变仪(DSR)、弯曲梁流变仪(BBR)仪器对4种再生沥青进行试验，利用车辙因子、疲劳因子、劲度模量和蠕变速率对再生沥青的高温性能、耐疲劳性能和低温性能进行对比分析。
1.2确定再生沥青掺配比例
研究采用长平高速改扩建剩余的旧料，对旧料进行再生，其中原路面铺筑的为90#沥青。使用20-1100型沥青混合料分析器(图1)将其中旧沥青、矿粉和旧集料分离，得到的三氯乙烯和旧沥青的混合溶液，使用R-215ProfessionalV型旋转蒸发仪(图2)将三氯乙烯与旧沥青分离，得到旧沥青，其性能指标见表1。
图120-1100型沥青混合料分析器
Fig.120-1100asphaltmixtureanalyzer
图2R-215ProfessionalV型旋转蒸发仪
Fig.2R-215ProfessionalV-typerotaryevaporator
表1旧沥青性能检测结果
Tab.1Testingresultofoldasphaltperformance
检测项目90#沥青性能指标要求试验结果25℃针入度/(0.1mm)80～10048.9软化点/℃不小于4458.710℃延度/cm不小于309.7
再生剂选用嘉鹏再生剂，根据旧沥青性能确定再生剂用量范围7%到11%，通过试验结果(表2)可以看出，再生剂剂量为9%时，回收沥青性能指标基本恢复到90#沥青的水平，因此选择再生剂剂量为9%。
表2掺加再生剂的再生沥青性能检测结果
Tab.2Testingresultofperformanceofrecycledasphalt
mixedwithreclaimingagent
检测项目90#沥青性能指标要求再生剂掺量7%掺量9%掺量11%25℃针入度/(0.1mm)80～10058.589.2123.6软化点/℃不小于4452.550.246.710℃延度/cm不小于3014.438.273.5
参考以往再生沥青混合料研究成果，结合再生混合料旧料掺配比例经验，选取4组不同掺配比例的再生沥青进行高、低温性能对比试验研究，4组再生沥青掺配比例如表3所示，此时，我们假设新旧沥青混合料的油石比一样，1:2,1:3,1:4和1:5的4种旧沥青和新沥青比例所对应的旧料掺配比例分别为33%,25%,21%以及17%，4种再生沥青掺配比例分别用A,B,C,D表示。
表3再生沥青质量比例
Tab.3Massratioofrecycledasphalt
再生沥青种类组成材料旧沥青再生剂新沥青A1009200B1009300C1009400D1009500
季冻地区沥青要兼顾高低温性能，普遍采用90#沥青。经过试验检测，沥青的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—)的技术要求，可以在工程中使用。
1.3动态剪切试验结果与分析
本研究采用GeminiIIADS型动态剪切流变仪(图3)对再生沥青进行高温性能试验，试验结果如图4、图5、表4所示。
图3GeminiIIADS型动态剪切流变仪
Fig.3GeminiIIADSdynamicshearrheometer
图4四种再生沥青车辙因子曲线图
Fig.4Ruttingfactorcurvesof4recycledasphalts
图5四种再生沥青相位角曲线图
Fig.5Phaseanglecurvesof4recycledasphalts
表4PAV后再生沥青高温流变性能
Tab.4Rheologicalpropertyofrecycledasphaltafter
PAVtreatmentunderhightemperaturecondition
再生沥青温度19℃16℃A相位角/(°)50.747.8疲劳因子/MPa48416010B相位角/(°)5249.0疲劳因子/kPa42025781C相位角/(°)51.148.0疲劳因子/kPa40435672D相位角/(°)52.649.5疲劳因子/kPa38855546
根据试验结果，4个掺配比例的再生沥青在温度为58℃时，满足G*/sinδ>1.0kPa。
虽然4种再生沥青高温等级相同，但是随着新沥青掺加比例的增加，车辙因子A(1.81)>B(1.42)>C(1.31)>D(1.22)逐渐减小，说明沥青的抗变形能力逐渐减弱；相位角A(82.1)
沥青的老化是导致沥青路面出现车辙病害的重要原因。从图4和图5可以看出，老化前和老化后都是随温度的升高，相位角δ增大，车载因子G*/sinδ减小。但是对比可以发现，同一掺配比例的再生沥青在同一温度级别，相位角老化后比老化前大幅减小，反之车辙因子增大，这可以说明老化后的再生沥青抗变形能力增强，但是黏性减弱。从表4可以看出，4种再生沥青随着新沥青掺配比例的增加，疲劳因子(4841)>B(4202)>C(4043)>D(3885)逐渐减小，说明再生沥青的柔性增强，抗疲劳性能有所提高。
1.4弯曲梁蠕变试验结果与分析
本研究采用TEBBR型弯曲梁流变仪(图6)对再生沥青进行试验。
图6TEBBR型弯曲梁流变仪
Fig.6TEBBRtypebendingbeamrheometer
沥青路面低温开裂是很常见的路面破坏，国内学者认为，沥青混合料的低温开裂主要取决于沥青结合料的低温抗裂性能，与集料骨架作用关系不大，由于沥青在低温下表现为弹性体，在高温下表现为黏性体[12]，因此SHRP研究的弯曲梁流变试验是一种判断沥青弹性和黏性的方法，目的在于评价沥青的低温性能。
通过弯曲梁流变试验得到两个评价参数：一个蠕变劲度，即沥青抵抗永久变形的能力；另一个是m值，即荷载作用时沥青劲度的变化率。
图7PAV后再生沥青蠕变劲度曲线图
Fig.7Creepstiffnesscurvesofrecycledasphaltafter
PAVtreatment
图7表明，B，C和D配比再生沥青在-12℃的情况下，蠕变劲度均小于300MPa，然而A配比的再生沥青A(316)不符合SHRP标准且蠕变劲度最大，所以A配比再生沥青在低温性能方面最差。在-12℃时，D配比再生沥青的蠕变劲度小于C配比和B配比，这也说明增加新沥青的用量对降低蠕变劲度有帮助，且D配比再生沥青低温性能更好一些。在同一温度级别下，4种掺配比例的再生沥青随着新沥青掺配比例的升高，蠕变劲度逐渐减小，再生沥青脆性变弱，低温性能变强。
m代表了沥青通过黏弹流动对收缩应力的释放速度，即m值越大，说明释放速度越快，沥青抗低温开裂性能越好。如图8所示，在同种温度下的4种掺配比例的再生沥青蠕变速率关系为m(D)>m(C)>m(B)>m(A)，说明随着新沥青掺加比例的增多，再生沥青的蠕变速率逐渐增加，其低温性能变强。
图8PAV后再生沥青m值曲线图
Fig.8mvaluecurvesofrecycledasphaltafter
PAVtreatment
1.5新旧沥青掺配比例选择
车辙因子表征沥青材料的抗永久变形能力，相比较相位角评价再生沥青的高温性能更为直观。从再生沥青车辙曲线图4可以看出，随着新沥青掺量的增加，车辙因子处于下降趋势，而C点为车辙因子曲线的变化点。这说明在C点之前车辙因子随着新沥青掺配比例的增多，下降速率较快且变化不大，而在C点之后，车辙因子下降速度趋于平缓。这表示在再生沥青新旧沥青掺配比例1:4之前，高温性能随着新沥青掺量增多而下降，且下降速度较快，在掺配比例超过1:4之后，高温性能下降程度越来越小。
在PAV老化后再生沥青蠕变劲度曲线图7中可以看出，随着新沥青掺配比例的增多蠕变劲度曲线呈现下降趋势，且下降趋势越来越平缓。其中E点为蠕变劲度变化点，E点之前，下降较快，E点之后，下降的速度减慢，说明在再生沥青掺配比例1:3.8之前，低温性能增长较快，1:3.8掺配比例之后低温性能增长趋于平缓；从PAV老化后再生沥青m值曲线图8可以知道，随着新沥青掺量的增多蠕变速率处于增长的趋势，但蠕变增长速率逐渐减小，其中F点为曲线的变化点，可以知道F点之前，蠕变速率增长较快，F点之后，增长速率减慢，说明随着新沥青掺加比例的增多，再生沥青的蠕变速率增加缓慢，F点为再生沥青掺配比例1:4.2。
考虑到高温性能，建议选择再生沥青的掺配比例不超过21%，因为小于这个掺配比例的再生沥青混合料的高温性能与不掺旧料的结合料相比会有显著提高。在低温性能方面，要同时考虑蠕变劲度和蠕变速率。从蠕变劲度来看，再生沥青掺配比例取值范围建议不小于1:3.8，原因在于在1:3.8比例之前低温性能提高较大，而在此之后提高不大；从蠕变速率角度看，因为在1:4.2比例之前低温性能增长较快，之后增长较慢，所以再生沥青的掺配比例建议不大于1:4.2。因此，综合高低温性能，选择1:4的旧沥青和新沥青的掺配比例较为合理。
从数值角度来看，车辙因子：A>B>C>D，A最好，58℃老化前后车辙因子变化情况如下：B的车辙因子老化后上升1.96；C的车辙因子老化后上升1.93；D的车辙因子老化后上升1.86。可见，C与B的上升幅度接近，要好于D。但从图7和图8蠕变劲度S来看：A不满足要求(>316)，D>C>B。从蠕变速率m来看，A不满足要求(-12℃时，0.297C>B。通过分析可知，A和D分别是高温性能最好和低温性能最好的掺配比例，但是为了兼顾高低温性能，不能选择A和D的掺配比例。从不同温度变化幅度看：C的ΔS=283，B的ΔS=294也就是说温度从-12℃降低到-18℃时，B的劲度增加得大，说明低温性能下降得快。同样的，C的Δm=0.1，B的Δm=0.097也就是说温度从-12℃降低到-18℃时，B的m增加得小，说明低温性能没有C好。
对于季冻地区，低温要求较为严格，因此，掺配比例确定的原则是选择低温性能好的前提下，高温也要满足要求，同时还要考虑经济性，在性能满足的情况下尽可能多掺旧料，为此，推荐最适宜的掺配比例为C，也就是旧新沥青1:4的掺配比例。
2再生沥青混合料配合比设计
工程上再生沥青混合料的旧料掺配比例大多是由经验确定，大约为20%～30%，也有片面追求旧料掺量而没有考虑性能的，对旧料掺量也是越多越好，更多的是关注于再生沥青混合料高温性能，往往对其低温性能有所忽略，尤其是在东北三省，该地区属于季冻地区，所以对低温性能的要求也同样重要。本研究通过之前分析得到新旧沥青比例，指导再生沥青混合料配合比设计。根据旧料的油石比，工程材料特性、气候特点、交通量等特点，结合当地的工程经验，预估当新沥青用量4.4%，通过旧沥青和新沥青1:4的掺配比例，估算出旧料掺量为21%。
2.1旧料级配
对旧集料进行筛分得到矿料级配。
表5旧料筛分结果
Tab.5Screeningresultofoldmaterial
筛孔孔径/mm26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075沥青含量/%通过率/%10098.396.995.183.854.934.824.616.18.44.02.54.13
2.2新材料
粗集料选用玄武岩，粒径为19～13.2,13.2～9.5,9.5～4.75,4.75～2.36mm。细集料选用石屑。经过试验检测可知粗、细集料和矿粉的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—)的技术要求，可以在实体工程中使用。
2.3再生沥青混合料级配设计
依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—)给出AC-20沥青混合料的矿料级配范围要求和各规格矿料筛分结果。通过计算机试算确定21%旧料掺配比例的矿料配合比如下：19～13.2mm:13.2～9.5mm:9.5～4.75mm:4.75～2.36mm:2.36～0mm:矿粉:旧料=24:17:9:5:21:3:21。
2.4确定最佳油石比
以估算新沥青用量4.4%为中值，取5种不同的油石比制备马歇尔试件，测定沥青混合料空隙率、密度、沥青饱和度、矿料间隙率、稳定度和流值，然后运用马歇尔试验确定最佳油石比。
3再生沥青混合料性能检验
3.1常规沥青混合料试验
对掺旧料21%的再生沥青混合料和普通沥青混合料进行车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验和马歇尔稳定度试验。
表6新集料筛分结果
Tab.6Screeningresultofnewaggregate
筛孔尺寸/mm各种类矿料(mm)通过百分率/%13.6～199.5～13.64.75～9.52.36～4.750～2.36矿粉26.5100.0100.0100.0100.0100.0100.01993.1100.0100.0100.0100.0100.01648.4100.0100.0100.0100.0100.013.26.784.3100.0100.0100.0100.09.50.918.298.2100.0100.0100.04.750.40.410.192.5100.0100.02.360.40.40.812.883.3100.01.180.40.40.83.754.4100.00.60.40.40.82.933.8100.00.30.40.40.80.723.4100.00.150.40.40.80.716.393.00.0750.40.40.80.79.091.3
表7合成级配通过率
Tab.7Passingrateofsyntheticgradation
筛孔尺寸/mm21%旧料掺配比例合成级配中值/%级配范围/%26.5100.0100.0100～1001998.095.090～1001687.085.078～9213.273.971.062～809.558.861.050～724.7541.241.026～562.3628.730.016～441.1820.022.512～330.613.916.08～240.39.911.05～170.157.38.54～130.0755.45.03～7
表8最佳油石比沥青混合料物理力学参数汇总
Tab.8Summaryofphysicalandmechanicalparametersof
asphaltmixturewithbestasphalt-aggregateratio
旧料用量/%油石比/%毛体积密度/(g·cm-3)理论密度/(g·cm-3)矿料间隙率/%214.32.4872.58713.91沥青饱和度/%稳定度/kN流值/(0.1mm)空隙率/%72.512.2738.93.93
表9再生沥青混合料路用性能
Tab.9Roadperformanceofrecycledasphaltmixture
检验项目21%旧料不掺旧料规范要求动稳定度/(次·mm-1)15691396800低温极限应变/(×10-6)259827242300残留马歇尔稳定度/%89.886.380冻融劈裂残留强度比/%82.485.775
由路用性能试验结果可以知道，掺21%旧料的AC-20再生沥青混合料水稳定性、高温稳定性和低温性能均满足规范要求。与普通沥青混合料相比，高温性能提高了12.3%，掺21%的旧料对再生沥青混合料高温性能有显著的提高；而从低温性能来看，掺21%旧料的混合料低温性能与不掺旧料相差不大，只降低了4.6%。
3.2低温冻断试验
小梁弯曲试验时检验沥青混合料弯曲性能、变形适应能力的试验方法，但其评价指标仅考虑了强度特性，而沥青混合料的低温性能不是单纯由沥青混合料的强度特性所决定的，具有一定的局限性。
低温冻断试验的核心思想是模拟路面实际降温过程中混合料的受力状况。国内学者对约束试件温度应力试验进行了大量的试验研究，并认为该试验能够真实地评价沥青混合料的低温开裂性能。因此，用低温冻断试验来对沥青混合料的低温性能进行再次验证，冻断试验设备见图9。
图9冻断试验设备
Fig.9Freezefracturetestequipment
分别对掺21%旧料的AC-20再生沥青混合料和不掺旧料的AC-20沥青混合料进行冻断试验。
图10冻断试验温度应力曲线
Fig.10Temperaturestresscurvesobtainedby
freezefracturetest
表10冻断试验结果
Tab.10Resultoffreezefracturetest
沥青混合料类型冻断强度/kPa冻断温度/℃掺21%旧料AC-20沥青混合料68524.8AC-20沥青混合料69325.2
有研究表明用冻断温度作为评价沥青混合料低温性能的指标更为稳定。其中掺21%旧料的再生沥青混合料冻断温度和不掺旧料的相差0.4℃，可见此种旧料掺配比例的低温性能相对较好，与不掺旧料沥青混合料相比低温性能降低不大。
图10为冻断试验温度应力曲线。经过再生沥青混合料性能的验证以及与不掺旧料沥青混合料性能对比，可以得到在旧料掺量为21%时，在高温性能有显著提高的情况下，低温性能略有下降，说明此种掺配比例合理，因此，通过控制再生沥青的掺配比例，得到合理旧料掺量，指导配合比设计。
4结论
(1)采用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪对4种掺配比例的再生沥青进行试验并进行对比分析，在兼顾高温性能的同时，得到在旧沥青、再生剂和新沥青参配比例为1:0.09:4。利用新旧沥青掺配比例，得到合理的旧料掺量来指导混合料配合比设计。
(2)本研究以AC-20再生沥青混合料和普通沥青混合料为例进行车辙、小梁弯曲、残留稳定度、冻融劈裂试验和冻断试验，通过试验结果对比分析证明，此种掺配比例合理。
参考文献：
References:
[1]徐剑，黄颂昌，邹桂莲.高等级公路沥青路面再生技术[M].北京:人民交通出版社，.
XUJian,HUANGSong-chang,ZOUGui-lian.RecyclingTechnologyofHigh-gradeHighwayAsphaltPavement[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,.
[2]杨林江.沥青路面厂拌再生利用设计与施工技术[M].北京：人民交通出版社，.
YANGLin-jiang.DesignofAsphaltPavementPlantMixingRecyclingandConstructionTechnique[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,.
[3]JTGF40—，公路沥青路面施工技术规范[S].
JTGF40—,TechnicalSpecificationsforConstructionofHighwayAsphaltPavements[S].
[4]AASHTODesignationMP1a-01,StandardSpecificationforPerformanceGradedAsphaltBinder[S].
[5]AASHTODesignationPP42-01,StandardPracticeforDeterminationofLowTemperaturePerformanceGrade(PC)ofAsphaltBinders[S].
[6]李志军，王仁辉.按PG性能等级规范评价国产重交通道路沥青的性能[J].石油沥青，2002,16(3)：23-26.
LIZhi-jun,WANGRen-hui.EvaluationonthePerformanceofDomesticHeavy-dutyPavingAsphaltwiththeSuperpavePerformanceGradedSpecifications[J].PetroleumAsphalt,2002,16(3)：23-26.
[7]张耿铖.沥青路面沥青胶结料的PG分级及实例分析[J].公路工程，,34(2)：144-146.
ZHANGGeng-cheng.PGGradingofCementingMaterialonAsphaltPavementandItsCaseStudy[J].HighwayEngineering,,34(2):144-146.
[8]李海军，黄晓明.SHRP沥青性能分级量度的探讨[J].公路交通科技，,23(2)：36-38.
LIHai-jun,HUANGXiao-ming.DiscussiononSHRPPerformanceGradingMeasurementforAsphaltBinders[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,,23(2):36-38.
[9]赵慧敏.热再生沥青的路用性能评价[D].大连：大连理工大学，.
ZHAOHui-min.EvaluationofHotRecycledAsphaltPavementPerformance[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology,.
[10]雷鸣.基于流变学分析沥青路面病害[J].科技创新与应用,(22):49.
LEIMing.AnalysisofDiseaseofAsphaltPavementBasedonRheology[J].TechnologyInnovationandApplication,(22):22-49.
[11]邹桂莲,徐剑,胡金龙.基于沥青胶浆试验研究低标号沥青混合料设计原则[J].公路交通科技，,31(10):21-25.
ZOUGui-lian,XUJian,HUJin-long.DesignPrincipleofLowGradeAsphaltMixtureBasedAsphaltMortarTest[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,,31(10):21-25.
[12]吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海：同济大学出版社，2001.
LüWei-min.DesignPrincipleandMethodofAsphaltMixture[M].Shanghai:TongjiUniversityPress,2001.
[13]JTCF41—,公路沥青路面再生技术规范[S].
JTCF41—,TechnicalSpecificationsforHighwayAsphaltPavementRecycling[S].
OldMaterialBlendingRatioofThermalRecycledAsphaltMixtureBasedonRheologicalPrinciple
CHENZi-ning1，CHENGPei-feng2
(SchoolofCivilEngineering，NortheastForestryUniversity，HarbinHeilongjiang150040，China)
Abstract：Inordertooptimizethedesignofhotrecycledasphaltmixture’smixproportion,byusingtherheologicaltestprincipleandUnitedStatesSHRPtestmethods,inwhichtheparametersincludingruttingfactor,thefatiguefactor,lowcreeprateareintroducedtoevaluateandanalyzethehigh-temperatureperformance,fatigueperformanceandlow-temperatureperformanceofrecycledasphaltswith4newandoldasphaltblendingratios.Consideringbothhighandlowtemperatureperformances,theoptimumblendingratioofoldasphalt,recyclingagentandnewasphaltisobtained,andthenthebestblendingratioofoldmaterialcontentforhotrecycledasphaltmixtureisobtained.Furthermore,paringwiththepavementperformanceofordinaryasphaltmixture,itisprovedthatthebestblendingratiooftheoldasphaltmixturematerialcontentforhotrecycledasphaltmixtureisreasonable.Therefore,basedonrheologicalprinciple,therecycledasphaltmixtureswithabovementionedblendingproportionsarecomparativelyanalysed,andthebestblendingratioforrecycledasphalt,whichcouldguidethedesignofoldmaterialcontentandmixproportionofhotrecycledasphaltmixture.
Keywords：roadengineering；optimumblendingratio；rheologicalprinciple；regeneratedasphalt；oldmaterialblendingratio
文献标识码：A
文章编号：1002-0268()03-0024-07
中图分类号：U416.217
doi:10.3969/j.issn.1002-0268..03.005
作者简介：陈梓宁(1991-)，男，吉林长春人，硕士.(1571773206@)
收稿日期：-08-05
