新舊瀝青融合程度對熱再生瀝青混合料性能影響

郝培文,李洪祥,崔鷹翔,徐金枝

(長安大學，道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

瀝青路面再生技術因經(jīng)濟環(huán)保而被廣泛應用于各等級公路的大中修工程及改、擴建工程中。再生技術按照拌和溫度可分為冷再生和熱再生，根據(jù)使用條件又可分為廠拌熱再生、就地熱再生、就地冷再生和廠拌冷再生等，其中廠拌熱再生瀝青混合料性能更優(yōu)，適用范圍更廣，應用最多[1-4]。

目前的廠拌熱再生瀝青混合料在配合比設計過程中假定新舊瀝青100%融合，但國內(nèi)外眾多研究[5-8]證明，當廢舊瀝青路面回收材料(recycled materials for waste asphalt pavement, RAP)摻量較小時該假設是可行的，當RAP摻量較大時，再生過程中舊瀝青并非全部參與融合。Huang等[9]將 RAP細料、新粗集料及新瀝青拌和，分層抽提回收RAP細料表面由外到內(nèi)多層次的瀝青并測定其勁度模量，結果顯示新舊瀝青并非完全融合，通過拌和只能使部分舊瀝青轉移到新集料上。Bowers等[10]采用紅外光譜儀(FTIR)對分層抽提獲得的結合料混合物進行研究，發(fā)現(xiàn)越接近于RAP集料表面的結合料層中羰基含量越高。張德鵬等[11]借助凝膠滲透色譜(GPC)觀察發(fā)現(xiàn)，越靠近RAP集料顆粒表面的結合料大分子量百分率(large molecular size percentage， LSPM)越大，即瀝青的老化程度越高。Jiang等[12]和Abdalfattah等[13]以TiO2為瀝青示蹤劑，采用鈦硫元素質量比為融合程度的定量評價指標，通過掃描電子顯微鏡(SEM)和光譜儀(EDS)觀察發(fā)現(xiàn)新舊瀝青融合程度隨RAP摻量的增加而減少。Xu等[14]使用原子力顯微鏡(AFM)對50%(質量分數(shù))RAP摻量的再生混合料中分層抽提獲取的結合料進行處理，結果也證實新舊瀝青之間并非100%融合。此時舊瀝青完全參與融合的假設與實際情況不符，假定新舊瀝青100%融合與實際部分融合的差異必然對設計的熱再生瀝青混合料路用性能產(chǎn)生影響，但會有怎樣的影響及影響程度尚待研究。

因此，本文在不同RAP摻量下，考慮常規(guī)融合和新舊瀝青100%融合兩種條件，拌制并成型熱再生瀝青混合料，同時對其高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗反射開裂性能展開研究，旨在分析新舊瀝青融合程度對上述熱再生混合料技術性能的影響以及兩種拌和條件下的性能差異隨RAP摻量的變化規(guī)律，在此基礎上，提出需要考慮融合程度的界限RAP摻量，為合理設計熱再生瀝青混合料組成提供技術依據(jù)。

1 實 驗

1.1 試驗材料

RAP來源于G65包茂高速公路陜蒙界至榆林段路面維修整治工程，是上、中、下三層面層結構的混合物，原路面使用時長為14年。通過變異性分析將RAP分為0～4.75 mm、4.75～13.20 mm和13.20～26.50 mm三檔，通過抽提試驗獲取RAP礦料級配及舊瀝青含量，RAP相關技術指標如表1所示。選用的新粗細集料均為閃長巖，礦粉母巖為石灰?guī)r，新瀝青為克拉瑪依90號瀝青，實測技術指標分別如表2～表4所示。

表1 RAP 技術指標Table 1 Technical indicators of RAP

表2 粗集料技術指標Table 2 Technical indicators of coarse aggregate

表3 細集料和礦粉技術指標Table 3 Technical indicators of fine aggregate and mineral filler

1.2 試驗方案

為探究融合程度對熱再生瀝青混合料路用性能的影響，保持混合料級配、礦料種類、RAP種類、油石比及工藝等因素完全一致，考慮人為模擬新舊瀝青100%融合以及未知融合程度的常規(guī)拌和兩種工況，拌制并成型熱再生瀝青混合料。

常規(guī)拌制即直接將RAP加入拌鍋中與新集料、新瀝青拌和，確定最佳油石比(optimum asphalt content, OAC)后進行性能測試。

新舊瀝青100%融合的混合料拌制過程為：首先按照不同RAP摻量下三檔RAP比例稱取所需舊料，對其進行抽提以分離RAP與舊瀝青;將RAP裝入鋁鍋,在拌制時全部加入，舊瀝青則通過阿布森法獲取，由于舊瀝青在獲取過程中必定有部分粘在蒸餾燒瓶中無法倒出，因此應根據(jù)三檔RAP的質量及實測得到的各檔舊料油石比計算所使用RAP中總的舊瀝青質量，將相應質量的舊瀝青與新瀝青按比例在加熱條件下提前混合均勻，在拌制混合料時全部加入，此時舊瀝青全部發(fā)揮作用，可以認為新舊瀝青100%融合。

選用的熱再生瀝青混合料級配類型為AC-20，RAP摻量為20%、30%、40%和50%(質量分數(shù)，下同)。參照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F 40—2004)[15]推薦的級配范圍，四種RAP摻量的混合料級配如表5所示，各檔RAP比例、最佳油石比及最佳油石比下的新舊瀝青含量如表6所示。

表5 不同RAP摻量下混合料的級配Table 5 Gradation of mixtures with different RAP content

表6 各檔RAP比例、最佳油石比及新舊瀝青含量Table 6 RAP ratios of different grades, OAC and the content of aged and virgin asphalt

2 兩種拌制方式下熱再生瀝青混合料路用性能

眾多規(guī)范對于瀝青混合料路用性能的規(guī)定主要包括高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性等方面，但已有研究表明抗反射開裂性能也是影響其長期穩(wěn)定性的主要因素之一[16-17]，因此本文對不同RAP摻量下兩種拌制方式成型的熱再生瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗反射開裂性能進行對比。

2.1 高溫性能

采用標準車轍試驗評價熱再生瀝青混合料的高溫性能，兩種拌和方式成型的混合料車轍試驗結果如圖1所示。

圖1 車轍試驗結果Fig.1 Rutting test results

由圖1可知，隨著RAP摻量的增加，兩種拌制方式下混合料的動穩(wěn)定度(dynamic stability, DS)逐漸增大，60 min平均車轍深度逐漸減小，說明混合料高溫性能隨RAP摻量的增大顯著提高。常規(guī)拌制條件下，50%RAP摻量的混合料動穩(wěn)定度達5 887.8次/mm，較20%RAP摻量時增長106.5%，且各摻量下的動穩(wěn)定度均遠大于規(guī)范要求值，可見熱再生瀝青混合料的高溫性能極其優(yōu)異。主要原因在于RAP中的瀝青老化變硬，針入度降低，軟化點升高，在高溫作用下不易軟化，溫度敏感性增強，舊料摻量越大，再生混合料中舊瀝青含量相應增加，使混合料在高溫下不容易產(chǎn)生剪切變形，車轍深度隨RAP摻量增大而減小的現(xiàn)象也能對此進行佐證。而新舊瀝青100%融合拌制方式下，RAP摻量從20%增長到40%時，混合料的動穩(wěn)定度由2 713.7次/mm提高至3 421.0次/mm，增長了26.1%，相比于常規(guī)拌制方式而言增幅大幅降低。RAP摻量從40%增長到50%時，動穩(wěn)定度出現(xiàn)了小幅下降。

對比兩種拌制方式下混合料的動穩(wěn)定度指標可以發(fā)現(xiàn)，在各RAP摻量下新舊瀝青100%融合拌制方式的動穩(wěn)定度均小于常規(guī)拌制方式，且隨著RAP摻量的增大二者之間的差異越大，在20%RAP摻量下兩者僅相差4.8%，50%RAP摻量時兩者的差值上升至46.6%，說明融合程度的提升降低了混合料的高溫性能。究其原因為：常規(guī)拌制方式下RAP中的舊瀝青只有部分轉移到新集料表面，新瀝青對于舊瀝青流變性質的改善效果并沒有充分發(fā)揮，舊集料表面未參與融合的舊瀝青仍保持著原有脆硬的性質，因此其高溫性能較好;其次，新舊瀝青100%融合拌制方式下舊瀝青全部參與融合，混合料中實際發(fā)揮粘結料作用的瀝青量多于常規(guī)拌制的混合料，因此這種情況下熱再生混合料動穩(wěn)定度相對較小，RAP摻量從40%增長到50%時動穩(wěn)定度出現(xiàn)的不符合趨勢的小幅下降也可能是此原因造成的。

從動穩(wěn)定度方差效應檢驗表(見表7)可以看出RAP摻量和融合程度所對應的概率F皆小于0.05，說明二者對混合料的高溫性能均有顯著影響，且RAP摻量的概率F值更小，說明其對動穩(wěn)定度的影響更大。RAP摻量對動穩(wěn)定度的影響本質上可以說是新舊瀝青比例不同而對瀝青流變性質產(chǎn)生的影響，可以通過選取合適的新瀝青和添加適當?shù)脑偕鷦﹣斫鉀Q。

表7 動穩(wěn)定度方差分析效應檢驗表Table 7 Analysis of variance effect test of dynamic stability

2.2 低溫性能

采用低溫小梁彎曲試驗評價熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。兩種拌和方式成型的混合料試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著RAP摻量的增大，兩種拌制方式下混合料的低溫彎曲應變和彎曲應變能密度均逐漸減小，而抗彎拉強度無顯著的變化，因此彎曲勁度模量不斷增大，說明混合料的低溫抗裂性逐漸變差。這是由于RAP中的舊瀝青在長期服役過后變硬變脆，在低溫環(huán)境下更容易產(chǎn)生開裂。常規(guī)拌制條件下，50%RAP摻量混合料的低溫彎曲應變僅為1 822.65 με，較20%RAP摻量時降低了35.5%，此時混合料的低溫性能已低于規(guī)范要求，原因可能是當RAP摻量達到50%時使用90號基質瀝青已經(jīng)不能滿足新舊瀝青調和要求，此時可通過適當添加再生劑和研究相應的施工工藝提升融合程度以改善再生混合料的低溫性能。新舊瀝青100%融合拌制方式下各RAP摻量的熱再生混合料低溫性能均符合規(guī)范要求。

對比兩種拌制方式下混合料的低溫試驗指標可以發(fā)現(xiàn)，新舊瀝青100%融合拌制方式下的低溫彎曲應變和彎曲應變能密度在任意RAP摻量下皆大于常規(guī)拌制方式。隨著RAP摻量的增大，低溫性能差異也越大，在20%RAP摻量下彎曲應變相差4.89%，50%RAP摻量時兩者的差值增長至28.52%，說明融合程度的提升能夠改善再生混合料的低溫抗裂性能。其原因同樣是由于100%融合條件下，舊瀝青被充分激活而發(fā)揮粘結料的作用，增加了再生混合料中有效瀝青結合料的含量，且新舊瀝青融合更加充分均勻，使舊瀝青性質得到更好的改善，有利于增強再生混合料的柔韌性，進而提高其低溫抗裂性能。陳靜云等[18]及曹衛(wèi)東等[19]對再生瀝青混合料的性能進行了研究，結果顯示適當增加新舊料拌和時間有助于提高混合料低溫抗裂性能，而新舊料拌和時間的增加本質上是提高了新舊瀝青之間的融合程度及混合均勻性。

從低溫彎曲應變方差效應檢驗表(見表8)可以看出，RAP摻量和融合程度所對應的概率F皆小于0.05，可認為兩種因素對混合料的低溫彎曲應變都具有顯著影響，且RAP摻量的概率F值更小，說明其對低溫彎曲應變的影響更大。

表8 低溫彎曲應變方差分析效應檢驗表Table 8 Analysis of variance effect test of low temperature bending strain

2.3 水穩(wěn)定性

圖3 凍融劈裂試驗結果Fig.3 Results of freeze-thaw splitting test

采用凍融劈裂試驗來評價熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性。兩種拌制方式成型的混合料凍融劈裂試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著RAP摻量的增大，兩種拌制方式下混合料的劈裂殘留強度比都降低，說明其水穩(wěn)定性逐漸下降。常規(guī)拌制方式下，50%RAP摻量混合料的劈裂抗拉強度比(tensile strength ratio， TSR)為77.45%，較20%RAP摻量時下降了13.42%；新舊瀝青100%融合拌制方式下混合料的TSR由20%摻量時的89.97%降至50%摻量時的80.13%，下降了10.94%。但兩種拌制方式的熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。RAP材料的加入使混合料的水穩(wěn)定性下降,可能存在兩個原因：第一，RAP中的舊瀝青在長期服役后與集料的粘附性下降，瀝青在水和凍融雙重作用影響下從礦料表面剝落從而影響瀝青混合料的性能；第二，RAP中的舊瀝青與新集料的配伍性或新瀝青與舊集料的配伍性較差。

對比兩種拌制方式下混合料的劈裂殘留強度比可以發(fā)現(xiàn):在各RAP摻量下新舊瀝青100%融合拌制方式的TSR均略大于常規(guī)拌制方式，且隨著RAP摻量的增加二者之間的差異也略微增大;在20%RAP摻量下兩者相差0.21%，基本一致；50%RAP摻量時兩者的差值上升至2.68%，說明融合程度的提升在一定程度上改善了混合料的水穩(wěn)定性。常規(guī)拌制方式下，RAP中的舊瀝青部分沒有被激活發(fā)揮粘結料的作用，在舊瀝青更為富集處，由于舊瀝青與集料的粘附性下降，此處就會成為水溫環(huán)境作用下的薄弱點，水分逐漸侵入瀝青膜內(nèi)部造成混合料逐漸松散，內(nèi)部空隙增大，進而會使混合料的整體水穩(wěn)定性下降。相比之下，混合料在100%融合條件下減少了可能存在的薄弱點，因此水穩(wěn)定性在一定程度上得到了改善。

從TSR方差效應檢驗表(見表9)可以看出，RAP摻量對應的概率F值小于0.05，而融合程度的概率F大于0.05，說明RAP摻量對于熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響顯著，而融合程度對于水穩(wěn)定性雖然有影響但不顯著。

表9 TSR方差分析效應檢驗表Table 9 Analysis of variance effect test of TSR

2.4 抗反射開裂性能

圖4 OT試驗結果Fig.4 Results of OT test

采用意大利MATEST公司生產(chǎn)的Overlay Tester (OT)試驗機來評價熱再生瀝青混合料的抗反射開裂性能[20-21]，參照美國得克薩斯州頒布的OT試驗標準化試驗方法Tex-248-F[22]，OT試件為150 mm×75 mm×38 mm的長方體，試驗溫度25 ℃，試驗前試件在恒溫箱中保溫至少4 h以使試件內(nèi)部溫度均衡。加載模式為循環(huán)三角形位移控制，峰值位移為0.625 mm，加載周期10 s，當荷載損失率達到93%或試驗最大加載周期達到1 200次時停止試驗。OT試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，兩種拌制方式下1 200周期荷載損失率都隨RAP摻量的增加而增大，說明混合料的抗反射開裂性能逐漸變差。常規(guī)拌制方式下，50%RAP摻量的混合料荷載損失率為84.4%，較20%RAP摻量時增大了4.38%，且任意RAP摻量下荷載損失率都超過80%，而新拌AC20混合料一般為60%～70%，說明熱再生瀝青混合料的開裂風險性較大。新舊瀝青100%融合拌制方式下的荷載損失率由20%RAP摻量時的69.8%提升至50%RAP摻量時的72.2%，增大了3.38%。一方面，RAP的加入使混合料中的舊瀝青和舊集料增多，老化后的舊瀝青變硬對混合料的膠漿性能產(chǎn)生影響，同時也會影響膠漿與集料的界面粘附，對再生混合料的抗反射開裂性能不利。另一方面，在路面運營過程中，由于汽車荷載和環(huán)境因素的雙重影響，舊集料的各項技術性能相較于新集料來說也有所下降，因此含舊集料的RAP摻量越大，再生混合料越容易開裂。圖5所示的常規(guī)拌制方式下兩種RAP摻量的再生混合料OT試驗裂縫分布結果也佐證了這一點。由圖5可以看出：RAP摻量為20%時，熱再生瀝青混合料的開裂類型包括膠漿開裂和膠漿與集料的界面開裂；RAP摻量為50%時，混合料中的開裂類型除膠漿開裂、膠漿與集料的界面開裂外，還增加了舊集料處的開裂。在OT試驗條件下，混合料開裂主要是因為其承受的力超過了材料的抗拉強度，因此開裂面一般沿著混合料中抗拉強度最小的薄弱界面展開。而隨著RAP摻量的增大，混合料中舊集料比例隨之增大，相應增加了再生混合料中的薄弱面，從而降低了再生混合料的抗反射開裂性能。

圖5 20%RAP摻量和50%RAP摻量下裂縫擴展路徑Fig.5 Fracture propagation path under 20% RAP and 50% RAP content

進一步對比分析兩瀝青混合料OT試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，對于各RAP摻量，新舊瀝青100%融合條件下混合料的1 200周期荷載損失率均小于常規(guī)拌制，說明融合程度的提升改善了混合料的抗反射開裂性能。已有研究顯示，混合料中砂漿易產(chǎn)生較大水平拉應變，形成受力薄弱界面[23]，100%融合方式下拌制的混合料中新舊瀝青之間混合更充分，瀝青與集料間粘結力較強，有利于提高瀝青膠漿性能，混合料抗反射開裂性能有所增強。但隨著RAP摻量的增加，荷載損失率之間的差值變化不明顯，20%RAP摻量下二者相差11.03%，30%摻量下相差10.93%，40%摻量下相差11.92%，50%摻量下相差12.21%，數(shù)值基本一致。

由荷載損失率方差效應檢驗表(見表10)可知，RAP摻量和融合程度對應的F值都小于0.05，說明兩個因素對于混合料抗反射開裂性能的影響顯著，對比二者大小可得融合程度的影響更大。

表10 荷載損失率方差分析效應檢驗表Table 10 Analysis of variance effect test of load loss rate

3 界限RAP摻量確定

綜合分析以上試驗結果，除抗反射開裂性能外，20%RAP摻量下兩種方式拌制的熱再生瀝青混合料各項路用性能差異不大，新舊瀝青融合程度對于再生混合料性能的影響較??；但在50%RAP摻量下，兩種混合料性能差異較大。因此，熱再生瀝青混合料組成設計中必然存在一個界限RAP摻量:小于該摻量時可不考慮新舊瀝青融合程度，即假設新舊瀝青100%融合；大于該摻量時，則需要考慮新舊瀝青融合程度對再生混合料組成設計及其性能的影響。

為確定界限RAP摻量，選取動穩(wěn)定度、低溫彎曲應變以及TSR三項指標，定義各項性能的差異為：

(1)

(2)

(3)

由于OT試驗中荷載損失率差異隨RAP摻量的變化并不明顯，因此，在界限RAP摻量的研究中不考慮OT試驗結果。

將上述各項性能差異隨RAP摻量的變化進行多項式擬合，結果如圖6所示。

圖6 高溫差異、低溫差異和水穩(wěn)差異變化Fig.6 Variation of high temperature difference, low temperature difference and water stability difference

在各性能差異圖中連接RAP摻量為0%和50%的數(shù)據(jù)點，該線即為實測性能差異的平均增長線，其斜率為性能差異平均增長率。由圖6可知各性能差異的擬合曲線均呈現(xiàn)嚴格單調遞增規(guī)律，即隨RAP摻量的增加，兩種混合料之間的性能差異逐漸增大，說明常規(guī)拌和方式中新舊瀝青的融合程度越來越低。因此，可以從曲線中找到一點使其對應的斜率與性能差異平均增長率相等且具有如下特征：RAP摻量大于該點時，性能差異的變化率大于平均增長率；RAP摻量小于該點時，性能差異變化率小于平均增長率。定義該點為該性能差異的界限點，該點對應的RAP摻量則為界限RAP摻量。

各項性能的界限RAP摻量計算過程見表11。

表11 界限RAP摻量計算過程Table 11 Calculation process of boundary RAP content

由表11可知各性能差異的界限點所對應的RAP摻量分別為：高溫24.7%，低溫26.1%，水穩(wěn)24.9%。將三者取平均值得到需要考慮新舊瀝青融合程度的界限RAP摻量為25.2%，考慮到界限摻量受RAP中老化瀝青性質的影響，其應在20%～30%之間浮動，因此建議對RAP摻量大于30%的熱再生瀝青混合料進行配合比設計時應考慮新舊瀝青融合程度的影響。

4 結 論

(1)熱再生瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫性能，但其抗反射開裂性能相對較差；隨著RAP摻量的增加，混合料的高溫性能逐漸增強，低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗反射開裂性能逐漸減弱。

(2)與常規(guī)拌制方式相比，新舊瀝青100%完全融合拌制的再生混合料高溫性能較差，而低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗反射開裂性能均有所提高。且隨著RAP摻量的增大，混合料高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性的性能差異逐漸增大，說明新舊瀝青之間融合程度降低。

(3)RAP摻量及新舊瀝青融合程度均對熱再生混合料的高溫性能、低溫性能以及抗反射開裂性能有顯著影響，對于水穩(wěn)定性而言，僅RAP摻量對其有顯著影響。

(4)以兩種拌制方式下混合料的高溫性能差異、低溫性能差異及水穩(wěn)定性差異為基礎，當RAP摻量大于30%時，熱再生瀝青混合料配合比設計過程中應考慮新舊瀝青融合程度的影響。