沥青稳定再生集料的性能及设计参数研究

龙嘉伟

（贵州路桥集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

沥青路面回收再生技术是道路工程建设中保护环境、节约能源的有效手段，是实现我国道路交通基础设施建设可持续发展的关键技术。当前，我国正处于道路交通基础设施建设的高峰期，每年都会产生大量的施工废弃物[1-3]。利用废弃的混凝土制造再生集料并用于沥青路面摊铺，可实现施工废弃物的回收利用，有效缓解天然集料短缺[4-5]。该文重点探讨了沥青稳定再生集料的性能及相关设计参数，为沥青路面设计与施工中的水泥—混凝土再生集料应用提供技术参考。

1 试验材料

1.1 试验原材料

（1）该次试验选用70#基质沥青，基于相关试验规范对其进行性能检测。通过试验数据分析可知，70#基质沥青符合相关技术规范。

（2）该次试验选用蛇纹岩碎石作为新集料，填充材料为石灰岩，基于相关集料试验技术规范检测集料性能，所用新集料满足材料性能指标要求。

（3）该次试验选用废弃水泥混凝土作为再生集料，原料来自破旧桥梁拆除，首先运至加工厂用鄂式机破碎成粒径大小分别为5～10 mm、10～20 mm以及20～30 mm的碎石，通过试验得出技术指标均达到了技术指标要求。

1.2 试验混合料

（1）分别以0%、30%、60%、100%的掺加比例掺加再生集料，以取代天然集料。

（2）用线性回归分析法分别求得4种再生集料的最佳掺加比例，确保4种再生集料级配相似。

2 最佳沥青用量及马歇尔指标分析

针对不同油石比集料试验样本开展马歇尔试验，通过计算得到四种沥青稳定再生集料聚合物的最佳沥青用量：1）混合料RCA掺配率为0%时，最佳沥青用量为3.45%；2）混合料RCA掺配率为30%时，最佳沥青用量为4.22%；3）混合料RCA掺配率为60%时，最佳沥青用量为5.22%；4）混合料RCA掺配率为100%时，最佳沥青用量为6.86%[6]。

针对四种不同的再生集料掺加比例，按最佳沥青用量配制试验样本，通过马歇尔试验可知四种沥青稳定再生集料聚合物的马歇尔指标均符合相关技术规范[7-8]。

3 沥青稳定再生集料路用性能分析

3.1 ATRCA水稳定性

（1）水稳定性试验结果：1）试验材料为石灰石、花岗岩、再生水泥混凝土、SBS改性沥青、70#基质沥青、活化后再生聚合物。2）通过试验得到沥青稳定再生集料聚合物表面张力大小及接触角θ，换算出黏附功，以衡量沥青与集料的黏附性[9]，具体试验数据见表1。

（2）由表1测试结果可知，同类沥青与不同集料之间的附着力从小到大依次为再生水泥混凝土、花岗岩、活化再生聚合物、蛇纹石、石灰石，可见，沥青、石灰石之间的附着力最强；70#基层沥青与各类集料的黏附功低于改性沥青与各类集料之间的黏附功。

表1 ATRCA水稳定性补充评价指标黏附性能试验结论

（3）根据4种不同的再生集料掺加比例配制的沥青稳定再生集料聚合物水稳定性试验数据如图1所示。

（4）根据图1可知，随着再生集料掺加比例的上升，沥青稳定再生集料聚合物的残留稳定度、融劈裂强度比降低，且沥青稳定再生集料的水稳定性不低于75%，满足相关技术要求。

图1 ATRCA水稳定性试验结论

3.2 疲劳性能

通过MTS测试沥青稳定再生集料聚合物的抗疲劳性能：测试加载频率为15 Hz；应力水平分别取0.70、0.75、0.80；环境温度15 ℃。试验结论如下：

（1）混合料RCA掺配率为0%时，测试时应力水平分别为0.70、0.75、0.80，疲劳寿命分最小值分别为5 822次、4 477次、2 477次。

（2）混合料RCA掺配率为30%时，测试时应力水平分别为0.70、0.75、0.80，疲劳寿命分最小值分别为7 235次、5 011次、3 088次。

（3）混合料RCA掺配率为60%时，测试时应力水平分别为0.70、0.75、0.80，疲劳寿命分最小值分别为8 526次、5 995次、3 757次。

（4）混合料RCA掺配率为100%时，测试时应力水平分别为0.70、0.75、0.80，疲劳寿命分最小值分别为5 902次、4 531次、3 586次。

4 沥青稳定再生集料路面基本设计参数

4.1 基本设计参数之劈裂强度

（1）通过试验得到四种不同再生集料掺加比例的沥青稳定再生集料聚合物的劈裂强度参数。

（2）以保证率为95%时的劈裂强度为基准值σS，其计算公式见式（1），结果见表2。

表2 四种不同RCA掺配率的ATRC聚合物劈裂强度参考值

式中，σS——ATRCA聚合物路面，劈裂强度参数值（MPa）；——ATRCA聚合物试件，劈裂强度均值（MPa）；S——样本标准差。

（3）通过分析表2的数据可以得到沥青稳定再生集料聚合物劈裂强度参考值为：0.660～0.749 MPa，且σS与再生集料的掺加比例无关。

4.2 基本设计参数之抗压回弹模量

（1）通过抗压回弹模量试验确定采用四种不同的再生集料掺加比例的沥青稳定再生集料聚合物在环境温度15 ℃、20 ℃时的抗压回弹模量值。

（2）以保证率为95%时的抗压回弹模量作为沥青稳定再生集料聚合物抗压回弹模量指标参考值E，其计算公式见式（2），结果见表3。

表3 四种不同RCA掺配率的ATRC聚合物抗压回弹模量参考值

式中，E——ATRCA聚合物路面，抗压回弹模量参数值（MPa）；E——ATRCA聚合物试件，抗压回弹模量均值（MPa）；S——样本标准差。

（3）见表3的试验数据，试验环境温度分别为15 ℃、20 ℃，相应的取值范围分别为1 200～1 380 MPa、1 000～1 120 MPa。

4.3 基本设计参数之抗拉强度结构系数

（1）以理论力学为试验基础依据，运用经验法设计沥青路面结构，路面结构各层底部抗拉应力σS不超过容许应力值σR，具体计算如下:

式中，σm——沥青稳定再生集料聚合物路面层底部抗拉应力（MPa）；σR——沥青稳定再生集料聚合物路面设计抗拉应力容许值（MPa）；σS——沥青稳定再生集料聚合物试件的劈裂强度临界值（MPa）；KS——沥青稳定再生集料聚合物路面抗拉强度结构系数。

（2）根据已知材料疲劳特性确定抗拉强度结构系数值KS，获得路面结构设计参数，以有效保证沥青路面结构设计合理性。当前设计规范中为确定最佳沥青稳定再生集料聚合物抗拉强度结构系数值KS，该次研究以对数形式列出疲劳方程，得到KS值计算公式：

式中，N——室内试验对应的沥青路面疲劳寿命；a′，b′——样本检测数据线性回归系数。

（3）室内试验得到的疲劳寿命试验数据与实际情况存在差异，由此给出室内试验得到的疲劳寿命与实际路面疲劳寿命的关联公式:

式中，Ne——实际的沥青路面疲劳寿命；N——室内试验得到的沥青路面疲劳寿命；A1——荷载作用时间系数调整值，取0.8；A2——行车荷载横向分布系数调整值，取0.5；A3——荷载状态系数调整值，实际的沥青路面基层结构为三维受力，室内试验的沥青路基层结构为二维受力，故按实际值的2/3取值；A4——外部因素决定的非有效施工天数调整值，取60/365。由此得到校正后的KS计算公式如下：

（4）沥青稳定再生集料聚合物疲劳方程系数取保证率为95%，代入上式求得对应结构强度系数，设计安全标准取抗拉强度结构系数值

5 结论

我国正处于道路交通基础设施建设的高峰期，每年都会产生大量的施工废弃物，废弃混凝土材料取材方便，将类型差异较大、制作工艺不同、强度等级不同的混凝土掺加到沥青稳定再生集料聚合物中会导致其基础性能、路用性能改变。因此，该次试验研究成果及路面结构设计参数推荐值存在较大局限性，在沥青路面设计及施工中可参考该次试验研究成果，确定更加合理的设计参数。