旧沥青混合料再生剂应用效果评价
王举义1张英新2
1.中石化石油工程设计有限公司山东 东营 257026；2.山东新汇建设集团有限公司 山东 东营257091
摘要：本文将废植物油作为复壮剂掺入SMAl沥青混合料。为了确定最大RAP含量和最佳WVO用量，采用四种RAP含量和四种WVO用量制备SMA混合料。进行了实验室试验，以评估其体积特性、马歇尔特性、剥离行为、残余马歇尔稳定性和拉伸强度比，并对它们进行了统计比较。结果表明，掺入RAP的形状记忆合金对材料的体积性能有显著的正向影响，提高了材料的马歇尔稳定性、剥离阻力，但降低了材料的tsr值。相反，wvo的加入在很大程度上提高了tsr值，增加了RAP的含量。方差分析结果表明，RAP含量和wvo用量对形状记忆合金的性能有显著影响，主效应图结果表明，在形状记忆合金中加入40%的RAP含量和6%的wvo是可行的。
关键词：再生沥青路面；SMA沥青混合料；废植物油；复壮剂；统计分析
Evaluationof rejuvenator’s effectiveness on the reclaimed asphalt pavement incorporatedstone matrix asphalt mixtures
Wang Juyi 1 ZhangYingxin 2
1. Sinopec Petroleum Engineering Corporation. Shandong Dongying 257026；2. Shandong Xinhui Construction Group Co., Ltd. Shandong Dongying257091
Abstract: In order to determine the maximumRAP content and optimum WVO dosage, four RAP contents and four WVO dosages areused to prepare the SMA mixtures. The laboratory tests were conducted toevaluate drain down, volumetric properties, Marshall characteristics, strippingbehavior, Retained Marshall Stability, and Tensile Strength Ratio and they arecompared statistically to each other and to the control mixture. The resultsindicate that RAP incorporated SMA mixtures have a substantial positive effecton the volumetric properties and it enhanced the Marshall Stability, strippingresistance and RMS, however, reduced the TSR value. To the contrary, theaddition of the WVO improved the TSR value to a great extent and increased theRAP content. The statistical analysis, Analysis of Variance results, showed thatthe RAP content and WVO dosage have a significance on the properties of theSMA, and the main effect plot results concluded that it is possible toincorporate 40% of RAP content with 6% WVO in the SMA mixtures.
Keywords: Reclaimed asphalt pavement；Stone matrix asphalt；Waste vegetable oil；Rejuvenator；Statistical analysis；ANOVA
1.引言
几十年来，路面行业面临的主要挑战之一是沥青和骨料的供应。然而，这些材料的稀缺性不仅导致了建筑成本的增加，而且也导致了环境问题。在重建或新建沥青路面时，需要大量的沥青和骨料。道路交通量和轴重的显著增加对沥青路面的劣化有着实质性的影响。旧沥青混合料中含有可以利用的老化结合料和骨料，可在新的沥青路面施工中循环使用。再生沥青混合料（RAP）的加入增加了混合料的刚度，降低了弹性，增加了疲劳裂纹。然而RAP和原始材料之间的不当混合会导致耐久性问题。为了提高刚度和混合效果，再生剂或软性结合料通常用于制备RAP掺合的SMA沥青混合料。
本文将四种RAP含量10、20、30和40%（用骨料重量代替）和四种废植物油(WVO)剂量0、3、6和9%（按结合料重量添加）用于制备RAP掺入的SMA混合料。制备了含0% RAP和0%wvo的传统形状记忆合金混合料，并将其作为对照。而含0%wvo的RAP掺入的sma混合料称为非再生混合料，含3、6和9%wvo的称为再生混合料。共制备了17种SMA混合料，每种组合至少使用3个试样进行平行试验。并评估RAP掺入SMA混合料与再生剂wvo的实验室性能。主要工作包括：（1）确定最大rap含量和最佳wvo用量；（2）评价所有SMA混合料组合的抗湿性（3）确定rap含量和wvo用量对性能的影响。
2.原材料
2.1结合料
沥青具有粘弹性，对沥青混合料的耐久性起重要作用，结合中国的气候条件，本文使用60/70号沥青结合料，见表1所示。
表1沥青物理特性
项目
结合料
要求
试验标准
软化点（℃）
55
﹤47
ASTM D36
渗透性（0.1 mm）100克，5秒
63
50-70
ASTM D5
延性（mm）25℃
﹥100
-
ASTM D113
闪点（℃）
240
﹤220
ASTM D92
粘度（MPa）135℃
370
﹤350
ASTM D4402
密度
1.01
-
ASTM D70
2.2 RAP和骨料
RAP是通过铣刨各种沥青路面获得的，在沥青生产厂进行粉碎和筛选，以去除杂质。本文以甲苯为溶剂，从RAP材料中提取粘结剂，其中老化粘结剂含量为3.90%。花岗岩作为原始骨料，满足SMA配合比设计要求，对RAP和原始骨料进行初步试验，结果见表2。集料级配在SMA混合料中很重要，1在每个筛孔尺寸下，用RAP1替代适当百分比的原始骨料，确保更换不会影响骨料与骨料之间的接触和级配。图1示出0、10、20、30和40% RAP含量的组合级配图。
表2 集料物理性质
项目
试验类型
新料
RAP
要求
试验方法
力学特性
洛杉矶磨损实验;
20.3%
22.5%
﹤25%
ASTM C535
冲击试验
17.1%
17.8%
﹤18%
ASTM C535
吸水率
吸水试验;
0.54%
0.2%
﹤2%
ASTM C127
密度
比重试验
2.732
2.68
-
ASTM C127
图1 SMA级配图
2.3废植物油
wvo是从植物油精炼工业中回收的废品。主要由油酸和亚油酸组成，不含脂肪酸。通常，WVO的一部分用于生产生物柴油和肥皂，剩余部分则排放到地表或水体中。WVO污染了土地和水资源，因此其管理面临重大挑战。本文尝试在RAP掺入的SMA混合料中使用wvo作为再生剂的可能性。对所得的wvo进行筛选和过滤以除去杂质，wvo的物理和化学性质见表3。
表3 WVO再生剂性质
项目
指标
项目
指标
比重
0.91
粘度(mm2/s)
96.5
密度（kg/m3）
918
老化值（mg）
153.8
沸点（℃）
300
3.试验研究
3.1配合比设计
配合比设计的主要目的是生产性能可靠的优质混合料，本文采用传统马歇尔配合比设计制备掺合RAP的 SMA混合料，按照混合级配（图1）取RAP和原始骨料，并在烤箱中加热至175-190℃。加热骨料，wvo和纤维均匀混合，再生剂与RAP和原始团聚体的混合。在混合过程中，wvo将润滑RAP并提高RAP流变性能。然后加热所需数量的沥青，将其倒在集料上并混合，直到达到均匀的颜色。将松散混合料转移到马歇尔模具中（直径101.6 mm，高度63.5±1 mm），通过每侧50次锤击制备试样。在本文中，根据ASTM D1559，用四种沥青含量（BC）5.5、6.0、6.5和7.0%（按骨料重量计）制备试样。
3.2体积特性
SMA混合料的体积特性是SMA混合料的重要参数。它们包括容重（gmb）、空隙率（va）、矿物骨料空隙率（vma）和沥青填充空隙率（vfb）。首先，确定密实混合料的体积比重和松散混合料的最大理论体积密度（GMM）。然后根据ASTM D2726程序测定压实混合料的GMB。利用得到的gmm和gmb值，对混合料的va、vma和vfa进行了评价。
3.2.1骨料与骨料接触
通常，在SMA混合料中，保持骨料与骨料之间的接触非常重要，因为整体强度取决于粗骨料骨架结构。通过4.75 mm筛网的骨料数量是SMA混合料中骨料与骨料接触的关键因素。为了确定粗集料之间的骨料与骨料接触程度，brown等人提出了一种称为粗骨料空隙率（VCA）法的程序。在这种方法中，保留在4.75 mm筛上的集料被视为粗集料。对干棒粗骨料的VCADRY进行评估，并使用方程式计算压实混合料的VCAMIX，见（1）和（2）。如果VCAMIX和VCADRY的比值小于1，则证实粗集料之间存在骨料与骨料接触。
式中，Gca=粗骨料的堆积比重，Yw=水的比重（998 kg/m3），Ys=干燥条件下粗骨料的比重（kg/m3），Pca=粗骨料的百分比。
3.2.2马歇尔试验
Marshall稳定性（MS）是测试样本在特定条件下能够承受的最大载荷的量度。在本文中，对于每一种SMA混合料组合，试验按照ASTM D6927进行，试样在60℃温度下进行30～40的试验，并以50±5毫米/分钟的加载速率进行测试。流量值（Fv）是在空载和最大负荷条件下发生的应变率。除此之外，马歇尔商（mq）被用来表示形状记忆合金混合料的刚度，即ms和Fv的比值。
3.3水分敏感性
沥青混合料中会不可避免的存在水分，水分会引起空隙、地下水位上升、地表排水不良等。水分会降低沥青和集料之间的粘结，并加剧开裂和剥落等缺陷。由于水分导致的沥青混合料强度降低称为水敏感性。通常，有两种不同的测试方法被用来评估SMA混合料的水敏感性。第一个试验是对松散混合料进行剥离性能评估，第二个试验是对压实混合料进行水分敏感性测定。在进行沸腾试验以确定SMA混合料的剥离行为，并进行残余马歇尔稳定度（RMS）和拉伸强度比（TSR）以确定SMA混合料的水分敏感性。
3.3.1沸腾试验
根据ASTM D3625进行剥离或沸腾试验，以确定SMA混合料的水分敏感性。它确定了目测时涂在骨料上的沥青百分比。对于每种混合料组合，在相应的最佳结合料含量（OBC）值下制备约200g SMA混合料，然后将混合料冷却2小时，并将其转移到烧杯中，用水煮沸10分钟。试验期结束后，目测骨料表面，并与原始混合料进行比较。由于沸腾效应，如果骨料失去沥青，则会在水面上观察到沥青的撇渣现象。最大剥离值应小于ASTM规范的5%。
3.3.2残留马歇尔稳定度
进行均方根值测试，以找出形状记忆合金混合料的水分敏感性。为了确定均方根值，用相应的OBC制备了两组马歇尔试样。将一组三个马歇尔试样置于60±1 C温度的水浴中，持续1h，并以50.0±5mm/min的速率在马歇尔试验机中进行试验，并记录数值。另一组三个马歇尔试件在60±5℃的水浴中处理24小时，并在马歇尔试验机中进行试验，与上述荷载相同。非条件试样和条件试样的比值定义为均方根值。
3.3.3抗拉强度比
tsr是评价SMA混合料湿敏性最可靠的方法。按照ASTM D4867程序进行试验，对于每种混合料组合，制备六个具有相应OBC值的试样，并分成两组，每组包含三个试样。一组试样未经处理，放置在25℃水浴中1小时，下一组试样经处理，以适应加速风化条件，即冻融。标本用10毫升水密封在塑料袋中，置于18℃的冰箱中冷冻16小时。然后将相同的试样置于60℃的水浴中24小时解冻。对条件试样和非条件试样进行间接拉伸强度（ITS）。以50±5 mm/min的速率施加单调荷载，根据ASTM D6931程序和图2所示，试样将因垂直变形而拉伸失效。TSR是条件试样和非条件试样的ITS之比。方程式。（3）和（4）分别用于确定ITS和TSR。
P=施加荷载（kn），D=试样直径（mm），H=试样高度（mm），其=间接抗拉强度值（kpa）
ITSc:条件试样的ITS（kpa）;ITSuc:条件试样的its（kpa）
3.5统计分析
用方差分析（anova）分析RAP含量和wvo用量对obc、ms、rms和TSR值的影响。在统计分析中，考虑了两个自变量（RAP和wvo）和一个单因变量obc、ms、rms或TSR。方差分析比较了这些自变量，并预测了它们之间的显著差异，还发现哪些变量与其他变量有显著差异。在本研究中，在95%的置信区间内，检验零假设和替代假设对自变量的显著性。要拒绝零假设（类型1错误），pValue应小于95%置信区间值（A=0.05），这表明自变量对因变量有显著影响。除方差分析外，还绘制了主效应图，以检验自变量平均值与因变量之间的差异，从而以图形形式清楚地了解每个变量的重要性。在本次统计分析中，Minitab 18统计软件用于运行方差分析和主效应图。
图2试验步骤
