滲透型再生劑再生老化瀝青混合料路用性能評價(jià)

武建軍，楊 哲，張紅兵，武宏濤

（1.山西交控集團(tuán)太舊高速公路管理（太原）有限公司，山西 太原 030006；2.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061；3.陽泉太舊博特道路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，山西 陽泉 045000；4.山西呂梁環(huán)城高速公路管理有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

瀝青路面在服役過程中，隨著運(yùn)營年限的增長，在行車動(dòng)疲勞荷載和外界復(fù)雜環(huán)境因素的作用下，路面逐漸會(huì)因?yàn)闉r青的老化而產(chǎn)生車轍、水損、開裂等病害，需要大量人力物力進(jìn)行維修保養(yǎng)[1-3]。我國高等級路面幾乎都為瀝青路面，隨著越來越多的路面進(jìn)入大中修周期，如何處理舊瀝青路面材料將是我國公路行業(yè)必須要面對的問題，也是未來道路工程領(lǐng)域的研究人員需長期關(guān)注的研究課題[4-6]。

大量研究工作顯示，在舊瀝青路面材料中加入新瀝青、新集料以及再生劑等材料混合進(jìn)行施工可以恢復(fù)舊瀝青路面材料的性能[7-11]。適宜的配比與再生劑摻量得到的再生瀝青混合料具有可與新建路面相媲美的優(yōu)良路用性能，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，減少資源開采和廢物排放，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境價(jià)值。劉先淼[12]等人依托廣佛高速公路路面大修工程，對廠拌熱再生瀝青技術(shù)應(yīng)用于高等級路面的前景進(jìn)行了評估，認(rèn)為經(jīng)廠拌熱再生后的瀝青路面完全可以達(dá)到新瀝青路面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此技術(shù)可應(yīng)用于我國高等級路面。岳秀梅[13]以芳烴油和橡膠油作為瀝青再生劑，探究了再生劑的劑量對熱再生瀝青混合料高低溫性能的作用規(guī)律，認(rèn)為合適的再生劑摻量能改善熱再生瀝青混合料的低溫與耐久性能，并推薦了相關(guān)再生劑的摻量。徐靜和劉加平[14]等人依托西寧某地區(qū)熱再生路面工程，研究了再生劑對熱再生混合料性能的影響，認(rèn)為適宜的再生劑可以改善再生后瀝青混合料存在的弊病。仰建崗[15]等人通過調(diào)整工藝，討論了再生劑的用量、軋制的溫度和混合料的級配對再生瀝青混合料馬歇爾性能的影響，發(fā)現(xiàn)工況對再生瀝青混合料路用性能可產(chǎn)生較大影響?？梢姡芯咳藛T在廠拌熱再生技術(shù)方向取得了一定的成果。但國內(nèi)目前使用的熱再生混合料中RAP一般摻量較低，且國內(nèi)施工應(yīng)用再生劑一般不規(guī)范，由施工單位自行確定材料、配比和添加劑量，隨意性較大，同時(shí)，依托工程所在地冬季氣溫較低，普通再生瀝青混合料低溫疲勞開裂嚴(yán)重，制約了再生瀝青混合料的推廣應(yīng)用。

鑒于此，筆者依托平陽高速舊瀝青路面再生工程，充分利用原舊瀝青混合料路面，于冷再生基層上鋪筑6 cm廠拌熱再生瀝青混合料中面層，舊料摻量50%，基于殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)探究滲透型再生劑摻量對熱再生瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律，并與普通市售再生劑再生效果進(jìn)行了對比。研究成果對再生劑的工程實(shí)踐和推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 瀝青

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004），結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌ê蜌夂驐l件，選用SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

1.2 集料及礦粉

新集料分為4檔，分別是：1號(hào)料（15～20 mm）、2號(hào)料（10～15 mm）、3號(hào)料（5～10 mm）、4號(hào)料（0～5 mm石屑）。RAP分為2檔，分別是5號(hào)（舊細(xì)）料和6號(hào)（舊粗）料。新舊集料技術(shù)指標(biāo)和篩分結(jié)果見表1和表2。礦粉的表觀密度為2.771 g/cm3。

表1 集料的試驗(yàn)指標(biāo)

表2 原材料篩分試驗(yàn)結(jié)果

1.3 再生劑

本文采用的再生劑分別為自主研發(fā)的滲透型再生劑[6]和普通市售再生劑，基本性能見表3。

表3 再生劑基本性能

2 再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

熱再生瀝青混合料中RAP摻量受舊混合料的性質(zhì)、再生瀝青混合料的用途、施工條件和所選用的新瀝青和新集料等因素的影響。為了確定合理的摻量，參考國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，選定了50%RAP摻量，合成級配見表4和圖1。

圖1 合成級配曲線

表4 集料合成級配

采用合成級配作為設(shè)計(jì)級配，通過燃燒法確定RAP油石比為5.2%，以±0.5%為間隔，選擇3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五種油石比，再生劑摻量為瀝青混合料總質(zhì)量的0.3‰，馬歇爾試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，結(jié)果見表5及圖2?？梢?，隨著新瀝青含量的增加，再生瀝青混合料的穩(wěn)定度呈先上升后下降的變化趨勢，總油石比3.5%時(shí)穩(wěn)定度為最低值12.52，在總油石比為4.0%時(shí)穩(wěn)定度達(dá)到峰值15.66。其原因?yàn)?，?dāng)總油石比較低時(shí)，瀝青與礦料間的黏附力不足，穩(wěn)定度相對較低，新瀝青的增加提高了再生瀝青混合料的結(jié)構(gòu)瀝青，所以當(dāng)總油石比由3.5%提高至4.0%時(shí)，其穩(wěn)定度增長率可達(dá)25.1%，但過多的新瀝青使得再生瀝青混合料體系中的自由瀝青增多，穩(wěn)定度有下降趨勢。再生瀝青混合料的流值、礦料間隙率、飽和度、空隙率和毛體積密度等參數(shù)隨新瀝青增加的變化趨勢都與普通瀝青混合料的變化趨勢相似，綜合考慮地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，流值范圍應(yīng)在2～4 mm，空隙率應(yīng)在3%～5%，由此，確定目標(biāo)級配最佳油石比為4.2%，新瀝青油石比為1.6%。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖2 最佳油石比確定

3 再生劑對再生瀝青混合料路用性能的影響

3.1 水穩(wěn)定性

采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度評價(jià)滲透型再生劑摻量對熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)性能的影響，采用摻量3‰的普通再生劑進(jìn)行對比分析。殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)中，制備10個(gè)雙面擊實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，分兩組，一組在60℃恒溫水浴箱中浸泡30 min，測試其穩(wěn)定度S1；另一組在60℃恒溫水浴箱中浸泡48 h，測其穩(wěn)定度S2，根據(jù)公式計(jì)算殘留穩(wěn)定度S0，每個(gè)再生劑的摻量下做3組平行試驗(yàn)：

殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果如表6所示，滲透型再生劑摻量對殘留穩(wěn)定度的影響結(jié)果如圖3所示。文中提到的再生劑摻量均為混合料質(zhì)量比，試驗(yàn)結(jié)果表明，滲透型再生劑的摻量對熱再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度有顯著影響，由圖3可知，隨著再生劑摻量的提高，初始穩(wěn)定度呈先上升后下降趨勢，穩(wěn)定度在滲透型再生劑摻量為3‰時(shí)達(dá)到極大值，對比表6可以看出，普通再生劑的再生效果顯著低于滲透型再生劑。此外，殘留穩(wěn)定度則隨著再生劑摻量的提高而上升，在再生劑摻量為4‰時(shí)，熱再生瀝青混合料殘留穩(wěn)定度大于90%，遠(yuǎn)超瀝青路面技術(shù)要求，表明摻入該再生劑的熱再生瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)性能。

表6 再生劑摻量對再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

圖3 再生劑摻量對再生瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的影響

凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)中，參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，制備10個(gè)雙面擊實(shí)50次的馬歇爾試件，在規(guī)定條件下進(jìn)行凍融循環(huán)，測試受損害前后強(qiáng)度比，每個(gè)再生劑摻量下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可知，凍融循環(huán)對瀝青混凝土具有一定的破壞作用，不利于再生瀝青混合料的水穩(wěn)性能，熱再生瀝青混合料的殘留強(qiáng)度比隨著再生劑摻量的提高而提高，在再生劑摻量大于3‰時(shí)，熱再生瀝青混合料TSR均大于95%，遠(yuǎn)超瀝青路面技術(shù)要求，而對于普通型再生劑，殘留強(qiáng)度比僅為77.353%，剛達(dá)到瀝青路面技術(shù)要求值。

表7 再生劑摻量對再生瀝青混合料凍融劈裂的影響

分析滲透型再生劑摻量對熱再生瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響機(jī)理，滲透型再生劑對老化瀝青的滲透能力較強(qiáng)，使得舊瀝青混合料中的舊瀝青轉(zhuǎn)移，與新瀝青交融，隨著滲透型再生劑摻量的增加，被再生的老化瀝青與新瀝青的材料性質(zhì)差異減小，優(yōu)化了新舊瀝青的界面結(jié)合，增強(qiáng)了瀝青混合料的整體性，所以其水穩(wěn)性能表現(xiàn)優(yōu)異。

3.2 高溫穩(wěn)定性

本文采用車轍試驗(yàn)測定不同滲透型再生劑摻量對瀝青混合料的高溫抗車轍能力的影響。試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，試件規(guī)格為300 mm×300 mm×50 mm，每個(gè)再生劑摻量做3組平行試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)結(jié)果如表8所示?？梢?，對于滲透型再生劑，熱再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)度隨滲透型再生劑摻量的增長而逐漸降低，而車轍試驗(yàn)的最終變形量呈上升趨勢。以動(dòng)穩(wěn)定度作為高溫性能評價(jià)指標(biāo)可知：滲透型再生劑摻量≤3‰時(shí)，熱再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均大于地方規(guī)范規(guī)定的4 000次/mm，表明其完全可以滿足路面服役所要求的高溫穩(wěn)定性，而普通再生劑試驗(yàn)結(jié)果無法滿足當(dāng)?shù)丶夹g(shù)要求。

表8 再生劑摻量對再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

分析其原理是由于滲透型再生劑的滲透作用，再生劑的摻加可使老化瀝青組分得到調(diào)節(jié)，隨著再生劑摻量的增加，瀝青稀釋，芳香分和飽和分含量增加，具體會(huì)表現(xiàn)為再生瀝青變軟，其感溫性能增加，使得熱再生混合料的高溫穩(wěn)定性劣化。

3.3 低溫抗裂性

大量研究表明，低溫抗裂性是熱再生瀝青的一個(gè)短板，本文擬采用規(guī)范中-10℃條件下低溫小梁彎曲試驗(yàn)來評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm（見圖4），由SANS萬能試驗(yàn)機(jī)測試其力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表9，再生劑摻量對再生瀝青混合料低溫開裂性能的影響結(jié)果如圖5。

圖4 小梁試件

圖5 再生劑摻量對再生瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度/彎拉應(yīng)變的影響

表9 再生劑摻量對再生瀝青混合料低溫開裂性能的影響

由表9和圖5可知，隨著滲透型再生劑摻量的提高，熱再生瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變呈先增大后減小的變化趨勢。以最大彎拉應(yīng)變確定該再生劑的適宜摻量為3‰，混合料最大彎拉應(yīng)變可達(dá)到2 561 με，可有效延緩和阻止熱再生瀝青混合料在低溫時(shí)開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.4 疲勞性能

采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)對小梁試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，評價(jià)在應(yīng)力模式下再生瀝青混合料的疲勞壽命。以不摻加滲透型再生劑的最大彎拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，綜合考慮平陽高速交通量，分別將應(yīng)力設(shè)置為最大彎拉強(qiáng)度的20%、30%和40%（對應(yīng)彎拉強(qiáng)度分別為0.276 MPa、0.414 MPa、0.552 MPa），普通再生劑的加載應(yīng)力為30%（0.414 MPa），試驗(yàn)溫度為15℃，疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 再生劑摻量對再生瀝青混合料疲勞性能的影響

從圖6可以看出，和普通再生劑相比，滲透型再生劑顯著提高了再生瀝青混合料的疲勞性能，且隨著摻量的增加，疲勞性能越優(yōu)異。當(dāng)應(yīng)力比為40%時(shí)，滲透型再生劑摻量對再生瀝青混合料疲勞性能的影響不顯著，但較大幅度優(yōu)于普通再生劑，這是因?yàn)闈B透型再生劑的滲透擴(kuò)散能力較強(qiáng)，可充分滲入老化瀝青的內(nèi)部，對老化瀝青的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分活化調(diào)節(jié)，大幅度提升老化瀝青的性能。

綜合水穩(wěn)性能、高溫穩(wěn)定性能、抗低溫開裂性能及疲勞性能，分析認(rèn)為當(dāng)滲透型再生劑摻量為瀝青混合料質(zhì)量的3‰時(shí)再生瀝青混合料性能和經(jīng)濟(jì)效益最為理想。

4 結(jié)語

滲透型再生劑的摻量對RAP摻量為50%的AC-20熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)性能、高溫穩(wěn)定性能、抗低溫開裂性能和疲勞性能都有著較為顯著的影響。

a）由于滲透型再生劑對老化瀝青的滲透作用，其對舊瀝青混合料中瀝青的活化效果較好，而普通市售再生劑不具備這種優(yōu)勢；隨著滲透型再生劑摻量的增加，被再生的老化瀝青與新瀝青的材料性質(zhì)差異減小，優(yōu)化了新舊瀝青的界面結(jié)合，增強(qiáng)了瀝青混合料的整體性，有效地改善熱再生瀝青混合料水穩(wěn)性能。

b）由于再生劑對舊瀝青的性能恢復(fù)作用，過多的滲透型再生劑會(huì)使得熱再生瀝青的感溫性提高，混合料的高溫性能劣化。同時(shí)，合適摻量的滲透型再生劑會(huì)顯著改善熱再生瀝青混合料的低溫性能，改善混合料在低溫環(huán)境下的開裂行為，大幅提高再生瀝青混合料的疲勞壽命。

c）基于再生瀝青混合料的水穩(wěn)性能、高溫穩(wěn)定性能、抗低溫開裂性能和疲勞性能，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)滲透型再生劑摻量為瀝青混合料質(zhì)量的3‰時(shí)，含50%RAP摻量的熱再生瀝青混合料路用性能最優(yōu)。