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                                    添加再生料的冷補瀝青混合料組成設計與性能評價
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                                    添加再生料的冷補瀝青混合料組成設計與性能評價
                                    2022年04月06日    閱讀量:32244    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

                                    摘 要

                                    為了多元化高效利用回收瀝青路面材(RAPM),考慮冷補液中的稀釋劑有再生老化瀝青功能,將RAPM應用于基質瀝青和SBS改性瀝青冷補混合料中,基于室內試驗綜合研究了冷補瀝青混合料配合比設計方法,分析了添再生料的冷補瀝青混合料力學性能、路用性能與疲勞特性,并驗證添加再生料冷補瀝青混合料的技術可行性。結果表明,濕劈裂強度對冷補瀝青摻量較為敏感,采用“修正馬歇爾法”以濕劈裂強度峰值確定冷補瀝青混合料的最佳冷補瀝青用量是合適的;摻加適量RAPM后基質瀝青冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度、貫入剪切強度、劈裂強度有顯著提高,RAPM摻量達到30%~40%時基質瀝青冷補混合料的各項路用性能、抗松散性能和疲勞壽命達到峰值,但是摻加RAPM對SBS改性瀝青冷補混合料低溫性能、水穩定性和疲勞性能有劣化影響,在RAPM摻量小于40%時,添再生料的冷補瀝青混合料路用性能依然良好。稀釋劑對老化SBS改性瀝青有再生功能,將RAPM應用于冷補瀝青混合料可有效提升廢舊瀝青路面材料的再生利用價值,保障冷補瀝青混合料的使用壽命瀝青網sinoasphalt.com。


                                    關鍵詞 道路工程 | 冷補瀝青混合料 | 廢舊瀝青路面材料 | 配合比設計 | 路用性能 | 性能評價


                                    瀝青路面坑槽、松散、剝落病害是我國高溫多雨、濕熱地區高速公路和城市主干道路主要的病害形式之一,尤其是在雨季或冰雪凍融后,若未及時修補,在車輛沖擊荷載產生的動水壓力下會加劇路面損害,嚴重危及行車安全、劣化路面服役壽命[1,2]。傳統的坑槽修補方式主要有冷補和熱補兩種方法,冷補瀝青混合料是一種全天候路面坑槽快速修補材料,具有可存儲性、施工簡單、開放交通快、節能環保等技術優勢,國內外對冷補瀝青混合料的研究與應用也最多[3-5]。禤煒安[6]基于馬歇爾穩定度試驗,對比了溶劑型、乳化型和反應型3種冷補瀝青混合料的初始強度。譚憶秋[7]等研究了SBS改性瀝青冷補瀝青混合料的冷補液組成配方,驗證了冷補瀝青混合料的抗凍性能,結果表明SBS改性瀝青摻制的冷補瀝青混合料抗凍性能優異,適用于對云貴川等潮濕地區。徐文、孟文專[8-9]研究了溶劑型冷補瀝青組成配方,分析了冷補瀝青混合料的施工和易性、初期和成型馬歇爾穩定度。馬全紅[10]、王佳旭[11]等采用低溫和易性試驗、凍融劈裂試驗、浸水前后馬歇爾試驗和車轍試驗研究了冷補瀝青混合料的初始強度、水穩定性和高溫穩定性。劉曉文[12]、李峰[13]基于冷補瀝青混合料強度形成機理、施工性能和路用性能要求,提出冷補瀝青混合料的評價指標及技術要求。張爭奇[14-16]等研究了采用正交試驗確定了溶劑型冷補瀝青液、水性環氧樹脂冷補瀝青的組成比例,提出采用馬歇爾穩定度試驗、黏附性試驗和車轍試驗評價冷補瀝青混合料使用性能。孫朝杰[17]等研究了聚酯纖維摻量對冷補瀝青混合料水穩定性和抗松散性能的影響??偨Y已有研究成果可以發現,國內外對冷補瀝青液組成配比、冷補瀝青混合料路用性能、施工性能評價指標及技術要求有了系統研究,為冷補瀝青混合料推廣應用奠定了良好基礎。


                                    目前我國瀝青路面已經進入大規模養護維修期,全國每年產生的廢舊瀝青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement Material)高達數千萬噸,這個數字還在以每年約15%的速度增長,RAPM多元化高效利用可以發揮舊料價值,降低材料成本。RAPM再生利用主要包含集料再利用和老化瀝青性能再生,傳統冷再生技術將RAP充當“黑色集料”使用,應用層位較低,而熱再生技術實現了老化瀝青部分性能恢復和廢舊集料再利用,但是熱再生對舊料利用程度低。冷補瀝青中煤油、柴油、汽油等稀釋劑比例高達20%~30%,根據老化瀝青再生“相容性理論”、“組分調節理論”,稀釋劑有稀釋、滲透功能,能夠提高老化瀝青中的芳香分含量、降低瀝青質的相對含量,實現瀝青組分配比的協調,將RAPM應用于冷補瀝青混合料既保證RAPM在冷補瀝青混合料中摻量,稀釋劑的再生瀝青作用又實現了老化瀝青性能恢復。但是已有研究成果多側重于冷補瀝青液組成配比和冷補瀝青混合料性能改善方面,尚未開展有關摻再生料冷補瀝青混合料強度特性、路用性能和疲勞性能等研究工作。為了探討添加再生料冷補瀝青混合料的技術可行性,本研究將RAPM應用于冷補瀝青混合料當中,基于室內試驗研究探討RAPM摻量對冷補瀝青混合料力學強度、路用性能、疲勞性能的影響,研究成果為高效多元化利用RAPM提供思路,也為摻再生料冷補瀝青混合料推廣應用提供借鑒。


                                    試驗材料

                                    冷補瀝青由瀝青膠結料、稀釋劑、添加劑等組分按照一定的比例均勻溶解配制而成,目前冷補瀝青主要有溶劑型、乳化型和反應型3種,溶劑型冷補瀝青因成本低、施工和易性好等優勢,國內對溶劑型冷補瀝青的研究與應用也最多。本文采用3種溶劑型冷補瀝青,基質瀝青選用秦皇島70#道路石油瀝青,改性瀝青選用4.5%SBS摻量的SBS改性瀝青(I-D),瀝青各項技術性能滿足JTG F40-2004規范要求。稀釋劑為-10#柴油,添加劑為陜西路邦LB-1型冷補瀝青添加劑?;|瀝青冷補膠結料主要配方為:基質瀝青75%、-10#柴油稀釋劑23%、LB-1添加劑2%,制備溫度為110℃,剪切30min。

                                    改性瀝青冷補膠結料主要配方為:SBS改性瀝青72%、-10#柴油稀釋劑26%、LB-1添加劑2%(材料配比為質量比,下同)。制備溫度為130℃,剪切45min。

                                    回收瀝青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement Material,RAPM)來源于山西某高速公路上中面層SBS改性瀝青混合料,篩除大于20mm粒徑顆粒后將RAM篩分后分為0~3、3~10、10~15、15~20mm共4檔,RAP主要性能指標滿足JTG F41-2008規范要求。新集料采用石灰巖碎石JTG F41-2008規范要求。新集料采用石灰巖碎石指標滿足JTG F40-2004規范要求。根據原材料篩分試驗結果和實體工程實踐經驗,選用JTG F40-2004推薦的LB-13細粒式冷補瀝青混合料礦料級配,RAP摻量分別為0、20%、40%、50%、60%,合成級配見表1。


                                    摻再生料的冷補瀝青混合料配合比設計

                                    目前國內外主要采用馬歇爾穩定度試驗和紙跡試驗綜合確定冷補瀝青混合料的最佳冷補瀝青用量。室內試驗發現,馬歇爾穩定度隨冷補瀝青用量增大的變化規律不明顯,滿足設計初始和成型馬歇爾穩定度要求的冷補瀝青用量未必是最佳值,通過觀察試紙上墨跡(油斑)數量和分布情況判斷冷補瀝青用量是否合適,無定量評價指標和評判標準,冷補瀝青用量的檢驗主要取決于工程經驗。借鑒JTG F41-2008《公路瀝青路面再生技術規范》廠拌乳化瀝青冷再生混合料配合比設計方法,采用“修正馬歇爾法”確定冷補瀝青混合料最佳冷補瀝青用量,并輔以紙跡試驗驗證。參考文獻[4-7]預估冷補瀝青混合料的最佳冷補瀝青含量為4.8%,考慮到RAPM表面有瀝青膜裹附,受柴油稀釋劑浸泡后老化瀝青可能會被還原,恢復部分黏結作用,因此適當降低了冷補瀝青用量。試驗時以4.4%為中值間隔0.4%變化5組瀝青用量,正反各擊實50次成型馬歇爾試件,不脫模在110℃烘箱中養生24h,取出后冷卻至60℃后趁熱再雙面各擊實25次,完成標準馬歇爾試件制備。將馬歇爾試件在25℃水浴中保溫24h,進行劈裂強度試驗。試驗加載速率50mm/min,試驗結果見圖1。

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                                    由圖1試驗結果可知,隨著冷補瀝青用量增大,冷補瀝青混合料的劈裂強度出現先增大后減小的變化趨勢,在3.6%~5.2%冷補瀝青用量范圍內,12組冷補瀝青混合料劈裂強度均出現了峰值,劈裂強度隨冷補瀝青用量增大有明顯的規律性,對于基質瀝青冷補混合料,在RAP摻量下的0、20%、30%、40%、50%、70%,冷補瀝青混合料峰值劈裂強度對應的冷補瀝青用量分別為4.8%、4.5%、4.3%、4.0%、3.9%、3.8%;SBS改性瀝青冷補混合料,在0、20%、30%、40%、50%、70%RAP摻量下,冷補瀝青混合料峰值劈裂強度對應的冷補瀝青用量分別為4.9%、4.7%、4.4%、4.1%、3.9%、3.8%,可以發現,隨著RAP摻量增大,冷補瀝青混合料的峰值劈裂強度對應的最佳冷補瀝青用量減小,分析以為,RAPM表面被老化瀝青砂漿包裹,冷補瀝青混合料在拌和合、養生階段,老化瀝青被柴油等溶劑浸泡后析出、融化,老化瀝青可能被還原,起到了新瀝青的黏結作用。隨著RAP摻量增大,峰值劈裂強度先顯著增大后緩慢降低,2種冷補瀝青混合料均在RAP摻量為30%時劈裂強度達到最大,相同試驗條件,SBS改性瀝青冷補瀝青混合料的劈裂強度比基質瀝青冷補混合料增大了40%~60%。進一步采用紙跡試驗驗證峰值強度確定最佳冷補瀝青含量的合理性,結果發現,油斑墨點接近于冷補瀝青混合料顆粒與白紙接觸面積,冷補瀝青混合料光澤明亮、無流淌、離析,墨跡無連結成塊和分散現象,說明瀝青用量合適。綜上,以峰值劈裂強度確定的最佳冷補瀝青含量可較好區分不同改性瀝青種類、劈裂強度對冷補瀝青含量較為敏感,試驗數據規律明確,試驗方法受力明確,采用“修正馬歇爾法”以濕劈裂強度峰值確定冷補瀝青混合料的最佳冷補瀝青用量是合適的。


                                    冷補瀝青混合料強度特性

                                    馬歇爾穩定度

                                    在上述最佳瀝青用量條件下正反各擊實75次成型標準馬歇爾試件,不脫模在30℃恒溫水浴中養生3h,接著脫模,測試冷補瀝青混合料的初始馬歇爾穩定度。測試初始強度試為了保證冷補瀝青混合料修補坑槽時,初期開放交通不致產生輪跡或者嚴重車轍病害。正反各擊實50次成型馬歇爾試件,不脫模在110℃烘箱中養生24h,取出后冷卻至室溫后再雙面各擊實25次,脫模后在30℃恒溫水浴中養生3h后測試成型馬歇爾穩定度,測試成型強度是為了保證冷補瀝青混合料能有足夠的結構強度。馬歇爾穩定度試驗結果見圖2。

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                                    由圖2可以發現,在最佳冷補瀝青用量下,12組冷補瀝青混合料的初始、成型馬歇爾穩定度均大于規范要求的3.5、5kN。相同RAPM摻量,使用SBS改性冷補膠結料的冷補瀝青混合料比基質瀝青冷補膠結料有更高的初始和成型馬歇爾穩定度。對于基質瀝青冷補混合料,RAPM摻量為20%、30%、40%、50%、70%時,初始馬歇爾穩定度比為未摻RAPM的冷補瀝青混合料的1.27、1.5、1.16、1.05、0.96倍,成型馬歇爾穩定度為未摻RAPM的冷補瀝青混合料的1.23、1.34、1.25、1.04、0.95倍。對于SBS改性瀝青冷補混合料,RAPM摻量為20%、30%、40%、50%、70%時,初始馬歇爾穩定度比為未摻RAPM的冷補瀝青混合料的1.19、1.47、1.26、1.14、0.98倍,成型馬歇爾穩定度為未摻RAPM的冷補瀝青混合料的1.33、1.44、1.21、1.9、0.96倍,表明隨著RAPM摻量增大,2種冷補瀝青混合料的初始、成型馬歇爾穩定度先增大后減小,在RAP摻量為30%時馬歇爾穩定度達到最大,RAPM摻量在70%時,再生料冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度小于未摻再生料冷補瀝青混合料。分析以為,RAPM表面有老化瀝青砂漿裹附,在柴油稀釋劑浸泡后老化瀝青可能會被還原,起到了新瀝青的作用,RAPM與老化瀝青砂漿作用時間長,二者的界面黏附強度大于冷接觸條件下的瀝青與新集料界面作用,稀釋劑有再生老化瀝青功能,使得冷補瀝青混合料內部的界面黏附強度和瀝青膠漿之間的黏結強度有所提高,再者,受行車荷載作用和銑刨、破碎的二次加工的破壞作用,RAPM力學強度降低、級配變形性大,這些都對馬歇爾穩定度有不利影響。此外,隨著RAPM摻量增大,而稀釋劑的再生老化瀝青能力有限,表面老化瀝青未被還原的RAPM僅作為黑色集料,綜合反映在馬歇爾穩定度先增大后減小。


                                    貫入剪切強度

                                    采用旋轉壓實成型直徑100mm、高100mm圓柱體試件,加載速率1mm/min,試驗溫度為60℃,貫入剪切強度試驗方法及試驗數據處理嚴格參照JTG D50-2017附錄F進行,貫入應力系數取0.34,試驗結果見圖3。

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                                    由圖3貫入剪切試驗結果可知,SBS改性瀝青冷補混合料的貫入剪切強度比基質瀝青冷補混合料增大了18%~38%,隨著RAPM摻量增大,冷補瀝青混合料的貫入剪切強度先增大后減小,基質瀝青冷補瀝青混合料在RAPM摻量為20%、30%、40%、50%、70%時,貫入剪切強度分別為0.42、0.49、0.44、0.4、0.32MPa,未摻RAPM的冷補瀝青混合料貫入剪切強度僅為0.34MPa,RAPM摻量為30%時貫入剪切強度達到最大值,摻加20%、30%、40%、50%RAPM的冷補混合料比未摻再生料的冷補瀝青混合料貫入剪切強度提高了23.5%、44.1%、29.4%、17.6%。SBS改性瀝青冷補瀝青混合料在RAPM摻量為20%、30%、40%、50%、70%時,貫入剪切強度分別為0.51、0.58、0.54、0.48、0.41MPa,摻加20%、30%、40%、50%RAPM摻量的冷補混合料比未摻再生料的冷補瀝青混合料貫入剪切強度提高了8.5%、23.4%、14.8%、2.1%??偨Y主要由2個方面引起,RAP表面老化瀝青稠度大,且為SBS改性瀝青,老化瀝青與新瀝青、稀釋劑交融后相比未摻RAPM冷補液有更大的黏度,從而抗變形能力提高。再者,RAPM力學強度低、棱角性差且級配變異性大,隨著RAPM摻量增大,RAPM粗集料之間的骨架嵌擠作用受RAPM的劣化作用影響越明顯,綜合反映在抗剪切強度先增大后減小的變化趨勢。


                                    冷補瀝青混合料路用性能

                                    低溫性能

                                    采用預切口半圓彎拉試驗、低溫小梁彎曲試驗綜合評價冷補瀝青混合的低溫抗裂性能,試驗溫度采用-10℃。半圓彎拉試驗采用直徑150mm,厚度30mm半圓試件,預切口深度10mm,試驗加載速率2.54mm/min,用于模擬冷補瀝青路面開裂后,冷補瀝青混合料抵抗裂縫發展的能力,試驗評價指標為開裂應變能。低溫小梁彎曲試驗試件尺寸250mm×35mm×35mm,試件有效跨徑200mm,試驗加載速率50mm/min,試驗評價指標為彎拉強度和彎曲破壞應變試驗結果見表2。

                                    由表2可見,對于基質瀝青冷補混合料,隨著RAPM摻量增大,開裂應變能、彎拉強度、彎曲破壞應變均呈先增大后減小的變化趨勢,在RAPM摻量為30%時低溫抗裂性能最優,在RAPM摻量20%~40%范圍內,再生料冷補瀝青混合料的開裂應變增大了36.1%~60.2%、彎拉強度增大了4.2%~12.5%、彎曲破壞應變增大了11.9%~33.5%。而對于SBS改性瀝青冷補混合料,相比未參加RAPM的冷補瀝青混合料,在RAPM摻量20%、30%、40%、50%、70%條件下,開裂應變能降低了10.8%、16.2%、19.8%、24.7%、32.4%,彎拉強度降低了4.9%、7.3%、10.4%、14.8%、18.8%,彎曲破壞應變降低了8.8%、13.7%、18.9%、22.2%、28.9%?;|瀝青冷補混合料低溫性能隨RAPM摻量增加的變化趨勢與改性瀝青冷補混合料不同,總結主要有3個方面原因,瀝青老化后變硬、變脆,低溫延展性和釋放荷載能力降低,RAPM摻量越大,老化瀝青數量越多,RAPM削弱冷補瀝青混合料低溫性能越明顯。隨著RAPM摻量增大,最佳冷補瀝青含量降低,冷補瀝青混合料柔性降低、低溫變形能力衰退。摻加稀釋劑對老化瀝青性能有一定恢復功能,老化SBS改性瀝青的性能得到再生,再生后的SBS改性瀝青低溫性能優于基質瀝青,但仍不如老化前的SBS改性瀝青。綜合反映在冷補瀝青混合料低溫性能的提高和衰減。


                                    水穩定性

                                    采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價冷補瀝青混合料的水穩定性,試驗方法參照JTG E20-2011進行,結果見表3。

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                                    由表3可知,使用SBS改性瀝青冷補液,冷補瀝青混合料凍融劈裂強度比和馬歇爾殘留穩定度均隨RAPM摻量增大而降低,基質瀝青冷補混合料隨RAPM摻量增大總體呈下降趨勢,在RAPM摻量為20%~40%時馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比略有提高。不同RAPM摻量的冷補瀝青混合料,凍融劈裂強度比大于85%、馬歇爾殘留物穩定度大于90%,說明冷補瀝青混合料有良好的水穩定性,RAPM摻量對冷補瀝青混合料水穩定性的負面影響不大。


                                    高溫穩定性

                                    冷補瀝青混合料修補坑槽,在服役期間行車荷載的壓密作用后形成低洼結構面,修補處易受車輛的沖擊荷載作用,這對冷補瀝青混合料的高溫變形能力提出了更高要求。采用車轍試驗評價冷補瀝青混合料的高溫穩定性,試驗溫度60℃,車轍試件厚5cm,試驗加載速率42次/min,以車轍試驗動穩定度、加載60min車轍變形量為評價指標,試驗結果見表4。

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                                    由表4可知,2種冷補瀝青混合料的車轍試驗動穩定度隨著RAPM摻量增大而增大,車轍變形量隨RAPM摻量增大而減小,在20%、30%、40%、50%、70%RAPM摻量下,基質瀝青冷補混合料的動穩定度增大了8.9%、30%、36.8%、46%、59.3%,60min車轍變形量減小了7.4%、12.6%、18%、23.4%、27%,SBS改性瀝青冷補混合料的動穩定度增大了7.9%、19.1%、32.7%、36.2%、42.2%,60min車轍變形量減小了9.9%、16.7%、24.5%、25.5%、27.9%,由此可見,摻加RAPM有利于提高冷補瀝青混合料的抗變形能力,RAPM摻量越大,冷補瀝青混合料的高溫性能越好。


                                    抗松散性能

                                    采用肯塔堡分散試驗評價冷補瀝青混合料黏結性和模擬車輛荷載作用下集料脫落而散失的程度,試驗方法、步驟參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(T0733-2011)進行,以冷補瀝青混合料馬歇爾試件在洛杉磯試驗儀中撞擊100、300次,冷補瀝青混合料試件散落材料的質量的百分比表示。試驗結果見表5。

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                                    由表5可知,分散撞擊100次的冷補瀝青混合料分散質量損失率小于10%,相同撞擊次數,改性瀝青冷補混合料的質量損失遠小于基質瀝青冷補混合料,隨著RAPM摻量增大,基質瀝青冷補混合料抗松散性能先是略有提升后緩慢降低,SBS改性瀝青冷補混合料松散質量損失隨RAPM摻量增大呈線性關系增大,松散質量損失越小,冷補瀝青混合料的黏結力越高、抗松散性能越好,由此可見SBS改性瀝青冷補瀝青混合料的抗松散性能優于基質瀝青冷補混合料,摻加20%~40%RAPM有利于提高基質瀝青冷補混合料的抗松散性能,但RAPM對改性瀝青冷補混合料抗松散性能有劣化影響。分析其原因,老化SBS改性瀝青受稀釋劑還原作用后黏結力優于基質瀝青,但瀝青老化與再生是不可逆過程,老化瀝青性能不可能完全被恢復,再生后的瀝青性能不如SBS原樣瀝青。


                                    冷補瀝青混合料疲勞特性

                                    按照JTG E20-2011進行四點彎曲疲勞試驗試驗方法T0739-2011),試驗選擇300με、400με、600με、1000με的4個應變水平,試驗溫度為20℃,結果見表6。

                                    由表6可知,隨著應變水平增大,冷補瀝青混合料疲勞壽命呈指數函數關系減小,在應變水平與疲勞壽命的雙對數坐標內二者呈良好的負線性相關性,擬合優化度R^2大于0.95。對于基質瀝青冷補瀝青混合料,隨著RAPM摻量增大,相同應變水平下的疲勞壽命呈先增大后減小的變化趨勢,在RAPM摻量在30%時疲勞壽命出現峰值,RAPM摻量達到70%時疲勞壽命將小于普通冷補瀝青混合料,因此當使用基質瀝青冷補液時,應控制RAPM摻量在30%~40%為宜。與基質瀝青冷補混合料不同,隨著RAPM摻量增大,SBS改性瀝青冷補混合料相同應變水平下的疲勞壽命呈遞減趨勢衰減,RAPM摻量20%~70%范圍內,300、400、600、1000με水平下的疲勞壽命分別降低3.9%~51.7%、18.5%~93.6%、15.3%~203.1%、16.1%~340.6%,應變水平越高,增大RAPM摻量對改性瀝青冷補混合料疲勞壽命的劣化影響越嚴重。


                                    結論

                                    a.隨著冷補液用量增大,冷補瀝青混合料的濕劈裂強度先增大后減小,濕劈裂強度對冷補瀝青摻量較為敏感,采用“修正馬歇爾法”以濕劈裂強度峰值確定冷補瀝青混合料的最佳冷補瀝青用量是合適的。隨著RAPM摻量增大,冷補瀝青混合料的峰值劈裂強度對應的最佳冷補瀝青用量減小,貫入剪切強度、劈裂強度、馬歇爾穩定度隨RAPM摻量增大而降低。

                                    b.表面層和中面層銑刨的RAPM中含有大量老化SBS改性瀝青,冷補液中稀釋劑對老化瀝青有再生功能,老化瀝青與冷補液混融后基質瀝青冷補瀝青混合料的高低溫性能、水穩定性和抗疲勞性能有顯著改善。將RAPM應用于冷補瀝青混合料可有效提升廢舊瀝青路面材料的再生利用價值,具有推廣應用價值。

                                    c.RAPM摻量對冷補瀝青混合料抗松散性能、路用性能和疲勞性能的影響較為敏感,綜合考慮,建議用于冷補瀝青混合料的適宜RAPM摻量為30%~40%。

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                                    標簽:施工案例,技術中心,再生瀝青,瀝青混凝土,改性瀝青
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