¹山东高速集团有限公司创新研究院，山东 济南

²长安大学公路学院，陕西 西安

收稿日期：2022年8月23日；录用日期：2022年9月20日；发布日期：2022年9月28日

摘要

沥青路面的养护翻修会产生大量的废旧沥青混合料(reclaimed asphalt pavement, RAP)。对RAP的性能进行科学、准确评价是提高热再生沥青混合料中RAP掺量，改善热再生沥青混合料性能的前提。基于旋转压实技术，通过调整压实速度与压实温度，研究五种不同废旧沥青混合料在旋转压实过程中的受力状态(应力、应变、压实功与工作性)，分析不同压实速度与压实温度对RAP力学特性的影响。结果表明，温度升高可以提高RAP的工作性，有利于RAP的压实；在相同温度下，当压实速度为1.5 mm/s时，RAP的工作性最好，更易于压实。

关键词

废旧沥青混合料，旋转压实，压实温度，压实速度，力学特性

Analysis of Mechanical Properties of RAP Based on Rotary Compaction Technique

Minghao Mu¹, Zhe Lu², Zheng Wang¹, Xinqiang Liu¹, Zhengang Feng², Xinjun Li²

¹Innovation Research Institute of Shandong High-Speed Group, Jinan Shandong

²School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shaanxi

Received: Aug. 23^rd, 2022; accepted: Sep. 20^th, 2022; published: Sep. 28^th, 2022

ABSTRACT

The maintenance and refurbishment of asphalt pavement will generate a huge amount of reclaimed asphalt pavement (RAP). Scientific and accurate evaluation of RAP performance is the premise to increase the content of rap in hot recycled asphalt mixture and improve the performance of hot recycled asphalt mixture. Based on the rotary compaction technology, the mechanical properties (stress, strain, compaction work and workability) of five different RAPs in the process of rotary compaction were studied by adjusting the parameters of compaction speed and compaction temperature. The effects of different compaction speed and compaction temperature on the mechanical properties of RAP were analyzed. Results show that the workability of RAP can be enhanced by increasing compaction temperature, which is helpful for the compaction of RAP. When the temperature is the same, the workability of RAP is the best at the compaction rate of 1.5 mm/s.

Keywords:Reclaimed Asphalt Pavement, Rotary Compaction, Compaction Temperature, Compaction Speed, Mechanical Properties

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

近年来，我国相当多的高速公路在自然环境和重载交通的共同作用下发生了老化和损坏，从而进入了大规模维修期 [1] [2]。沥青路面的养护翻修会产生巨量的废旧沥青混合料(reclaimed asphalt pavement, RAP)。将RAP进行再生对于实现RAP循环利用，保护环境，降低沥青路面施工成本具有重要的意义 [3] [4]。

对RAP抽提分离，进而开展性能评价是认识RAP中沥青性能与矿料级配的常用方法，也是后续进行再生沥青混合料设计的基础 [5]。RAP抽提方法主要有离心分离法、回流抽提法和真空抽提法等 [6] [7]。这些方法都有明显的局限性：一方面，沥青回收溶液中会残留少量矿粉，改变沥青的物理性质，造成试验结果不稳定；另一方面，沥青中会残留三氯乙烯，导致沥青含量和性能数据与实际情况产生较大差异 [8] [9] [10] [11]。因此，对RAP的性能评价提出一种快速、简便、绿色、准确且行之可靠的方法，对于精准认识RAP的特性，提高热再生沥青混合料的性能，推动热再生沥青混合料高掺量应用与质量提升具有重要的意义。

鉴于此，本文选取了5种不同类型的RAP，基于旋转压实技术，通过调整压实速度与压实温度参数，研究5种RAP在旋转压实过程中的受力状态(应力、应变、压实功与工作性)，分析不同压实速度与压实温度对RAP力学特性的影响。基于此，提出RAP性能快速检测的适宜压实温度与压实速度。

2. 原材料

选择5种不同类型的RAP(RAP1，RAP2，RAP3，RAP4，RAP5)，5种RAP的技术指标如表1所示。

表1. RAP的技术指标

3. RAP性能快速检测试验

采用RAP性能快速检测系统对5种RAP进行旋转压实试验，压实温度分别为20℃、60℃和110℃。

1) RAP性能快速检测系统调试

RAP性能快速检测系统基于旋转压实仪，能够以额定的加载速率将力施加到圆柱形模具中的材料试样上，同时测量和记录施加的应力、试样高度和时间。通过在圆柱形模具内已知温度下对松散材料试样施加恒定加载速率，当试样固结成圆柱形时，记录产生的法向应力和应变。

RAP性能快速检测系统调试步骤如下：调节“应变率”压实模式，在旋转压实仪显示界面选择“Profile Type 3”并确认；设置Profile 1模式压实速度为4.00 mm/s，压力为25 kPa；设置Profile 2模式压实速度分别为0.5 mm/s、1.5 mm/s、2.5 mm/s和3.5 mm/s，压力为40 kPa；设置Profile 3模式压实速度为0.05 mm/s，压力为700 kPa。

2) RAP取样

按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0701-2011方法取RAP样。

3) 试验过程

试验开始前首先设定RAP性能快速检测系统的旋转角为1.16˚，垂直压力为600 kPa，旋转速率为30 r/min；将RAP性能快速检测系统的压头加热保温不少于15 min，同时模具、模具端板在试验温度下保温至少45 min；将拌和好的沥青混合料(4800 ± 200) g迅速装入试模并整平，在顶面盖上一张圆纸后放入旋转压实仪中，装上压头，启动计算机，开动旋转压实仪成型试件，成型后的试件如图1所示。

图1. 成型后的RAP试件

4. 结果与讨论

4.1. 压实参数对不同RAP应力–应变的影响

当旋转压实速度为0.5 mm/s时，不同旋转压实温度下RAP的应力–应变曲线如图2所示。由图2可以看出，在不同压实温度下，不同类型RAP的应力–应变曲线表现出明显的差异。当速度为0.5 mm/s、应变小于30%时，5种RAP的应力都接近0；应变超过30%后，RAP料的应力逐渐增大。随着温度的升高，不同RAP应力–应变的变化速率逐渐增大。在20℃时，RAP1的斜率最小，其他4种RAP的应力–应变曲线变化速度较为接近。在60℃和110℃时，不同RAP的应力–应变曲线变化速度也较为接近。

图2. 不同温度下RAP的应力–应变曲线(v = 0.5 mm/s)

当旋转压实速度为1.5 mm/s时，不同压实温度下RAP的应力–应变曲线如图3所示。由图3可知，在不同压实温度下，不同类型RAP的应力–应变曲线也表现出明显的差异。当速度为1.5 mm/s、应变小于35%时，5种RAP的应力都接近0；在应变达到35%后，RAP料的应力也逐渐增大。在不同压实温度条件下，相同应力下RAP4的应变最小，接下来依次是RAP5、RAP1和RAP3，RAP2的应变最大。

图3. 不同温度下RAP的应力–应变曲线(v = 1.5 mm/s)

当旋转压实速度为2.5 mm/s和3.5 mm/s时，不同旋转压实温度下RAP的应力–应变曲线分别如图4和图5所示。由图4和图5可知，与旋转压实速度为0.5 mm/s和1.5 mm/s时相似，在20℃下，不同类型RAP的应力–应变曲线也表现出明显的差异。但是当温度为60℃和110℃时，不同类型RAP的应力–应变曲线基本重合，应力–应变特性基本相同。

图4. 不同温度下RAP的应力–应变曲线(v = 2.5 mm/s)

图5. 不同温度下RAP的应力–应变曲线(v = 3.5 mm/s)

4.2. 压实参数对RAP压实功的影响

通过式(1)可以计算得出不同RAP在旋转压实过程中的压实功，以反映RAP在压实过程中的能量变化。

$W_n={\displaystyle {\int }_A^B{F}_n\text{d}x}$ (1)

其中： $W_n$ ——压实功，单位J； $F_n$ ——压力，单位kN。

在不同压实速度下，RAP的压实功随温度的变化规律如图6所示。由图6可知，不同RAP的压实功在不同压实速度和压实温度下也表现出了明显不同。RAP1在20℃条件下的压实功最大，在四种压实速度下都随温度的升高逐渐减小。压实速度为0.5 mm/s时110℃条件下各RAP料的压实功区分度较高；压实速度为1.5 mm/s情况下的20℃和60℃、压实速度2.5 mm/s时20℃和110℃、压实速度3.5 mm/s时60℃下的RAP料的压实功区分较好。

4.3. 压实参数对RAP工作性能的影响

基于应力–应变结果，通过式(2)可以计算得出不同RAP在旋转压实过程中的工作性指标，以反映RAP在压实过程中的难易程度。

$DWT=\frac{{\sigma }_{650}-{\sigma }_{550}}{{\epsilon }_{650}-{\epsilon }_{550}}$ (2)

其中：DWT——工作性指标； ${\sigma }_{550}$ ——550 kPa的应力值； ${\sigma }_{650}$ ——650 kPa的应力值； ${\epsilon }_{550}$ ——550 kPa应力对应的应变值，单位%； ${\epsilon }_{650}$ ——650 kPa应力对应的应变值，单位%。

不同压实条件对RAP工作性指标的影响如图7所示。由图7可知，RAP1的工作性指标在4种压实速率下均随温度的升高逐渐增大；其它4种RAP的工作性指标在不同压实条件下表现出不同的变化规律。

图6. 不同旋转压实条件下RAP的压实功

图7. 不同旋转压实条件下RAP的工作性指标

随着温度的升高，不同RAP的工作性指标均有所增加，表明温度升高可以提高RAP的工作性，有利于RAP的压实。因此，在压实过程中可以适当提高温度以增加RAP压实的和易性。在相同温度下，当压实速度为1.5 mm/s时，不同RAP的工作性指标均最大，表明当压实速度为1.5 mm/s时，RAP的工作性最好，更易于压实。

5. 结论

1) 压实温度和压实速度对不同类型RAP在旋转压实过程中的应力–应变影响显著，且应力–应变变化规律随压实温度和压实速度不同而有所差异。

2) 不同RAP的压实功和工作性指标在不同压实温度和压实速度下表现出一定的区分度，可以通过压实功和工作性指标反映RAP的材料特性。

3) 温度升高可以提高RAP的工作性，有利于RAP的压实；在相同温度下，当压实速度为1.5 mm/s时，RAP的工作性最好，更易于压实。

基金项目

山东省交通运输厅科技计划项目(2020B38)。

文章引用

穆明浩,卢 喆,王 峥,刘新强,冯振刚,李新军. 基于旋转压实技术的RAP力学特性分析
Analysis of Mechanical Properties of RAP Based on Rotary Compaction Technique[J]. 材料科学, 2022, 12(09): 931-939. https://doi.org/10.12677/MS.2022.129104

参考文献