廢機油再生劑對溫拌再生瀝青混合料性能影響研究

王志杰，付其林，黃亮，魏建國，王力揚 編譯

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；2.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司；3.山西路橋第二工程有限公司)

隨著廢舊瀝青混合料數(shù)量逐年增大，其所引發(fā)的環(huán)境問題及能源浪費逐漸引起人們的重視，為此，道路工作者們對廢舊瀝青混合料的再利用相繼展開研究，并率先對熱再生技術進行探究。隨著熱再生技術日漸成熟并大范圍應用推廣，其種種弊端也逐漸顯露，人們轉而開始探究溫再生技術，發(fā)現(xiàn)溫再生技術可在較低溫度下進行瀝青混合料的生產(chǎn)施工，避免了因高溫而引發(fā)的高能源消耗、廢氣排放、瀝青老化等問題，且其對瀝青黏度要求較低，對提高RAP摻量有所幫助，同時Mallick等研究發(fā)現(xiàn)，摻加合適的溫拌劑可以使溫拌再生瀝青混合料性能與熱拌再生瀝青混合料相近。

然而，目前廢棄瀝青混合料的再利用率尚不足30%，有人將RAP應用于瀝青混凝土和密集配瀝青碎石(DBM)中，發(fā)現(xiàn)混合料中最多可摻20%RAP，可見再生技術中RAP摻量尚待提高。摻入再生劑是提高RAP摻量的有效途徑之一;Nahar等研究表明：再生劑可將舊料中硬質老化瀝青軟化，使新舊瀝青混溶充分。廢機油(UMEO)成分與瀝青較為接近，且其黏度較老化瀝青更低，可恢復其部分活性，是一種較為理想的再生劑，探究UMEO再生劑應用于再生瀝青混合料的可行性已成為當前研究重點;中國國內研究中，謝海群等對UMEO再生工藝進行研究，發(fā)現(xiàn)所提煉UMEO性能可滿足相關道路瀝青標準；肖慶一等研究表明:UMEO再生劑可恢復RAP中老化瀝青黏彈性和高溫性能，但對其水敏感性不利，同時可改善高舊料含量熱拌再生瀝青混合料低溫抗裂性能。國外未見UMEO再生劑相關報道，且現(xiàn)有研究中也鮮有人探究UMEO再生劑對溫拌再生瀝青混合料性能的影響。該文采用室內性能試驗，研究不同UMEO再生劑和RAP摻量對溫拌再生瀝青混合料性能的影響，并基于試驗結果進行顯著性分析及再生劑摻量優(yōu)選，為其在溫再生技術中的應用提供理論依據(jù)。

1 原材料與級配

1.1 原材料

(1) RAP

該文RAP取自印度公路Srinagar-Qazigund。根據(jù)國際標準協(xié)會ISO對工業(yè)潤滑油的黏度分類標準，通過抽提獲得的舊瀝青對應黏度等級為VG-10。

(2) 再生劑與溫拌劑

該文選用UMEO和EvothermTM作為再生劑和溫拌劑。EvothermTM是Mead Westvaco在2003年發(fā)明的新一代溫拌劑，它可以使瀝青混合料的拌和溫度比傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料低50～75 ℃，同時能夠保證溫度降低后混合料的路用性能。UMEO與EvothermTM性能指標見表1。

表1 UMEO和EvothermTM相對密度及運動黏度

(3) 瀝青

該文新瀝青采用90#基質瀝青，其性能指標見表2。

1.2 級配

(1) 集料級配

參照MORTH中關于DBM-Ⅱ集料級配相關規(guī)定，進行該文集料級配設計，不同RAP摻量的集料級配(各類集料占總集料比例)見表3。

表2 90#基質瀝青性能指標(黏度等級VG-10)

表3 不同RAP摻量的集料級配

(2) 瀝青混合料級配

該文參照DBM-Ⅱ級配及采用馬歇爾設計方法，對不同RAP摻量的瀝青混合料進行配合比設計，見表4。

表4 不同RAP摻量的瀝青混合料級配

通過馬歇爾試驗方法，測得不摻RAP的瀝青混合料最佳油石比為4.66%，20%～60%RAP-WMA最佳油石比則分別降低至3.73%、3.26%、2.80%、2.33%、和1.86%。

2 試驗設計與結果分析

2.1 試驗設計

室內性能試驗主要針對普通熱拌和溫拌瀝青混合料(HMA、WMA)、不同UMEO再生劑和RAP摻量的RAP-WMA進行，其中RAP摻量分別選取RAP-WMA總質量的20%、30%、40%、50%和60%?；赯aumanis等研究可知：采用Superpave 設計法測得熱再生最大和最小UMEO再生劑摻量分別為16%和25%，因為該文為溫再生技術研究，拌和溫度降低，故最小UMEO摻量調至10%，最大UMEO摻量調至20%，UMEO摻量分別選取最佳瀝青用量的10%、12.5%、15%、17.5%和20%。為后文便于敘述，將不同摻量下混合料進行編號。HMA、WMA、20%RAP-WMA、30%RAP-WMA、40%RAP-WMA、50%RAP-WMA、60%RAP-WMA。編號分別為A、B、C、D、E、F、G。

(1) AASHTO T195試驗

該文采用美國AASHTO T195試驗對瀝青混合料拌和均勻性進行評價，具體試驗參數(shù)為：于120 ℃時拌和瀝青混合料，拌和均勻后過9.5 mm篩孔篩分出500 g粗顆粒，清點顆粒數(shù)量，并檢查其表面裹覆程度，若顆粒表面有細微未裹覆斑點視為“部分裹覆”，無斑點則為“完全裹覆”，二者之比即為顆粒裹覆率，美國AASHTO標準規(guī)定9.5 mm及以上粒徑顆粒裹覆率達到95%及以上時視為拌和均勻。

(2) 馬歇爾試驗

馬歇爾試驗分為兩部分進行，參照AASHTO T245試驗方法測定試件相對空隙率，具體試驗參數(shù)為：成型不同UMEO和RAP摻量的溫拌試件，同時成型同種摻量的熱拌試件，前者與后者空隙率之比即為相對空隙率；參照ASTM D6927試驗方法進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，測定試件殘留穩(wěn)定度和馬歇爾模數(shù)。規(guī)范中對DBM空隙率、相對空隙率和馬歇爾模數(shù)的要求范圍分別為3%～5%、0.9～1.1、2～5 kN/mm，其殘留穩(wěn)定度應不小于80%。

(3) 60 ℃單軸壓縮試驗

單軸壓縮試驗參照ASTM D1074-09試驗方法，具體試驗參數(shù)為：將標準馬歇爾試件于60 ℃烘箱24 h，而后于室溫冷卻2 h，并于25 ℃養(yǎng)生4 h。試驗過程中UTM機施加應力為20.7 MPa，加載速率為5.08 mm/min，于90 ℃試驗溫度下加載2 min，測定試件60 ℃抗壓強度。

(4) 凍融劈裂試驗

參照AASHTO T283試驗方法進行凍融劈裂試驗，將未凍融與凍融后標準馬歇爾試件于試驗機上以50 mm/min的加載速率加載，測定并計算其凍融劈裂強度比TSR，規(guī)范規(guī)定TSR最低限值為80%。

2.2 結果分析

2.2.1 拌和均勻性

以9.5 mm以上粒徑顆粒裹覆率作為瀝青混合料拌和均勻性評價指標，AASHTO T195試驗結果如圖1、2所示。

圖1 無再生劑試件顆粒裹覆率

圖2 摻入UMEO再生劑試件顆粒裹覆率

由圖1、2可知：

(1) 提高RAP摻量會降低瀝青混合料顆粒裹覆率。圖1中HMA顆粒裹覆率達到了100%，相比之下，WMA顆粒裹覆率僅為96.6%，可見由傳統(tǒng)熱拌技術成型的瀝青混合料試件拌和十分均勻，溫拌技術稍差，不過仍滿足要求，且當RAP摻量增加至20%時，RAP-WMA顆粒裹覆率為94.3%低于95%；繼續(xù)摻入RAP，RAP-WMA顆粒裹覆率持續(xù)下降，60%RAP-WMA顆粒裹覆率僅為91.8%，較初始的WMA顆粒裹覆率降低了6%，這是由于老化瀝青含量過高導致瀝青與集料間黏附性不足，在拌和過程中瀝青較易從集料表面脫落，“部分裹覆”顆粒數(shù)量增多，從而造成混合料顆粒裹覆率降低、拌和不充分。

(2) 摻入UMEO再生劑可顯著提高瀝青混合料顆粒裹覆率，且隨著RAP摻量增加，其效果越顯著。圖2中，對于20%RAP-WMA，當UMEO摻量由0%增加至20%時，RAP-WMA顆粒裹覆率由95.3%增大至100%，增幅為4.7%；繼續(xù)提高RAP摻量至60%，其增幅達到7.7%。由此可見，UMEO再生劑可有效軟化RAP中老化瀝青，增大瀝青與集料間黏結作用，從而提高瀝青混合料拌和均勻性，且對于較低摻量的RAP-WMA，摻入足夠的UMEO再生劑可令其拌和效果與熱拌混合料相當。

2.2.2 壓實特性

瀝青混合料空隙率可以較好反映混合料壓實后的密實程度，空隙率計算結果如圖3、4所示。

圖3 無再生劑試件空隙率

圖4 摻入UMEO再生劑試件空隙率

由圖3、4可知：

(1) 瀝青混合料空隙率隨著RAP摻量增加而快速增大。圖3中WMA空隙率與HMA基本相同，摻入20%RAP后的空隙率增大至4.99%，幾乎達到DBM空隙率上限；繼續(xù)摻入RAP，混合料空隙率超出規(guī)范要求范圍，當摻入60%RAP時，RAP-WMA空隙率達到了10.37%，幾乎超過WMA空隙率的兩倍，這是由于摻入RAP后瀝青流動性降低，集料被瀝青裹覆不充分，從而造成瀝青混合料空隙率增大、密實度降低。

(2) 摻入UMEO再生劑可顯著降低瀝青混合料空隙率。圖4中，同一RAP摻量下，瀝青混合料空隙率隨著UMEO摻量增加而迅速降低，表明UMEO再生劑可軟化硬質老化瀝青，增大瀝青流動性，使顆粒間空隙在擊實功作用下能夠被充分嵌擠填充，從而降低瀝青混合料空隙率；繼續(xù)增加UMEO摻量至15%，此時RAP-WMA空隙率為2.788%低于DBM空隙率下限，可見過高的UMEO再生劑摻量不利于混合料空隙率的發(fā)展。

相對空隙率計算結果見圖5、6。

圖5 無再生劑試件相對空隙率

圖6 摻入UMEO再生劑試件相對空隙率

由圖5、6可知：

(1) 提高RAP摻量會增大瀝青混合料相對空隙率。圖5中混合料相對空隙率皆大于1，可見溫拌瀝青混合料空隙率普遍高于熱拌瀝青混合料，且隨著RAP摻量增加，這種差距越來越顯著；當RAP摻量增加至30%時，混合料相對空隙率為1.13大于規(guī)范上限1.1；繼續(xù)增加至60%，其相對空隙率達到1.52，此時RAP-WMA空隙率幾乎為同種摻量RAP-HMA的1.5倍多，表明同種RAP摻量下，熱拌技術成型試件密實度要高于溫拌技術成型試件，且過高的RAP摻量會對瀝青混合料壓實特性產(chǎn)生較大影響。

(2) 摻入UMEO再生劑可顯著改善瀝青混合料相對空隙率。圖6中，隨著UMEO摻量增加，混合料相對空隙率值呈下降趨勢，且RAP摻量越高這種趨勢越明顯，由此可知摻入UMEO再生劑可以令RAP-WMA壓實特性與同種摻量的RAP-HMA接近甚至更好。

2.2.3 高溫性能

瀝青混合料馬歇爾模數(shù)與抗車轍性能間有較好相關性，可以用于評價其高溫性能，馬歇爾模數(shù)計算結果如圖7、8所示。

圖7 無再生劑試件馬歇爾模數(shù)

圖8 摻入UMEO再生劑試件馬歇爾模數(shù)

由圖7、8可知：

(1) 隨著RAP摻量增加，瀝青混合料馬歇爾模數(shù)逐漸增大。圖7中WMA馬歇爾模數(shù)與HMA相當，說明二者抗車轍性能較為相近，摻入RAP后，瀝青混合料馬歇爾模量呈持續(xù)增大趨勢，且當RAP摻量超過20%時，混合料馬歇爾模數(shù)超過5 kN/mm，不滿足要求；繼續(xù)摻加RAP至60%，其馬歇爾模數(shù)高達7.18 kN/mm，這主要是由于RAP摻量增加后瀝青混合料中硬質老化瀝青比例增大，使得混合料高溫下抗塑性變形能力增強，從而其流值快速降低、馬歇爾模數(shù)增大，但老化瀝青比例增大也會導致混合料承載力降低，于抗車轍性能不利。

(2) 瀝青混合料馬歇爾模數(shù)隨著UMEO再生劑摻量增加呈現(xiàn)有利下降趨勢。圖8中，不摻入再生劑情況下，除20%RAP-WMA外，其余摻量RAP-WMA馬歇爾模數(shù)皆不滿足規(guī)范要求；摻入10%UMEO再生劑后，各摻量下RAP-WMA馬歇爾模量均降低至5 kN/mm以下，低于規(guī)范要求上限；繼續(xù)摻入UMEO至20%，各摻量下馬歇爾模數(shù)穩(wěn)定在2 kN/mm以上，高于規(guī)范要求下限；且UMEO摻量為10%時曲線各點要高于其他UMEO摻量曲線，說明10%UMEO摻量下RAP-WMA具有較好的抗車轍性能。

2.2.4 力學性能

單軸壓縮試驗操作簡便，試驗指標也較為直觀，可用于評價瀝青混合料力學性能，60 ℃單軸壓縮試驗結果見圖9、10。

圖9 無再生劑試件60 ℃抗壓強度

圖10 摻入UMEO再生劑試件60 ℃抗壓強度

由圖9、10可知：

(1) 提高RAP摻量會顯著降低瀝青混合料抗壓強度。圖9中瀝青混合料抗壓強度隨著RAP摻量的增加而降低，其中20%RAP-WMA抗壓強度與WMA相同，可見摻入低RAP摻量對瀝青混合料力學性能幾乎無影響；繼續(xù)摻入RAP至30%，RAP-WMA抗壓強度較WMA下降了0.26 kPa，而摻入60%RAP后，其抗壓強度較WMA下降了1.16 kPa，可見高RAP摻量對瀝青混合料力學性能影響較大。

(2) 摻入UMEO再生劑后瀝青混合料抗壓強度有顯著改善。圖10中，摻入UMEO后瀝青混合料抗壓強度隨著RAP摻量增大而降低的趨勢有所緩解。不摻加再生劑時，當RAP摻量從20%提高至60%，RAP-WMA抗壓強度由3.97 kPa降低至2.78 kPa，下降了1.19 kPa；當摻入20%UMEO，RAP摻量從20%提高至60%時其抗壓強度由1.76 kPa降低至1.07 kPa，僅降低了0.69 kPa，可見摻入UMEO再生劑可顯著改善瀝青混合料力學性能。

2.2.5 水穩(wěn)定性

采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比TSR對不同UMEO再生劑摻量的RAP-WMA水穩(wěn)定性進行評價，殘留穩(wěn)定度計算結果見圖11、12。

圖11 無再生劑試件殘留穩(wěn)定度

圖12 摻入UMEO再生劑試件殘留穩(wěn)定度

由圖11、12可知：

(1) 提高RAP摻量會降低瀝青混合料殘留穩(wěn)定度，一定摻量后其殘留穩(wěn)定度逐漸趨于穩(wěn)定。圖11中，WMA殘留穩(wěn)定度略低于HMA，可見HMA水穩(wěn)定性要優(yōu)于WMA；摻入30%RAP后，RAP-WMA殘留穩(wěn)定降低至80.4%，較WMA降低了8.1%，尚在規(guī)范要求范圍內；繼續(xù)增加RAP摻量至40%，其殘留穩(wěn)定度降低至77.3%小于80%，不滿足規(guī)范要求；當RAP摻量提高至50%及以上時，其殘留穩(wěn)定度與40%RAP摻量時相比幾乎無變化，可見提高RAP摻量不利于瀝青混合料水穩(wěn)定性，而摻入一定量后，其對混合料水穩(wěn)定性的影響不再繼續(xù)加深。

(2) 摻入UMEO再生劑可顯著提高瀝青混合料殘留穩(wěn)定度。圖12中，同一RAP摻量下的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度隨著UMEO摻量增加而增大，這是由于UMEO再生劑可顯著恢復RAP中舊瀝青黏結性能，改善瀝青與集料間黏附性，水分難以侵入瀝青-集料界面，從而增強了瀝青混合料水穩(wěn)定性。

凍融劈裂試驗結果如圖13、14所示。

圖13 無再生劑試件TSR

圖14 摻入UMEO再生劑試件TSR

由圖13、14可知：

(1) 提高RAP摻量會降低瀝青混合料TSR，且趨勢較為平緩 。圖13中，當RAP摻量增加至40%時，RAP-WMA的TSR為78.32%，低于80%，不滿足要求；繼續(xù)摻入RAP，其TSR緩慢下降，且與規(guī)范要求值間差距被逐漸拉大，可見提高RAP摻量會緩慢減弱瀝青混合料抵抗水損害能力。

(2) 摻入UMEO再生劑可顯著提高瀝青混合料TSR，且隨著RAP摻量的提高這種趨勢越明顯。可見UMEO再生劑可顯著提高瀝青混合料水穩(wěn)定性，這與殘留穩(wěn)定度試驗結果相驗證。

3 顯著性分析與再生劑摻量優(yōu)選

3.1 顯著性分析

采用顯著性分析研究UMEO再生劑及RAP摻量兩因素對RAP-WMA性能影響(主次排序)，選取顯著性水平α為0.05，計算結果見表5。

由表5可知：UMEO摻量對抗壓強度影響最顯著，對相對空隙率影響顯著性最??；RAP摻量對TSR影響最顯著，對相對空隙率影響顯著性最??；各因素對顆粒裹覆率、空隙率、相對空隙率、馬歇爾模數(shù)、抗壓強度、殘留穩(wěn)定度及TSR影響由大到小排序均相同，為：UMEO摻量>RAP摻量，且UMEO摻量對其影響顯著；UMEO摻量對RAP-WMA拌和均勻性、壓實特性、高溫性能、水穩(wěn)定性等性能皆影響顯著。

3.2 再生劑摻量優(yōu)選

根據(jù)上述室內性能試驗結果，得出各性能指標、各RAP摻量下的最佳UMEO再生劑摻量范圍，見表6。

表5 各因素對RAP-WMA性能影響分析

表6 優(yōu)化組合

由表6可知：綜合考慮瀝青混合料各項性能指標，優(yōu)選出各RAP摻量下的最佳UMEO再生劑摻量分別為：20%RAP-0～10%UMEO、30%RAP-10%～12.5%UMEO、40%RAP-12.5%～17.5%UMEO、50%RAP-15%～17.5%UMEO、60%RAP-17.5%～20%UMEO，且滿足該優(yōu)選摻量范圍的RAR-WMA顆粒裹覆率、空隙率、相對空隙率、馬歇爾模數(shù)、殘留穩(wěn)定度、TSR等性能指標皆滿足規(guī)范要求。

4 結論

(1) 摻入UMEO再生劑可顯著改善瀝青混合料拌和均勻性、壓實特性、高溫性能、力學性能和水穩(wěn)定性，且隨著RAP摻量增加，其對部分性能的增益越顯著。

(2) 摻入再生劑可有效提高RAP-WMA的摻量，對比同類混合料性能，摻入UMEO可將RAP摻量從20%提高至60%。

(3) 基于顯著性分析結果可知，UMEO摻量對各性能指標皆影響顯著，且對抗壓強度影響最顯著，對相對空隙率影響顯著性最小。

(4) 綜合考慮瀝青混合料各項性能，優(yōu)選出各RAP摻量下的最佳再生劑摻量范圍：20%RAP-0～10%UMEO、30%RAP-10%～12.5%UMEO、40%RAP-12.5%～17.5%UMEO、50%RAP-15%～17.5%UMEO、60%RAP-17.5%～20%UMEO，且滿足該優(yōu)選摻量范圍的RAR-WMA各項性能皆能滿足規(guī)范要求。