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高掺量RAP再生路面材料性能评价方法和设备
发布时间:2020-07-14

在最近的二三十年来,中国的公路建设处于跨越性发展的历史时期,从90年代初期的100万公里已经发展到如今的500万公里,而且仍在继续发展并将进入长期持续的养护阶段。这种跨越式发展的背后是自然资源的巨额消耗,不仅是沥青的大量使用,石料的快速消耗更是引起环保部门的重视,集料变成了紧俏的资源,甚至有些地区已经无矿可采,因此对于必威材料的循环再生利用在近些年已经引起了国内外的普遍重视。在中国公路学会近期梳理的路面工程2016-2020年全球研究热点中,也指出再生路面的研究是行业内的热点问题之一。

 
 

图1:2016年-2020年再生沥青长期性能相关论文不同国家地区发文数量

从图1的大数据统计可以看到:中国和美国作为世界的两极,是从事相关研究最多的地区。我国在去年发布了JTG/T 5221-2019《公路沥青路面再生技术规范》 。美国则在今年初,发布了NCHRP 09-58 The Effects of Recycling Agents on Asphalt Mixtures with High RAS and RAP Binder Ratios 的研究成果,最终报告NCHRP 927。在报告中对高掺量RAP和RAS对沥青混合料性能影响评价的研究过程进行了回顾,并提出了附录中的AASHTO材料性能评价规范草稿。

 
 

图2:AASHTO规范草稿封面

因为Superpave PG分级体系和试验设备在美国更加普及的原因,美国规范中主要建议使用动态剪切流变仪(DSR),低温弯曲梁流变仪(BBR)旋转薄膜烘箱(RTFO)压力老化仪(PAV)来评价再生沥青的性能。其测试指标也有别于常规的PG分级试验的指标。首先是材料选择方面,规范给出了一个建议的沥青配合比设计指南。

表1:材料组成选择和配合比设计指南

其中DSR试验测试指标为沥青的PG分级高温性能等级PGH,为了确定回收沥青掺量对调配过的沥青的性能影响,项目组使用不同种类和比例的沥青和回收料进行了实测,通过实测给出了建议性的公式1,用于预测混合调配后的沥青的高温性能等级。经过实测数据与公式计算数据验证,两者的相关性达到了0.9以上,公式1可以无需测试直接用于预估混合沥青的高温性能。

公式1:

 
 

图3:基质沥青和不同掺量回收料混合后达到不同的PG性能等级

其中BBR试验的测试指标为蠕变劲度模量为300MP时的温度与蠕变斜率为0.300时的温度差。即公式:△Tc=Ts(300MPa)—Tm(0.300)

 
 

图4:△Tc的取值计算方法

Tc指标的概念最初在Airfield Asphalt Pavement Technology Program (AAPTP) Project 06-01项目中提出,旨在预测跑道的块裂和松散,在合理的阶段进行预养护,从而延长跑道的使用年限。后来该指标因为能够反映沥青老化后的性能衰减程度和有效预测整体的开裂行为被越来越多的提及。(研究同样指出该指标用于预测横向裂缝,纵向裂缝等局部的开裂时,理论结果与现场实测的相关性较差;但与总体的开裂行为相关性较好)而且该指标对不同沥青的区分度也较好。

 

在选择再生剂含量时,规范推荐了公式2,进行选择,其中大多数情况下,斜率值的建议值为1.82,只有当再生剂类型为石油的芳香提取物时,斜率的建议值取1.38。

公式2:

对于再生沥青胶结料的评价方面,规范同样使用了有别于PG分级指标的新指标作为评价指标,如表2所示。

表2:再生沥青胶结料的评价指标

其中DSR试验提出了两个评价指标,分别为G-R和Tδ=45°

通过DSR试验得到的剪切模量和相位角可以计算得到。Crossover Temperature Tδ=45° 通过DSR主曲线确定:剪切速率为10rad/s,储能模量和损耗模量相等,相位角为45°时的温度。

 
 

图5:不同材料的G-R和Crossover Temperature曲线和参数选择范围

 

 

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基于BMD平衡混合料设计理念的混合料性能评价方法推荐

 

在NCHRP 927报告附录中推荐的AASHTO规范也基于BMD平衡混合料的设计思想,通过测试沥青混合料的高温抗车辙性能和常温/低温抗开裂性能,来综合选择最适宜的沥青混合料配合比设计bet。

 
 

图6:BMD平衡混合料设计理念

具体指标如表3所示。其中涉及的具体设备和测试方法包括:

表3:再生沥青混合料的评价指标

 

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汉堡车辙试验

汉堡车辙试验,遵循AASHTO T324测试规范的程序进行试验,测得车辙深度达到12.5mm时对应的加载次数作为评价指标。如图所示,为不同再生剂类型和掺量的沥青混合料测试结果。其中一种生物改性沥青B1显示出了非常强的抗车辙性能,而另一种石蜡基油料沥青P则表现出很差的抗车辙性能,在进行材料选择时可以判定不合格。

 
 

图7:不同再生剂类型和掺量的混合料汉堡车辙试验结果

开展汉堡车辙试验,需要使用不锈钢轮对浸泡在高温水浴中的圆柱体或板块状沥青混合料进行反复加载测试,车轮中心的LVDT位移必威实时记录车辙深度值,并绘制轮碾次数-车辙深度曲线。汉堡车辙试验可以选用专用的汉堡车辙仪APA路面分析仪来执行。国内已经有数十家研究机构具有丰富的汉堡车辙试验经验,除了完成众多的研究项目外,也在部分省市地区指导实际工程项目多年。鉴于业内对汉堡车辙试验的普遍认可,新的公路工程沥青及沥青混合料测试规程也增加了汉堡车辙试验方法。

 
 

图8:汉堡车辙仪

 

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动态模量试验

沥青混合料的动态模量试验在国内近几年受到极大的关注,这主要是因为新版的JTG D50-2017公路沥青路面设计规范指定使用动态模量替代传统的静态模量作为沥青路面的核心设计参数,在JTG/T 5521-2019公路沥青路面再生技术规范中也要求使用动态压缩模量作为再生混合料的设计参数,因此国内各省级单位已经基本陆续配备了动态模量的试验设备。

不过与设计规范要求的动态模量参数|E*|不同的是:在评价再生沥青混合料的性能时,与沥青的评价方法类似的,选用了Glover-Rowe参数(G-Rm)作为评价指标。该参数可以遵循AASHTO T342/JTG E20 T0738 单轴压缩动态模量的方法,在15℃条件下,以0.005rad/s的速率进行剪切,得到的剪切模量和相位角,并按照公式进行计算得到。

开展沥青混合料的动态模量试验,有众多的设备选择,在经费、场地均没有太大限制的情况下,通用材料测试系统(Universal Testing Machine - UTM)因为其强大的功能拓展性最受国内用户的青睐。目前国内已有80台(套)左右的IPC品牌UTM测试系统,其他品牌20台(套)左右。(统计数据不计MTS)

如果经费和场地比较受限,或是已经有UTM,为了提高工作效率,也可以选择AMPT及其几个改进的型号作为选项。其中AMPT(Asphalt Mixture Performance Tester)即为原SPT简单性能试验机的新名称。与UTM相比,AMPT操作更方便,体积更小,价格更低,国内目前已有近20套AMPT。为了进一步的普及这种测试技术,设备制造商又开发了电动型的AMPTQube,进一步降低价格;同时,为了弥补AMPT不能做棱柱体四点小梁弯曲疲劳试验和低温试验的缺陷,制造商又将三轴室改完温控箱的设计,并将温度范围扩展至-10℃以下,拓展了低温性能评价方面的应用。

 
 

图9:可以测试G-Rm指标的设备类型