在最近的二三十年來，中國的公路建設(shè)處于跨越性發(fā)展的歷史時期，從90年代初期的100萬公里已經(jīng)發(fā)展到如今的500萬公里，而且仍在繼續(xù)發(fā)展并將進(jìn)入長期持續(xù)的養(yǎng)護(hù)階段。這種跨越式發(fā)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(huán)保部門的重視，集料變成了緊俏的資源，甚至有些地區(qū)已經(jīng)無礦可采，因此對于道路材料的循環(huán)再生利用在近些年已經(jīng)引起了國內(nèi)外的普遍重視。在中國公路學(xué)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(yè)內(nèi)的熱點問題之一。
圖1：2016年-2020年再生瀝青長期性能相關(guān)論文不同國家地區(qū)發(fā)文數(shù)量
從圖1的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看到：中國和美國作為世界的兩極，是從事相關(guān)研究比較多的地區(qū)。我國在去年發(fā)布了JTG/T 5221-2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》 。美國則在今年初，發(fā)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(jìn)行了回顧，并提出了附錄中的AASHTO材料性能評價規(guī)范草稿。
圖2：AASHTO規(guī)范草稿封面
因為Superpave PG分級體系和試驗設(shè)備在美國更加普及的原因，美國規(guī)范中主要建議使用動態(tài)剪切流變儀（DSR），低溫彎曲梁流變儀（BBR），旋轉(zhuǎn)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(biāo)也有別于常規(guī)的PG分級試驗的指標(biāo)。首先是材料選擇方面，規(guī)范給出了一個建議的瀝青配合比設(shè)計指南。
表1：材料組成選擇和配合比設(shè)計指南
其中DSR試驗測試指標(biāo)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(diào)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(jìn)行了實測，通過實測給出了建議性的公式1，用于預(yù)測混合調(diào)配后的瀝青的高溫性能等級。經(jīng)過實測數(shù)據(jù)與公式計算數(shù)據(jù)驗證，兩者的相關(guān)性達(dá)到了0.9以上，公式1可以無需測試直接用于預(yù)估混合瀝青的高溫性能。
公式1：
圖3：基質(zhì)瀝青和不同摻量回收料混合后達(dá)到不同的PG性能等級
其中BBR試驗的測試指標(biāo)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(biāo)的概念最初在Airfield Asphalt Pavement Technology Program (AAPTP) Project 06-01項目中提出，旨在預(yù)測跑道的塊裂和松散，在合理的階段進(jìn)行預(yù)養(yǎng)護(hù)，從而延長跑道的使用年限。后來該指標(biāo)因為能夠反映瀝青老化后的性能衰減程度和有效預(yù)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(biāo)用于預(yù)測橫向裂縫，縱向裂縫等局部的開裂時，理論結(jié)果與現(xiàn)場實測的相關(guān)性較差；但與總體的開裂行為相關(guān)性較好）而且該指標(biāo)對不同瀝青的區(qū)分度也較好。
在選擇再生劑含量時，規(guī)范推薦了公式2，進(jìn)行選擇，其中大多數(shù)情況下，斜率值的建議值為1.82，只有當(dāng)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(jié)料的評價方面，規(guī)范同樣使用了有別于PG分級指標(biāo)的新指標(biāo)作為評價指標(biāo)，如表2所示。
表2：再生瀝青膠結(jié)料的評價指標(biāo)
其中DSR試驗提出了兩個評價指標(biāo)，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(shù)選擇范圍
01 基于BMD平衡混合料設(shè)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(guī)范也基于BMD平衡混合料的設(shè)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(shè)計方案。
圖6：BMD平衡混合料設(shè)計理念
具體指標(biāo)如表3所示。其中涉及的具體設(shè)備和測試方法包括：
表3：再生瀝青混合料的評價指標(biāo)
01 漢堡車轍試驗
漢堡車轍試驗，遵循AASHTO T324測試規(guī)范的程序進(jìn)行試驗，測得車轍深度達(dá)到12.5mm時對應(yīng)的加載次數(shù)作為評價指標(biāo)。如圖所示，為不同再生劑類型和摻量的瀝青混合料測試結(jié)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(xiàn)出很差的抗車轍性能，在進(jìn)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(jié)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(jìn)行反復(fù)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(shù)-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(zhí)行。國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)十家研究機構(gòu)具有豐富的漢堡車轍試驗經(jīng)驗，除了完成眾多的研究項目外，也在部分省市地區(qū)指導(dǎo)實際工程項目多年。鑒于業(yè)內(nèi)對漢堡車轍試驗的普遍認(rèn)可，新的公路工程瀝青及瀝青混合料測試規(guī)程也增加了漢堡車轍試驗方法。
圖8：漢堡車轍儀
02 動態(tài)模量試驗
瀝青混合料的動態(tài)模量試驗在國內(nèi)近幾年受到很大的關(guān)注，這主要是因為新版的JTG D50-2017公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范指定使用動態(tài)模量替代傳統(tǒng)的靜態(tài)模量作為瀝青路面的核心設(shè)計參數(shù)，在JTG/T 5521-2019公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范中也要求使用動態(tài)壓縮模量作為再生混合料的設(shè)計參數(shù)，因此國內(nèi)各省級單位已經(jīng)基本陸續(xù)配備了動態(tài)模量的試驗設(shè)備。
不過與設(shè)計規(guī)范要求的動態(tài)模量參數(shù)|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(shù)（G-Rm）作為評價指標(biāo)。該參數(shù)可以遵循AASHTO T342/JTG E20 T0738 單軸壓縮動態(tài)模量的方法，在15℃條件下，以0.005rad/s的速率進(jìn)行剪切，得到的剪切模量和相位角，并按照公式進(jìn)行計算得到。
開展瀝青混合料的動態(tài)模量試驗，有眾多的設(shè)備選擇，在經(jīng)費、場地均沒有太大限制的情況下，通用材料測試系統(tǒng)（Universal Testing Machine - UTM）因為其強大的功能拓展性最受國內(nèi)用戶的青睞。目前國內(nèi)已有80臺（套）左右的IPC品牌UTM測試系統(tǒng)，其他品牌20臺（套）左右。（統(tǒng)計數(shù)據(jù)不計MTS）
如果經(jīng)費和場地比較受限，或是已經(jīng)有UTM，為了提高工作效率，也可以選擇AMPT及其幾個改進(jìn)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(nèi)目前已有近20套AMPT。為了進(jìn)一步的普及這種測試技術(shù)，設(shè)備制造商又開發(fā)了電動型的AMPTQube，進(jìn)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(shè)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(yīng)用。
圖9：可以測試G-Rm指標(biāo)的設(shè)備類型
03 半圓彎曲試驗
對于路面的常溫抗裂性能，規(guī)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(guī)程。這種試驗方法基于斷裂力學(xué)的理論進(jìn)行測試，通過對切口瀝青混合料試件進(jìn)行勻速劈裂加載，通過荷載位移曲線包絡(luò)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(shù)Flexibility Index作為評價指標(biāo)。
圖10：SCB-FI試驗的典型曲線
開展SCB-FI試驗對于設(shè)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(biāo)準(zhǔn)夾具來完成這個試驗。當(dāng)設(shè)備具有溫控系統(tǒng)時，可以嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行試驗。
圖11：半圓彎曲試驗設(shè)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(guī)范草稿提出使用BBR彎曲梁流變儀來進(jìn)行瀝青混合料的測試，這種測試方法也形成了AASHTO TP125試驗標(biāo)準(zhǔn)。適用于大公稱粒徑12.5mm以下的材料使用。與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)仍然是勁度模量Sm和蠕變斜率m，但是規(guī)范草稿中并沒有給出控制指標(biāo)，而是指出該指標(biāo)參考猶他大學(xué)提出建議指標(biāo)，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(biāo)建議。
圖12：試件養(yǎng)生和BBR試驗效果
05 UTSST單軸溫度應(yīng)力和應(yīng)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(biāo)，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(yīng)力（凍斷）試驗基礎(chǔ)上發(fā)展的UTSST單軸溫度應(yīng)力和應(yīng)變試驗方法。該試驗可以在UTM系統(tǒng)（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(yīng)力應(yīng)變試驗的測試設(shè)備（UTM和獨立式試驗機）
UTSST試驗的數(shù)據(jù)處理是基于溫度應(yīng)力-應(yīng)變曲線的包絡(luò)面積來計算混合料的低溫抗裂指數(shù)：
其中環(huán)境調(diào)整參數(shù)為：
注：當(dāng)臨界溫度和開裂溫度的大小關(guān)系不同時，環(huán)境調(diào)整參數(shù)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(huán)境調(diào)整參數(shù)計算方法
圖16：臨界溫度大于開裂溫度時的環(huán)境調(diào)整參數(shù)計算方法
除了以上這些規(guī)范推薦的試驗方法和設(shè)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(xiàn)在規(guī)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(shè)計中可以發(fā)現(xiàn)：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(xué)反應(yīng)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(diào)制式差掃描量熱分析法用于評價基質(zhì)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(xué)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(wěn)定指數(shù)CII和TPA（Total Pericondensed Aromatics）。
膠體不穩(wěn)定指數(shù)：
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(fā)生變化，通過添加再生劑可以重新恢復(fù)瀝青化學(xué)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(fù)老化瀝青化學(xué)組分的平衡
02 MDSC調(diào)制差式掃描量熱法
使用MDSC法測試時，需要分別測試基質(zhì)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(zhuǎn)變溫度Tg，玻璃化轉(zhuǎn)變的高溫終止溫度Tg End。通常，通過Tg End指標(biāo)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(rèn)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(fā)生，即易發(fā)生開裂；而相反的，如果Tg End值顯著降低，則被認(rèn)為再生劑對瀝青的性能進(jìn)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(biāo)主要是羰基區(qū)域增長率Carbonyl Area(CA)Growth rate，CAg=CA-CA0，CAg指標(biāo)又與DSR試驗得到的G-R指標(biāo)共同用于瀝青的選擇和指標(biāo)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(yù)測
在項目研究的2A階段還曾選擇S-VECD簡單黏彈循環(huán)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(jìn)行試驗，并選擇了2個指標(biāo)作為疲勞開裂失效的評價指標(biāo)，分別是：
圖22：不同類型瀝青再生前后的S-VECD試驗結(jié)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(guī)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(xiàn)場瀝青混合料的動態(tài)模量和疲勞性能）。
圖23：現(xiàn)場取芯進(jìn)行小直徑（38mm）的動態(tài)模量和S-VECD試驗
為了進(jìn)一步推廣這種試驗方法，設(shè)備的制造商也在近年來對設(shè)備進(jìn)行升級，在SPT/AMPT瀝青混合料性能試驗機的基礎(chǔ)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(tài)力學(xué)性能評價方法在工程應(yīng)用中進(jìn)行普及。
SPT/AMPT瀝青混合料試驗儀的發(fā)展歷程
使用AMPT進(jìn)行S-VECD試驗評價瀝青混合料的疲勞性能
總結(jié)
縱觀NCHRP 927報告和推薦的AASHTO規(guī)范草稿，其推薦的技術(shù)指標(biāo)和試驗方法與我國的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有很大的差異，這與我國至今沒有普及Superpave PG分級試驗設(shè)備和瀝青混合料動態(tài)力學(xué)性能試驗設(shè)備有關(guān)。但近年來，瀝青路面設(shè)計規(guī)范已經(jīng)發(fā)布實施，新版的JTG F40公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范和JTG E20瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程都會在近幾年內(nèi)陸續(xù)頒布實施，這些新的規(guī)范也開始大量吸收美國、歐洲的試驗方法，將我國的公路設(shè)計和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和方法與國際接軌，因此，有條件的單位率先進(jìn)行新方法的研究嘗試是合適的。雖然AASHTO的規(guī)范仍處于草稿階段，提出的指標(biāo)和方法是否能夠有效指導(dǎo)工程實踐都有待論證，但這些方向和指標(biāo)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(yīng)用水平。
筆者作為路面材料試驗設(shè)備的供應(yīng)商，水平有限，文中內(nèi)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(jìn)展和目前新的測試手段。
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