旧沥青路面材料(RAP)在沥青路面中的再生运用是境内外的研究热点，而压实度则是决定沥青路面性能和使用寿命的重要参数。因此，开展再生沥青混合料的压实特性研究，分析了压实温度和RAP掺量对压实特性的影响，其中压实温度选择140℃、150℃、160℃三个水平，RAP掺量分别为0、30%和50%。再生沥青混合料采用旋转压实的成型方式，并获取了再生沥青混合料试样高度与旋转压实次数发展关系曲线，在此基础上提取了压实度特性参数：压实度、能量密实指数(CEI)、压实速率(K值)以及锁点，此外还进行了温度和RAP掺量与压实特性参数的拟合分析。
试验结果表明：较高的温度和RAP的掺加均有利于再生沥青混合料的压实，再生沥青混合料压实度和空隙率参数均随着温度的升高或RAP的掺加而增加；而CEI、K值和锁点均随着温度的升高或RAP的掺加而降低，这同样表明温度升高和RAP的掺加使得再生沥青混合料更易压实。拟合分析结果表明：压实度与温度和RAP掺量正线性相关，而CEI、K值和锁点与温度和RAP掺量负线性相关。
关键词
道路工程 | 再生沥青混合料 | 压实特性 | 温度 | RAP掺量
沥青路面压实是路面修筑的最后一个阶段，压实度也是决定沥青路面质量最重要因素之一。经过良好的压实处理，沥青混合料内部集料颗粒稳固排列形成骨架结构，混合料空隙率和密实度达到较高水平，最终沥青路面的平整度、强度和稳定度等达到设计要求[1，2]。充分压实的沥青路面中混合料直接相互嵌挤，彼此之间的位移受到相互间的制约，因此在长期的服役过程中能够保持良好的力学性能和整体性，能有效抵抗行车荷载作用而不发生破坏[3，4]。
温度是影响沥青路面压实度的重要因素。温度越高，沥青混合料中的结合料黏度越低，即沥青路面越易于压实[5，6]。因此，沥青路面压实时应保证足够高的温度。李立寒等[7，8]试验研究发现，沥青路面压实存在一个最佳温度范围，在此温度区间内，温度是决定沥青混合料力学性质最关键因素。解晓光等[9]通过分析不同沥青混合料的最佳压实温度发现，当沥青掺量不同时，相应的最佳压实温度也随之发生改变。
旧沥青路面材料(RAP)在长期服役过程中，沥青材料由于荷载、光、氧气和热等因素作用下，发生一系列的物理化学变化，材料的黏弹性质向“硬”和“弹”的方向发展，黏度和复数模量指标发生巨量的增长[10-12]。由于黏度更大的沥青结合料的加入(RAP中的旧沥青结合料)，再生沥青混合料往往需要更高的压实温度来保证足够的压实度[13，14]。此外，一些学者开展了温拌再生沥青混合料的研究，即借助于温拌技术，在不提示压实度温度的前提下，保证再生沥青混合料能够得到良好的压实效果[14-17]。
本文采用旋转压实的方式，展开了RAP掺量为0、30%和50%的再生沥青混合料的压实特性研究，具体分析了温度和RAP掺量对于再生沥青混合料压实度的影响。基于旋转压实过程中的高度~旋转压实次数变化曲线，获取了压实度、能量密实指数(CEI)、压实速率(K值)以及锁点4个压实特性参数，量化分析RAP掺量和温度对于再生沥青混合料压实特性的影响。
1、材料与试验方法
1.1 试验原材料
再生沥青混合料中除去一定掺量的RAP材料外，其中新材料的添加包括新沥青、新集料和矿粉等。
(1)RAP材料采用专用的铣刨设备对原路面中面层AC-20沥青混合料进行铣刨，并采用筛分设备将废旧沥青混合料分为0~8mm、8~12mm、12~20mm三档，见图1。
(2)新沥青采用SBS改性沥青，该沥青基本性能指标见表1。
(3)再生沥青混合料中添加的新集料选用石灰岩，其中碳酸钙含量为99%或以上，其主要的技术指标见表2。矿粉技术指标见表3。
1.2 再生沥青混合料级配
再生沥青混合料的设计级配采用密实骨架型结构(AC-13)，设计级配曲线见图2。不同RAP掺量的再生沥青混合料通过调整各档新集料数量以达到目标级配。再生沥青混合料的目标空隙率均为4%，沥青最佳掺量设计为4.5%，沥青设计的最佳掺量包含RAP材料中的旧沥青结合料和新加入的沥青结合料。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0736-2011)中相应规定进行旋转压实成型再生沥青混合料试件。
1.3 旋转压实试验以及相关试验参数介绍
1.3.1旋转压实试验
采用旋转压实成型方式对再生沥青混合料进行成型，并通过获取不同条件下试样旋转压实的参数结果以及试样高度随压实次数变化曲线，进而开展温度和RAP掺量因素对于沥青混合料压实特性影响的量化分析，旋转压实仪见图3。
考虑到试验成型的过程对于再生沥青混合料的压实特性具有不可忽略的影响，再生沥青混合料的成型过程保持统一，均按照以下步骤进行：首先，分别将RAP、新集料和新沥青分别加热至130℃、180℃和160℃，并在烘箱中保温2h；接着，将拌锅温设置到160℃，将称好的各材料进行拌和；最后，将拌和后的材料放置到旋转压实仪中进行压实，时间为90s，旋转压实温度为160℃，基本流程见图4。随后，比较不同RAP掺量和压实温度下的压实特性，并采用压实特性指标进行压实特性定量评价。
1.3.2旋转压实试验参数介绍
沥青混合料压实度和旋转压实次数之间发展关系见图5。由图5可以看出，对于固定的沥青混合料而言，旋转压实次数越大，其压实的效果(压实度)就越好，二者是正相关的，同时压实度在达到一定水平后，其随着旋转次数增加速率(曲线斜率)减小。
为了表征热再生沥青混合料压实特性，分别选取压实度、能量密实指数CEI、K值、锁点用来评价热再生沥青混合料的密实度、压实所需能量、压实速率以及形成骨架结构的效率。
(1)压实度：空隙率直接表征沥青混合料的空隙情况，反映沥青混合料的密实程度。
(2)能量密实指数CEI：CEI代表施工中沥青混合料由松散状态经摊铺机和压路机压实至92%密实度所需的压实功，采用密实曲线92%以下部分围成面积表示，CEI越小，表明压实过程中沥青混合料可压实性越好，CEI计算见式(1)。TDI代表开放交通后沥青混合料经行车荷载由92%密实度压实至98%密实度所需的压实功，采用密实曲线上92%~98%部分围成面积表示，TDI越大，表明开放交通后沥青混合料抗变形能力越好。
(3)压实速率K值：K代表半对数坐标纸上密实曲线由初始压实次数Nini(取8次)压实至设计压实次数Ndes(取100次)曲线对应的平均斜率。K值越大，表明沥青混合料压实过程中每压实一次密度上升的速率越快，K值计算见式(2)：
(4)锁点：锁点定义为沥青混合料在经过旋转压实时高度~压实次数曲线中，第2次出现2次相同高度时所对应旋转压实次数，单位为次，锁点的物理意义是沥青混合料的骨架结构已初步形成。
2、试验结果与讨论
2.1 温度对压实特性的影响
(1)试验样品均采用RAP掺量为50%再生沥青混合料，探究压实温度对于再生沥青混合料压实特性的影响。考虑到再生沥青混合料使用新沥青为SBS改性沥青，结合SBS改性沥青混合料施工中常用碾压温度分布范围，压实温度选择为140℃、150℃、160℃。不同压实温度下，再生沥青混合料试验高度随压实次数变化曲线见图6。
由图6可以看出，在旋转压实过程中，沥青混合料试样高度随着旋转压实作用次数逐渐降低，若试样高度降低的速率较快，则意味着这种类型的沥青混合料比较容易压实。
不同碾压温度条件下再生沥青混合料的高度变化趋势基本一致，试样的高度均随着压实次数的增加逐渐下降，并且压实初期试样高度下降的速率较快。但不同压实温度下，再生沥青混合料试样高度随压实次数的变化曲线也有所差异。压实温度越高时，再生沥青混合料高度下降趋势较压实温度低的再生沥青混合料快，同时压实温度越高的再生沥青混合料最终的压实高度也越低，这说明其压实度越高。
表4为不同压实温度下，再生沥青混合料体积参数(毛体积和理论密度)和由压实曲线获取的参数结果。由表4可以看出，当材料固定时(所有试样均为50%RAP掺量的再生沥青混合料)，其理论密度便随之固定(2.574g/cm³)，压实温度的高低并影响其结果。然而，温度却影响其毛体积密度，当温度越高时，再生沥青混合料的毛体积密度也越大，这表明其压实度也越高。同样的规律也被空隙率结果所证实，温度越高，空隙率越低，压实度也就越好。
(2)不同压实温度下，压实度、锁点、CEI和K值与温度的拟合曲线结果见图7。由压实曲线获取的参数(锁点、CEI和K值)结果也证实了温度对于再生沥青混合料压实特性类似的效果。温度的升高，锁点、CEI和K值均显现出下降的趋势，这表明温度的增加，再生沥青混合料越易压实(CEI降低)，抗变形能力增强(K值减小)以及混合料中集料越早形成骨架结构(锁点减小)。上述均表明一定程度的压实温度提升有利于沥青混合料的性能。
由图7可以看出，旋转压实曲线获取的参数与温度均线性相关(正或负线性关系)。除去K值外，拟合优度R^2达到0.9或以上。压实度参数和温度呈正线性相关，其他参数与温度呈负线性相关，这印证了上述结论。
2.2 RAP掺量对压实特性的影响
(1)RAP掺量除了对再生沥青混合料路用性能有重大的影响外，其对再生沥青混合料的压实特性具有很大的影响，而沥青路面的压实度是决定路面性能和使用寿命的重要因素。开展了RAP掺量对于再生沥青混合料压实特性影响的研究，其中RAP掺量有0、30%和50%三个水平。
3种RAP掺量下，旋转压实过程中再生沥青混合料试样高度随压实次数变化曲线见图8。由图8可以看出，RAP材料的加入并未增加再生沥青混合料压实难度，尤其考虑到RAP中沥青结合料发生了一定程度老化硬化(黏度增加)，沥青结合料黏度的增加往往意味着更多的压实功去压实。掺加RAP材料的压实曲线反而处在不含RAP试样压实曲线的下方，这表明掺加RAP起到有利于沥青混合料压实的作用。
不同RAP掺量下，再生沥青混合料体积和压实参数见表5。从体积参数结果可以看出，RAP的掺加有利于再生沥青混合料的压实，空隙率随着RAP掺量增加而减小。从密度参数统计结果可以看出，RAP掺加对于理论密度指标具有降低作用，对毛体积密度则影响不十分明显。压实度参数结果也表明RAP掺量与再生沥青混合料压实度正相关。锁点、CEI和K值均与RAP量成反比。
由表5可以看出，RAP掺加使得再生沥青混合料更易被压实。导致这一现象的深层原因是RAP的材料属性。RAP周围被旧沥青完全包裹，并且许多研究表明[18，19]，旧沥青和新沥青并不会完全混溶，并且周围裹覆旧沥青结合料的RAP材料较之新集料不容易吸附新沥青，因此再生沥青混合料中许多新沥青是以“自由沥青”的形式存在，而数量众多的自由沥青则在RAP和集料间起到润滑的作用，这导致了再生沥青混合料比普通沥青混合料更易压实。
(2)RAP掺量分别与压实特性参数拟合分析结果见图9。由图9可以看出，与温度和压实特性参数拟合结果相类似，RAP掺量与压实特性参数同样呈线性关系。压实度参数和RAP掺量呈正线性相关，其他参数与RAP掺量呈负线性相关。需要指出的是，锁点和K值与RAP掺量的拟合优度R^2相对较低，在0.7左右。
3、结语
聚焦再生沥青混合料压实特性的问题，具体研究了压实温度和RAP掺量对于再生沥青混合料压实特性的影响。采用旋转压实的方式成型沥青混合料试件，获取了试样高度随旋转压实次数发展曲线图，并从其中提取了压实度、CEI、锁点和K值4个压实特性参数，进一步量化分析了RAP掺量和温度对于再生沥青混合料压实特性的影响，此外还进行了温度和RAP掺量于压实特性参数的拟合分析，得到主要结论如下。
(1)较高温度有利于再生沥青混合料压实度增加。毛体积密度和压实度指标随温度升高而增加，空隙率则减小。CEI、K值和锁点指标随温度升高而减小表明，较高的温度下越易压实(CEI降低)，抗变形能力增强(K值减小)以及混合料中集料越早形成骨架结构(锁点减小)。
(2)RAP的掺加有利于再生沥青混合料的压实。压实度指标随着RAP的增加而增大，空隙率则表现出减小的趋势，此外CEI、K值和锁点3个压实特性指标也随着RAP增加而降低。
(3)RAP的材料属性是导致其有利于压实的深层原因，这是由于RAP周围被旧沥青所包裹，较之新集料不容易吸附新沥青，因此再生沥青混合料中具有较多的新沥青作为自由沥青在RAP和集料间起到润滑的作用，这导致了再生沥青混合料比普通沥青混合料更易压实。需要说明的是，这一结论需要在下一步研究中进一步证实。
全文完。首发于《公路》2021年10月。
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