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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,因此对于道路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

 

 

01

 

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方案。

 
 

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

 

01

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位移传感器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或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

 

02

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

 

03

半圆弯曲试验

对于路面的常温抗裂性能,规范推荐了AASHTO TP124 SCB-FI试验方法,该方法也入选了我国的新版JTG E20 公路工程沥青及沥青混合料试验规程。这种试验方法基于断裂力学的理论进行测试,通过对切口沥青混合料试件进行匀速劈裂加载,通过荷载位移曲线包络的面积断裂功来评价材料的抗裂性能。其中AASHTO TP124 SCB-FI试验要求用柔性指数Flexibility Index作为评价指标。

 
 

图10:SCB-FI试验的典型曲线

开展SCB-FI试验对于设备的要求比较简单,无论是UTM类的多功能材料试验机,还是AMPT,AsphaltQube类的简单型沥青混合料性能试验机,甚至是最简单的马歇尔试验机等,都可以通过增添标准夹具来完成这个试验。当设备具有温控系统时,可以严格按照规范要求进行试验。

 
 

图11:半圆弯曲试验设备(AMPT/UTM和AST/独立式SCB试验机)

 

04

BBR弯曲梁流变试验

为了评价再生沥青混合料的低温抗裂性能,AASHTO规范草稿提出使用BBR弯曲梁流变仪来进行沥青混合料的测试,这种测试方法也形成了AASHTO TP125试验标准。适用于最大公称粒径12.5mm以下的材料使用。与标准的BBR试验相比,沥青混合料试验需要更大的荷载:4000±100mN。值得注意的是虽然该测试方法的测试指标仍然是劲度模量Sm和蠕变斜率m,但是规范草稿中并没有给出控制指标,而是指出该指标参考犹他大学提出建议指标,因此可以看出该方法仍处于研究阶段,还没有得出最终公开的指标建议。

 
 

图12:试件养生和BBR试验效果

 

05

UTSST单轴温度应力和应变试验

鉴于第一种低温抗裂性能评价方法目前并没有给出建议的控制指标,另一种方法看起来更直接可行。这就是在AASHTO TP10 TSRST约束试件温度应力(冻断)试验基础上发展的UTSST单轴温度应力和应变试验方法。该试验可以在UTM系统(配大量程温控箱)或独立式低温试验机中完成。

 
 

图13:UTSST单轴温度应力应变试验的测试设备(UTM和独立式试验机)

UTSST试验的数据处理是基于温度应力-应变曲线的包络面积来计算混合料的低温抗裂指数:

其中环境调整参数为:

注:当临界温度和开裂温度的大小关系不同时,环境调整参数的计算方法也有所不同。

 
 

图14:UTSST试验曲线面积计算

 
 

图15:临界温度小于开裂温度时的环境调整参数计算方法

 
 

图16:临界温度大于开裂温度时的环境调整参数计算方法

 

除了以上这些最终规范推荐的试验方法和设备外,在NCHRP 09-58项目研究过程中,项目组还尝试了其他的研究手段。虽然这些方法没有出现在最终的规范草稿中,但对于我国的研究来说,非常有必要借鉴其研究思路。整个项目研究共分为3个阶段,其中第2阶段又分为A和B两个阶段。

图17:NCHRP 09-58 项目的研究过程

从各阶段的研究目的和实验方法设计中可以发现:因为再生材料涉及到回收沥青、新沥青和再生剂的混合,因此沥青的组分和物理化学反应也是需要研究的问题。因此,在研究过程中还选用了3种沥青组分的测试方法,分别是基于液相色谱仪原理的SAR-AD组分分析法和MDSC调制式差扫描量热分析法用于评价基质沥青、回收沥青和再生剂的相容性,和FT-IR傅里叶变换红外光谱分析来追踪化学氧化过程。

 

01

全自动高效能液相色谱SAR-AD分离法

使用全自动液相色谱仪来测试沥青的四组分含量,并由此计算胶体不稳定指数CII和TPA(Total Pericondensed Aromatics)。

胶体不稳定指数:

图19:SAR-AD法测量沥青中的组分含量以及高效能液相色谱仪

同时,因为老化后的沥青组分会发生变化,通过添加再生剂可以重新恢复沥青化学组分的平衡,降低脆性,提高抗损伤性能和自愈合性能。因此对再生前后的组分研究也是必要的研究方法。

 
 

图20:添加再生剂后重新恢复老化沥青化学组分的平衡

 

02

MDSC调制差式扫描量热法

使用MDSC法测试时,需要分别测试基质沥青和再生混合沥青,每次测试时从165℃以每分钟0.5℃的速度降温至-90℃,然后再以相同的速率加热到165℃,从测试曲线中计算沥青的玻璃化转变温度Tg,玻璃化转变的高温终止温度Tg End。通常,通过Tg End指标来评价再生剂对沥青的性能影响,如果再生混合后的沥青Tg End值显著增大,则这种情况被认为是不理想的,因为这意味着沥青的脆化容易在更高的温度下发生,即易发生开裂;而相反的,如果Tg End值显著降低,则被认为再生剂对沥青的性能进行了显著的改善,使得沥青得以软化,性能得以激活。

 
 

图20:MDSC的加热曲线和沥青的MDSC测试曲线中Tg和Tg End的确定方法

 

03

FT-IR傅里叶变换红外光谱分析

傅里叶变换红外光谱分析在研究中被用于追踪沥青的氧化老化程度。使用的指标主要是羰基区域增长率Carbonyl Area(CA)Growth rate,CAg=CA-CA0,CAg指标又与DSR试验得到的G-R指标共同用于沥青的选择和指标控制。

 
 

图21:FT-IR和DSR共同用于沥青性能控制

 

02

 

沥青混合料的疲劳性能预测

 

在项目研究的2A阶段还曾选择S-VECD简单黏弹循环损伤试验(直接拉伸疲劳)试验来评估混合料的抗裂性能,试验方法遵循AASHTO TP107的要求,使用AMPT沥青混合料性能测试仪进行试验,并选择了2个指标作为疲劳开裂失效的评价指标,分别是:

  • 伪应变能量释放速率

  • 混合料直至破坏的伪刚度平均减小值

 
 

图22:不同类型沥青再生前后的S-VECD试验结果

S-VECD试验是近年来美国用于研究沥青混合料疲劳性能的主要方法,为了大量推广该试验,AASHTO试验规范增加了TP107 S-VECD试验方法和TP 133小直径试件的试验方法(用于真实测试现场沥青混合料的动态模量和疲劳性能)。

 
 

图23:现场取芯进行小直径(38mm)的动态模量和S-VECD试验

为了进一步推广这种试验方法,设备的制造商也在近年来对设备进行升级,在SPT/AMPT沥青混合料性能试验机的基础上升级了新的AMPT Pro沥青混合料性能试验仪以及价格更低的电动版AMPTQube沥青混合料性能试验,旨在将沥青混合料的动态力学性能评价方法在工程应用中进行普及。
 

SPT/AMPT沥青混合料试验仪的发展历程



使用AMPT进行S-VECD试验评价沥青混合料的疲劳性能

 

总结

纵观NCHRP 927报告和推荐的AASHTO规范草稿,其推荐的技术指标和试验方法与我国的现行标准有巨大的差异,这与我国至今没有普及Superpave PG分级试验设备和沥青混合料动态力学性能试验设备有关。但近年来,沥青路面设计规范已经发布实施,新版的JTG F40公路沥青路面施工技术规范和JTG E20沥青及沥青混合料试验规程都会在近几年内陆续颁布实施,这些新的规范也开始大量吸收美国、欧洲的试验方法,将我国的公路设计和建设标准和方法与国际接轨,因此,有条件的单位率先进行新方法的研究尝试是合适的。虽然AASHTO的规范仍处于草稿阶段,提出的指标和方法是否能够有效指导工程实践都有待论证,但这些方向和指标的提出,确实有利于我们拓展思路,从更全面、更仿真、更深入的多种角度开展研究,提高我们的路面再生应用水平。

笔者作为路面材料试验设备的供应商,水平有限,文中内容如有纰漏,望我们的客户予以理解,此文仅供大家开阔思路,了解国外最新研究进展和目前最新的测试手段。



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