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在最近的二三十年來，中國的公路建設處于跨越性發展的歷史時期，從90年代初期的100萬公里已經發展到如今的500萬公里，而且仍在繼續發展并將進入長期持續的養護階段。這種跨越式發展的背后是自然資源的巨額消耗，不僅是瀝青的大量使用，石料的快速消耗更是引起環保部門的重視，集料變成了緊俏的資源，甚至有些地區已經無礦可采，因此對于道路材料的循環再生利用在近些年已經引起了國內外的普遍重視。在中國公路學會近期梳理的路面工程2016-2020年全球研究熱點中，也指出再生路面的研究是行業內的熱點問題之一。

  

圖1：2016年-2020年再生瀝青長期性能相關論文不同國家地區發文數量

從圖1的大數據統計可以看到：中國和美國作為世界的兩極，是從事相關研究比較多的地區。我國在去年發布了JTG/T 5221-2019《公路瀝青路面再生技術規范》 。美國則在今年初，發布了NCHRP 09-58 The Effects of Recycling Agents on Asphalt Mixtures with High RAS and RAP Binder Ratios 的研究成果，報告NCHRP 927。在報告中對高摻量RAP和RAS對瀝青混合料性能影響評價的研究過程進行了回顧，并提出了附錄中的AASHTO材料性能評價規范草稿。

  

圖2：AASHTO規范草稿封面

因為Superpave PG分級體系和試驗設備在美國更加普及的原因，美國規范中主要建議使用動態剪切流變儀（DSR），低溫彎曲梁流變儀（BBR），旋轉薄膜烘箱（RTFO）和壓力老化儀（PAV）來評價再生瀝青的性能。其測試指標也有別于常規的PG分級試驗的指標。首先是材料選擇方面，規范給出了一個建議的瀝青配合比設計指南。

表1：材料組成選擇和配合比設計指南

其中DSR試驗測試指標為瀝青的PG分級高溫性能等級PGH，為了確定回收瀝青摻量對調配過的瀝青的性能影響，項目組使用不同種類和比例的瀝青和回收料進行了實測，通過實測給出了建議性的公式1，用于預測混合調配后的瀝青的高溫性能等級。經過實測數據與公式計算數據驗證，兩者的相關性達到了0.9以上，公式1可以無需測試直接用于預估混合瀝青的高溫性能。

公式1：

  

圖3：基質瀝青和不同摻量回收料混合后達到不同的PG性能等級

其中BBR試驗的測試指標為蠕變勁度模量為300MP時的溫度與蠕變斜率為0.300時的溫度差。即公式：△Tc=Ts(300MPa)—Tm(0.300)

  

圖4：△Tc的取值計算方法

△Tc指標的概念最初在Airfield Asphalt Pavement Technology Program (AAPTP) Project 06-01項目中提出，旨在預測跑道的塊裂和松散，在合理的階段進行預養護，從而延長跑道的使用年限。后來該指標因為能夠反映瀝青老化后的性能衰減程度和有效預測整體的開裂行為被越來越多的提及。（研究同樣指出該指標用于預測橫向裂縫，縱向裂縫等局部的開裂時，理論結果與現場實測的相關性較差；但與總體的開裂行為相關性較好）而且該指標對不同瀝青的區分度也較好。

 

在選擇再生劑含量時，規范推薦了公式2，進行選擇，其中大多數情況下，斜率值的建議值為1.82，只有當再生劑類型為石油的芳香提取物時，斜率的建議值取1.38。

公式2：

對于再生瀝青膠結料的評價方面，規范同樣使用了有別于PG分級指標的新指標作為評價指標，如表2所示。

表2：再生瀝青膠結料的評價指標

其中DSR試驗提出了兩個評價指標，分別為G-R和Tδ=45°。

通過DSR試驗得到的剪切模量和相位角可以計算得到。Crossover Temperature Tδ=45° 通過DSR主曲線確定：剪切速率為10rad/s，儲能模量和損耗模量相等，相位角為45°時的溫度。

  

圖5：不同材料的G-R和Crossover Temperature曲線和參數選擇范圍

 

 

01 基于BMD平衡混合料設計理念的混合料性能評價方法推薦

在NCHRP 927報告附錄中推薦的AASHTO規范也基于BMD平衡混合料的設計思想，通過測試瀝青混合料的高溫抗車轍性能和常溫/低溫抗開裂性能，來綜合選擇最適宜的瀝青混合料配合比設計方案。

  

圖6：BMD平衡混合料設計理念

具體指標如表3所示。其中涉及的具體設備和測試方法包括：

表3：再生瀝青混合料的評價指標

 

01 漢堡車轍試驗

漢堡車轍試驗，遵循AASHTO T324測試規范的程序進行試驗，測得車轍深度達到12.5mm時對應的加載次數作為評價指標。如圖所示，為不同再生劑類型和摻量的瀝青混合料測試結果。其中一種生物改性瀝青B1顯示出了非常強的抗車轍性能，而另一種石蠟基油料瀝青P則表現出很差的抗車轍性能，在進行材料選擇時可以判定不合格。

  

圖7：不同再生劑類型和摻量的混合料漢堡車轍試驗結果

開展漢堡車轍試驗，需要使用不銹鋼輪對浸泡在高溫水浴中的圓柱體或板塊狀瀝青混合料進行反復加載測試，車輪中心的LVDT位移傳感器實時記錄車轍深度值，并繪制輪碾次數-車轍深度曲線。漢堡車轍試驗可以選用專用的漢堡車轍儀或APA路面分析儀來執行。國內已經有數十家研究機構具有豐富的漢堡車轍試驗經驗，除了完成眾多的研究項目外，也在部分省市地區指導實際工程項目多年。鑒于業內對漢堡車轍試驗的普遍認可，新的公路工程瀝青及瀝青混合料測試規程也增加了漢堡車轍試驗方法。

  

圖8：漢堡車轍儀

 

02 動態模量試驗

瀝青混合料的動態模量試驗在國內近幾年受到很大的關注，這主要是因為新版的JTG D50-2017公路瀝青路面設計規范指定使用動態模量替代傳統的靜態模量作為瀝青路面的核心設計參數，在JTG/T 5521-2019公路瀝青路面再生技術規范中也要求使用動態壓縮模量作為再生混合料的設計參數，因此國內各省級單位已經基本陸續配備了動態模量的試驗設備。

不過與設計規范要求的動態模量參數|E*|不同的是：在評價再生瀝青混合料的性能時，與瀝青的評價方法類似的，選用了Glover-Rowe參數（G-Rm）作為評價指標。該參數可以遵循AASHTO T342/JTG E20 T0738 單軸壓縮動態模量的方法，在15℃條件下，以0.005rad/s的速率進行剪切，得到的剪切模量和相位角，并按照公式進行計算得到。

開展瀝青混合料的動態模量試驗，有眾多的設備選擇，在經費、場地均沒有太大限制的情況下，通用材料測試系統（Universal Testing Machine - UTM）因為其強大的功能拓展性最受國內用戶的青睞。目前國內已有80臺（套）左右的IPC品牌UTM測試系統，其他品牌20臺（套）左右。（統計數據不計MTS）

如果經費和場地比較受限，或是已經有UTM，為了提高工作效率，也可以選擇AMPT及其幾個改進的型號作為選項。其中AMPT（Asphalt Mixture Performance Tester）即為原SPT簡單性能試驗機的新名稱。與UTM相比，AMPT操作更方便，體積更小，價格更低，國內目前已有近20套AMPT。為了進一步的普及這種測試技術，設備制造商又開發了電動型的AMPTQube，進一步降低價格；同時，為了彌補AMPT不能做棱柱體四點小梁彎曲疲勞試驗和低溫試驗的缺陷，制造商又將三軸室改完溫控箱的設計，并將溫度范圍擴展至-10℃以下，拓展了低溫性能評價方面的應用。

  

圖9：可以測試G-Rm指標的設備類型

 

03 半圓彎曲試驗

對于路面的常溫抗裂性能，規范推薦了AASHTO TP124 SCB-FI試驗方法，該方法也入選了我國的新版JTG E20 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程。這種試驗方法基于斷裂力學的理論進行測試，通過對切口瀝青混合料試件進行勻速劈裂加載，通過荷載位移曲線包絡的面積斷裂功來評價材料的抗裂性能。其中AASHTO TP124 SCB-FI試驗要求用柔性指數Flexibility Index作為評價指標。

 

 

圖10：SCB-FI試驗的典型曲線

開展SCB-FI試驗對于設備的要求比較簡單，無論是UTM類的多功能材料試驗機，還是AMPT，AsphaltQube類的簡單型瀝青混合料性能試驗機，甚至是簡單的馬歇爾試驗機等，都可以通過增添標準夾具來完成這個試驗。當設備具有溫控系統時，可以嚴格按照規范要求進行試驗。

  

圖11：半圓彎曲試驗設備（AMPT/UTM和AST/獨立式SCB試驗機）

 

04 BBR彎曲梁流變試驗

為了評價再生瀝青混合料的低溫抗裂性能，AASHTO規范草稿提出使用BBR彎曲梁流變儀來進行瀝青混合料的測試，這種測試方法也形成了AASHTO TP125試驗標準。適用于大公稱粒徑12.5mm以下的材料使用。與標準的BBR試驗相比，瀝青混合料試驗需要更大的荷載：4000±100mN。值得注意的是雖然該測試方法的測試指標仍然是勁度模量Sm和蠕變斜率m，但是規范草稿中并沒有給出控制指標，而是指出該指標參考猶他大學提出建議指標，因此可以看出該方法仍處于研究階段，還沒有得出公開的指標建議。

  

圖12：試件養生和BBR試驗效果

 

05 UTSST單軸溫度應力和應變試驗

鑒于第一種低溫抗裂性能評價方法目前并沒有給出建議的控制指標，另一種方法看起來更直接可行。這就是在AASHTO TP10 TSRST約束試件溫度應力（凍斷）試驗基礎上發展的UTSST單軸溫度應力和應變試驗方法。該試驗可以在UTM系統（配大量程溫控箱）或獨立式低溫試驗機中完成。

  

圖13：UTSST單軸溫度應力應變試驗的測試設備（UTM和獨立式試驗機）

UTSST試驗的數據處理是基于溫度應力-應變曲線的包絡面積來計算混合料的低溫抗裂指數：

其中環境調整參數為：

注：當臨界溫度和開裂溫度的大小關系不同時，環境調整參數的計算方法也有所不同。

  

圖14：UTSST試驗曲線面積計算

  

圖15：臨界溫度小于開裂溫度時的環境調整參數計算方法

  

圖16：臨界溫度大于開裂溫度時的環境調整參數計算方法

 

除了以上這些規范推薦的試驗方法和設備外，在NCHRP 09-58項目研究過程中，項目組還嘗試了其他的研究手段。雖然這些方法沒有出現在規范草稿中，但對于我國的研究來說，非常有必要借鑒其研究思路。整個項目研究共分為3個階段，其中第2階段又分為A和B兩個階段。

圖17：NCHRP 09-58 項目的研究過程

從各階段的研究目的和實驗方法設計中可以發現：因為再生材料涉及到回收瀝青、新瀝青和再生劑的混合，因此瀝青的組分和物理化學反應也是需要研究的問題。因此，在研究過程中還選用了3種瀝青組分的測試方法，分別是基于液相色譜儀原理的SAR-AD組分分析法和MDSC調制式差掃描量熱分析法用于評價基質瀝青、回收瀝青和再生劑的相容性，和FT-IR傅里葉變換紅外光譜分析來追蹤化學氧化過程。

 

01 全自動高效能液相色譜SAR-AD分離法

使用全自動液相色譜儀來測試瀝青的四組分含量，并由此計算膠體不穩定指數CII和TPA（Total Pericondensed Aromatics）。

膠體不穩定指數：

圖19：SAR-AD法測量瀝青中的組分含量以及高效能液相色譜儀

同時，因為老化后的瀝青組分會發生變化，通過添加再生劑可以重新恢復瀝青化學組分的平衡，降低脆性，提高抗損傷性能和自愈合性能。因此對再生前后的組分研究也是必要的研究方法。

  

圖20：添加再生劑后重新恢復老化瀝青化學組分的平衡

 

02 MDSC調制差式掃描量熱法

使用MDSC法測試時，需要分別測試基質瀝青和再生混合瀝青，每次測試時從165℃以每分鐘0.5℃的速度降溫至-90℃，然后再以相同的速率加熱到165℃，從測試曲線中計算瀝青的玻璃化轉變溫度Tg，玻璃化轉變的高溫終止溫度Tg End。通常，通過Tg End指標來評價再生劑對瀝青的性能影響，如果再生混合后的瀝青Tg End值顯著增大，則這種情況被認為是不理想的，因為這意味著瀝青的脆化容易在更高的溫度下發生，即易發生開裂；而相反的，如果Tg End值顯著降低，則被認為再生劑對瀝青的性能進行了顯著的改善，使得瀝青得以軟化，性能得以激活。

  

圖20：MDSC的加熱曲線和瀝青的MDSC測試曲線中Tg和Tg End的確定方法

 

03 FT-IR傅里葉變換紅外光譜分析

傅里葉變換紅外光譜分析在研究中被用于追蹤瀝青的氧化老化程度。使用的指標主要是羰基區域增長率Carbonyl Area(CA)Growth rate，CAg=CA-CA0，CAg指標又與DSR試驗得到的G-R指標共同用于瀝青的選擇和指標控制。

  

圖21：FT-IR和DSR共同用于瀝青性能控制

 

02 瀝青混合料的疲勞性能預測

在項目研究的2A階段還曾選擇S-VECD簡單黏彈循環損傷試驗（直接拉伸疲勞）試驗來評估混合料的抗裂性能，試驗方法遵循AASHTO TP107的要求，使用AMPT瀝青混合料性能測試儀進行試驗，并選擇了2個指標作為疲勞開裂失效的評價指標，分別是：

• 偽應變能量釋放速率

• 混合料直至破壞的偽剛度平均減小值

 

 

圖22：不同類型瀝青再生前后的S-VECD試驗結果

S-VECD試驗是近年來美國用于研究瀝青混合料疲勞性能的主要方法，為了大量推廣該試驗，AASHTO試驗規范增加了TP107 S-VECD試驗方法和TP 133小直徑試件的試驗方法（用于真實測試現場瀝青混合料的動態模量和疲勞性能）。

  

圖23：現場取芯進行小直徑（38mm）的動態模量和S-VECD試驗

為了進一步推廣這種試驗方法，設備的制造商也在近年來對設備進行升級，在SPT/AMPT瀝青混合料性能試驗機的基礎上升級了新的AMPT Pro瀝青混合料性能試驗儀以及價格更低的電動版AMPTQube瀝青混合料性能試驗，旨在將瀝青混合料的動態力學性能評價方法在工程應用中進行普及。
 

SPT/AMPT瀝青混合料試驗儀的發展歷程

使用AMPT進行S-VECD試驗評價瀝青混合料的疲勞性能

 

總結

縱觀NCHRP 927報告和推薦的AASHTO規范草稿，其推薦的技術指標和試驗方法與我國的現行標準有很大的差異，這與我國至今沒有普及Superpave PG分級試驗設備和瀝青混合料動態力學性能試驗設備有關。但近年來，瀝青路面設計規范已經發布實施，新版的JTG F40公路瀝青路面施工技術規范和JTG E20瀝青及瀝青混合料試驗規程都會在近幾年內陸續頒布實施，這些新的規范也開始大量吸收美國、歐洲的試驗方法，將我國的公路設計和建設標準和方法與國際接軌，因此，有條件的單位率先進行新方法的研究嘗試是合適的。雖然AASHTO的規范仍處于草稿階段，提出的指標和方法是否能夠有效指導工程實踐都有待論證，但這些方向和指標的提出，確實有利于我們拓展思路，從更全面、更仿真、更深入的多種角度開展研究，提高我們的路面再生應用水平。

筆者作為路面材料試驗設備的供應商，水平有限，文中內容如有紕漏，望我們的客戶予以理解，此文僅供大家開闊思路，了解國外新研究進展和目前新的測試手段。