不添加瀝青的路面瀝青混合料再生新方法＊

舒立恒 葛折圣

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510641）

0 引 言

在現(xiàn)有路面的改造工程中，回收的瀝青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）常被用作面層的原料，而不是廢料丟棄.再生瀝青混合料的用量因?yàn)r青高價(jià)格，集料的稀缺，廢料產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題而大大增長(zhǎng)［1］.

過(guò)去30年涌現(xiàn)出許多再生方法，例如，廠拌熱再生、就地?zé)嵩偕瑥S拌冷再生、就地冷再生.對(duì)于這2種冷再生，RAP可作為集料被利用，且在生產(chǎn)再生料時(shí)不需要額外加熱.再生時(shí)，在拌和站或現(xiàn)場(chǎng)將RAP與新的乳化瀝青或泡沫瀝青，再生劑混合攪拌，有時(shí)可能還要加入新的集料來(lái)改善級(jí)配［2－5］.

與熱再生相比，冷再生的最大優(yōu)點(diǎn)在于原有的路面材料RAP能被完全利用，以一定的比例混合RAP和新料，舊路面的廢料可以被完全利用.大量在瀝青混合料中使用RAP降低了成本和能源，節(jié)省了瀝青和集料，降低了生產(chǎn)過(guò)程中的廢料.冷再生也可以延長(zhǎng)施工季節(jié)，減少環(huán)境污染.

冷再生混合料技術(shù)成為道路工程中的熱門(mén)研究方向，但現(xiàn)有的瀝青路面冷再生方法只將RAP當(dāng)做集料，另外添加瀝青作為皎潔料.RAP中的老化瀝青固然喪失了許多性能，但它和再生劑混合后也可作為一種有效的膠結(jié)料使用.因此，對(duì)老化瀝青的再生可以進(jìn)一步促進(jìn)冷再生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.

文中提出一種新的瀝青混合料常溫再生方法，在不添加新瀝青的情況下有效再生RAP中的舊瀝青；然后用RAP制備了標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾芯樣和APA試樣.隨后比較常溫乳化再生混合料與乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和疲勞性能，分析得出結(jié)論.

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料

回收瀝青路面材料采用某高速公路維修工程的RAP.燃燒試驗(yàn)表明油石比為4.3%.篩分結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 燃燒試驗(yàn)后的RAP級(jí)配

從老化瀝青混合料中抽提得到的瀝青性能見(jiàn)表2.

表2 從RAP中提取出瀝青的性能

水泥選用32.5號(hào)的普通硅酸鹽水泥，在混合料中質(zhì)量比為1.5%.

再生劑對(duì)石油瀝青有很大的溶解能力，且為了不影響再生混合料的性能，再生劑要有很好的揮發(fā)性，起到充分溶解老化瀝青效果之后，要適時(shí)及時(shí)揮發(fā)完全，在此基礎(chǔ)上，還要考慮到環(huán)保問(wèn)題，盡量選擇易揮發(fā)低毒的有機(jī)溶劑.選擇的溶劑為二甲苯.

選擇W－5型乳化劑，一種陽(yáng)離子慢裂木質(zhì)素胺瀝青乳化劑.易溶于水和酸溶液，對(duì)瀝青有很好的乳化效果.

改性劑是一種細(xì)粒徑的丙烯酸共聚物乳液，呈白色，其具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和分散性，通過(guò)摻入改性劑，提高混合料強(qiáng)度、變形能力和水穩(wěn)定性.

所以材料RAP配比見(jiàn)表3.

表3 RAP配比 %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件成型與養(yǎng)生方法

首先，在RAP中加入溶劑，拌和3min，以溶解其中的老化瀝青.由圖1b）可見(jiàn)，RAP中溶出了一定量的液體瀝青.

其次，加入乳化劑和水，拌和2min.由圖1c）可見(jiàn)，乳化劑與液體瀝青相互作用生成了乳化瀝青.

最后加入水泥，拌和1.5min.獲得再生混合料如圖1d）所示.

采用馬歇爾擊實(shí)儀，雙面擊實(shí)75次成型馬歇爾試件.

在60℃烘箱中養(yǎng)生3d，脫模；然后放回60℃烘箱中，養(yǎng)生之恒重.

采用振動(dòng)壓實(shí)機(jī)成型梁式試件用于浸水疲勞試驗(yàn)，試件尺寸為300mm×125mm×75mm.成型后60℃烘箱養(yǎng)生至質(zhì)量損失小于2%，然后脫模，繼續(xù)60℃烘箱養(yǎng)生至恒重，即養(yǎng)生結(jié)束.

圖1 用新方法制備再生瀝青混合料

1.2.2 再生混合料的老化再生方法

室內(nèi)短期老化和長(zhǎng)期老化方法處理經(jīng)過(guò)初次再生的5種配比的混合料.短期老化是將拌好的混合料在搪瓷盤(pán)中均勻攤鋪，控制松鋪厚度約為20kg／m2.混合料放入135℃強(qiáng)制通風(fēng)的烘箱中，加熱4h，每個(gè)小時(shí)均用鏟在裝有混合料的搪瓷盤(pán)中翻拌一次混合料.待加熱時(shí)間達(dá)4h后，將混合料從烘箱取出，待用.

長(zhǎng)期老化是將短期老化的混合料在搪瓷盤(pán)中均勻攤鋪，放入85℃強(qiáng)制通風(fēng)的烘箱中，連續(xù)加熱120h.等到達(dá)指定加熱時(shí)間后取出混合料，在冷卻過(guò)程中不斷翻拌瀝青混合料，避免結(jié)塊，待用.

1.2.3 浸水劈裂試驗(yàn)方法

將養(yǎng)生結(jié)束后馬歇爾試件放入25℃恒溫水箱中養(yǎng)生23h，然后放入15℃恒溫水箱中養(yǎng)生1h.在MTS－810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行劈裂試驗(yàn).試驗(yàn)溫度15℃，加載速率為50mm／min.

1.2.4 劈裂疲勞試驗(yàn)方法

用MTS－810作為試驗(yàn)儀器.研究結(jié)果表明，雖然全國(guó)各地氣溫的有很大變化，但就瀝青混合料來(lái)說(shuō)，疲勞破壞溫度主要集中在13～15℃之間，這個(gè)溫度剛好是北方春融期及南方地區(qū)雨季的溫度.這個(gè)季節(jié)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)有很明顯的減弱，是其抗疲勞性能最不利時(shí)期［6］.“公路瀝青路面的設(shè)計(jì)規(guī)范”中采用的是15℃容許拉應(yīng)力的參考值，因此，劈裂疲勞試驗(yàn)溫度為15℃.

加載頻率為10Hz；荷載波形為半正矢波；應(yīng)力比為0.3，0.5，0.7.在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)之前，對(duì)表1中5種配比的再生混合料進(jìn)行15℃劈裂試驗(yàn)，以便能確定在不同的應(yīng)力水平下所應(yīng)對(duì)試件施加的荷載值.

1.2.5 浸水疲勞試驗(yàn)

采用瀝青路面分析儀（asphalt pavement analyzer，APA）進(jìn)行浸水疲勞試驗(yàn).

該設(shè)備主要由加載系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、水浴系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和操作面板等部分組成.采用APA進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，一次測(cè)試3個(gè)梁式試件.APA共有左、中、右3個(gè)加載輪，在被測(cè)試試件和加載輪之間有充氣橡膠管，試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)加載凹形輪在充氣橡膠管上來(lái)回作用來(lái)模擬車(chē)輛在行駛過(guò)程中對(duì)瀝青路面的作用.加載輪以一定的壓力在試驗(yàn)試件上往返運(yùn)動(dòng)，傳感器自動(dòng)采集試件表面豎向的位移變形量，然后傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng).加載過(guò)程見(jiàn)圖2.每運(yùn)行一次加載輪，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)一次.

圖2 APA試驗(yàn)機(jī)的加載裝置

浸水疲勞試驗(yàn)過(guò)程中將試件和橡膠管都浸入水中，在加載輪來(lái)回作用的時(shí)候，當(dāng)其運(yùn)行至某處，則該處將會(huì)因?yàn)槭艿捷^大的壓力而使橡膠管產(chǎn)生較大的變形，這樣橡膠管和試件表面的水會(huì)被擠走，當(dāng)加載輪移走之后水又重新涌入.加載輪的往返作用使水不斷被擠出和涌入混合料內(nèi)部，以此形成對(duì)瀝青混合料的沖刷，從而使得瀝青膜剝落、集料松散，最終導(dǎo)致瀝青混合料的粘結(jié)力下降，強(qiáng)度隨之降低.

試驗(yàn)溫度為15℃，疲勞試驗(yàn)輪壓為1 113N，受力模式為簡(jiǎn)支梁形式，試件的下半部處于彎拉狀態(tài).

疲勞破壞判據(jù)：位移傳感器第N次測(cè)得豎向的位移變形量和在此之前10次測(cè)得的豎向位移變形平均值之差達(dá)預(yù)先設(shè)定的位移差值（rate of change，ROC）時(shí)，操作系統(tǒng)即認(rèn)為試件已破壞.在美國(guó)ASTM中推薦ROC值為1mm，因?yàn)楫?dāng)試件趨近斷裂或者撓度很大時(shí)的ROC值在1.0 mm左右.當(dāng)在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中測(cè)得差值超過(guò)1.0 mm時(shí)，試驗(yàn)將自動(dòng)停止［7］.

2 結(jié)果及分析

2.1 浸水劈裂試驗(yàn)結(jié)果

初始再生的瀝青混合料的浸水劈裂強(qiáng)度及破壞時(shí)的最大變形量見(jiàn)表4.

表4 初次再生瀝青混合料的浸水劈裂強(qiáng)度及最大變形量

由表5可以見(jiàn)，前4組常溫溶解乳化再生混合料的浸水劈裂強(qiáng)度是對(duì)比組常規(guī)乳化瀝青冷再生混合料的1.6～2.3倍；隨著乳化劑加量的減少，再生混合料的浸水劈裂強(qiáng)度逐漸減小，表明乳化劑對(duì)試件浸水劈裂強(qiáng)度貢獻(xiàn)較改性劑大；除配比2外，其他各組常溫溶解乳化再生混合料的最大變形量均大于對(duì)比組常規(guī)乳化瀝青冷再生混合料；隨著改性劑加量增多變形量呈現(xiàn)增大（減小吧）趨勢(shì)，表明改性劑很好的改善了初次再生混合料的變形性能.

2.2 劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果

各應(yīng)力水平下初次再生的瀝青混合料的疲勞壽命見(jiàn)圖3.

圖3 不同應(yīng)力水平下初次再生混合料的疲勞壽命的比較

由圖3可知，前4組常溫溶解乳化再生混合料的劈裂疲勞性能明顯優(yōu)于 對(duì)比組常規(guī)乳化瀝青冷再生混合料；隨著應(yīng)力比的增加，疲勞壽命逐漸降低，幾種再生混合料的疲勞壽命更加接近.

2.3 APA浸水疲勞試驗(yàn)結(jié)果

APA疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，試件呈現(xiàn)的彎拉破壞特征，試件中部變形量最大，底部出現(xiàn)明顯裂紋，為有底向上裂紋.

再生混合料的APA浸水疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 再生混合料APA浸水疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，前4組再生混合料的浸水疲勞壽命是對(duì)比組再生混合料的1.3～2.1倍；其中配比2和配比3的疲勞性能更為突出，表明乳化劑和改性劑的共同作用對(duì)浸水疲勞性能的貢獻(xiàn)較大；前4組再生混合料的浸水疲勞試件的最大變形量為對(duì)比組的1.1～1.2倍.結(jié)果表明常溫溶解乳化再生混合料疲勞性能優(yōu)于乳化瀝青冷再生混合料.

3 結(jié)束語(yǔ)

文中提出一種新的瀝青混合料常溫再生方法，在RAP中添加溶劑和乳化劑，有效再生RAP中的老化瀝青，初次再生混合料的劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和疲勞性能均優(yōu)于乳化瀝青冷再生混合料.其中配比2（1.5%溶劑、0.1%乳化劑、0.05%改性劑）的再生混合料的劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和疲勞性能損失率較低，表明改性劑和乳化劑的共同作用有利于提高再生混合料的耐久性.在室內(nèi)試驗(yàn)證明了這種新再生方法的適用性.

其中，配比2再生混合料的劈裂強(qiáng)度2.3倍于現(xiàn)有的乳化瀝青冷再生混合料；配比2再生料的疲勞壽命在不同的應(yīng)力比下均數(shù)倍于乳化瀝青冷再生混合料，低應(yīng)力比下疲勞壽命增加的倍數(shù)更多；在模擬路面浸水行車(chē)的APA中，配比2的混合料性能達(dá)到乳化瀝青冷再生混合料的1.2倍.

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［5］PETER E.Performance of cold In－place recycling in Nevada［J］Transportation Research Record，2004，1896：162－169.

［6］王旭東，沙愛(ài)民，許志鴻.瀝青路面材料動(dòng)力特性與動(dòng)態(tài)參數(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［7］吳 平，崔 鵬，謝 軍.APA瀝青混合料疲勞性能試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2003（1）：86－89.