基于SCB-DIC试验的厂拌热再生沥青混合料生产工艺参数优化与抗裂机理研究

《Applied Research》：Optimization of Production Process Parameters and Anti-Cracking Mechanism of Plant-Mixed Hot Recycling Asphalt Mixture Through SCB-DIC Testing

　　

厂拌热再生技术能够实现回收沥青路面材料（RAP）的高效资源化利用；然而，所得混合料的抗裂稳定性通常劣于新拌混合料，且其开裂演化机制仍认识不足。本研究考察了六个核心生产参数的影响：RAP预热温度、新集料预热温度、沥青预热温度、拌和温度、拌和制度及RAP掺量。设计混合水平正交试验进行多因素耦合测试。采用半圆弯曲（SCB）试验结合数字图像相关（DIC）技术，精确捕获包括裂纹萌生、稳定扩展和失稳破坏的完整开裂演化过程。采用三个评价指标——柔度指数（FI）、开裂能（CIE）和能耗率（ECR）——系统分析各工艺参数对抗裂性能的主次影响。此外，引入细观结构均匀性分析，探究工艺参数、细观结构特征与宏观抗裂性能之间的关系。结果表明：生产工艺参数对再生混合料综合性能的影响按降序排列为：拌和时间制度＞RAP掺量＞RAP预热温度＞新集料预热温度＞沥青预热温度＞拌和温度。值得注意的是，拌和制度似乎是唯一能够同时控制细观结构均匀性和宏观抗裂性能的参数，且不等步长多阶段拌和优于等步长拌和。研究结果揭示了裂纹萌生与扩展的差异化控制机制：前者主要与集料-沥青界面粘结有关，后者则与胶浆完整性和集料骨架稳定性相关。兼顾开裂萌生与扩展抗力的最优工艺组合确定为：RAP掺量40%、RAP预热温度150°C、新集料预热温度200°C、沥青预热温度180°C、拌和温度180°C，以及4分钟不等步长分级拌和。这些发现为优化厂拌热再生沥青混合料的生产工艺和控制开裂提供了理论基础和技术指导。

厂拌热再生沥青混合料生产工艺参数优化与抗裂机理研究解读

厂拌热再生技术虽已相对成熟，但RAP中老化沥青的脆性、新旧沥青融合不充分以及界面粘结退化，导致再生混合料抗裂性能显著低于新拌混合料。裂缝是最常见的路面病害，威胁行车安全并诱发水损坏，因此抗裂性能成为制约该技术发展的关键瓶颈。生产工艺参数对抗裂性能的影响呈多因素耦合与阶段差异特征：参数间相互作用调控老化沥青活化、集料裹附、新旧沥青融合和混合料均匀性等不同阶段；裂纹萌生与扩展的控制机制不同，萌生受局部弱点控制，扩展取决于整体胶浆韧性和骨架变形抗力。现有单因素试验难以全面阐明影响，且分级拌和时间的分配效应尚未探索，DIC在再生混合料中的应用也有限。为此，研究人员开展了本研究，相关成果发表于《Applied Research》。

研究人员采用混合水平正交试验，系统研究RAP掺量、RAP预热温度、新集料预热温度、沥青预热温度、拌和温度和拌和时间（含分级分配）六个参数；集成SCB试验与DIC技术，通过R曲线提取开裂能（CIE）和能耗率（ECR），结合柔度指数（FI）和细观结构均匀性分析，探究工艺参数对再生混合料抗裂性能的影响规律，提出最优工艺组合。在方法上，研究人员利用SPSS软件生成混合水平正交试验组合，共32组。对厂拌热再生SBS改性沥青混合料进行半圆弯曲（SCB）试验，试验温度为25°C，加载速率为50 mm/min；采用数字图像相关（DIC）技术实时监测全场变形与裂纹扩展，并通过分段拟合荷载-位移曲线计算柔度指数（FI）；基于DIC获取的裂纹长度和累积断裂能构建R曲线，计算开裂能（CIE）与能耗率（ECR）；最后采用极差分析法判定因素主次和最优水平。RAP来自某高速公路养护工程，再生剂为生物基再生剂，掺量为RAP中老化沥青质量的9%。

3.1 基于柔度指数的抗裂性能分析。通过MTS试验获取荷载-位移曲线，分段拟合后计算FI。结果表明：FI随沥青预热温度呈抛物线变化，160°C时最大；拌和时间及分段分配影响显著，不合适的分配会产生大量初始缺陷；RAP掺量在50%～60%时FI较高，70%时最低；新集料预热温度190°C时FI最高；拌和温度160°C最佳；RAP预热温度影响较小。极差分析显示，影响FI的主次顺序为：沥青预热温度（R=4.29）＞拌和时间（R=3.74）＞RAP掺量（R=3.24）＞新集料预热温度（R=2.53）＞拌和温度（R=1.82）＞RAP预热温度（R=1.77）。

3.2 基于CIE和ECR的全周期裂纹演化分析。利用DIC技术捕捉裂纹萌生与扩展全过程，以裂纹开口宽度50 μm为萌生判据，构建R曲线并计算CIE和ECR。计算结果表明：CIE受拌和时间影响最大（R=668.778），5 min不等步长拌和时最高；新集料预热温度升高至220°C时，界面粘结增强，CIE增大；RAP预热温度150°C时CIE最大。ECR随RAP掺量增加而显著降低，40%掺量时最大（64.21 J/m³），70%时最小（42.76 J/m³）；RAP预热温度150°C、4 min不等步长拌和、沥青预热180°C、新集料预热200°C时ECR最优。极差分析得出：影响CIE的因素排序为拌和时间＞新集料预热温度＞RAP预热温度＞沥青预热温度＞RAP掺量＞拌和温度；影响ECR的因素排序为RAP掺量＞RAP预热温度＞拌和时间＞沥青预热温度＞新集料预热温度＞拌和温度。排序差异表明裂纹萌生主要受界面粘结控制，而裂纹扩展主要受胶浆完整性和集料骨架稳定性控制。

3.3 生产工艺对抗裂性能的影响及最优组合确定。采用秩和评分法对三个指标进行综合评价，拌和时间总秩和分及权重均排第一，是调控抗裂性能的关键参数；RAP掺量排第二；RAP预热温度是温度参数中最关键的。综合极差分析和性能优先原则（ECR和FI优先于CIE），确定最优工艺组合为：RAP掺量40%、RAP预热温度150°C、新集料预热温度200°C、沥青预热温度180°C、拌和温度180°C、4 min不等步长分级拌和。

讨论部分指出，裂纹萌生与扩展存在差异化控制机制：萌生由界面粘结强度主导，扩展由胶浆韧性和骨架稳定性主导；拌和制度是唯一能同时控制细观均匀性和宏观抗裂性能的参数，不等步长多阶段拌和优于等步长拌和。研究结论如下：（1）再生混合料开裂控制具有明显阶段依赖性，萌生受界面粘结控制，扩展受胶浆完整性和骨架稳定控制，单一断裂能指标无法全面评价，CIE-ECR-FI多指标框架可精确表征全破坏过程。（2）生产工艺参数对综合性能的影响排序为：拌和制度＞RAP掺量＞RAP预热温度＞新集料预热温度＞沥青预热温度＞拌和温度；拌和制度是同时控制细观和宏观性能的关键参数，不等步长多阶段拌和综合优化效果更优。（3）参数适宜水平为：RAP预热150°C、新集料预热200°C、沥青预热180°C、拌和180°C，RAP掺量40%实现骨架与胶浆韧性最优平衡，以及4 min不等步长分级拌和。（4）施工控制应优先关注拌和制度、RAP掺量和RAP预热温度，其余温度参数维持规范范围即可，可根据项目需求差异化优化参数，实现初期抗裂与长期耐久性的协同提升。