廢舊瀝青路面材料的再生利用研究

劉 歡，林 杰

（1.湖北交投高速公路運營集團(tuán)有限公司，武漢 430074；2.湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢 430100）

中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展離不開我國道路的不斷建設(shè)。根據(jù)交通運輸部發(fā)布的《2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，截至2020年底，我國公路總里程已經(jīng)達(dá)到519.81萬km，其中高速公路里程達(dá)到16.10萬km，里程數(shù)穩(wěn)居世界第一。公路養(yǎng)護(hù)里程也達(dá)514.40萬km，占公路總里程99.0%。有些道路經(jīng)過多年的使用已經(jīng)到了大中修階段，不可避免地產(chǎn)生了大量廢舊瀝青路面材料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）[1]，這使得我國不得不面對巨量RAP處理的問題。巨量RAP如果得不到妥善處理，會造成一系列的資源浪費和環(huán)境破壞問題。因此如何開展RAP的再生利用是我國道路領(lǐng)域需迫切解決的重點任務(wù)之一。

實際上，歐美和日本等發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)80年代就開展了RAP的再生利用研究。1981年美國就出版了《路面廢料再生指南》，大力發(fā)展路面再生技術(shù)，使得再生瀝青路面成為應(yīng)用最廣泛的再生產(chǎn)品之一[2]。后續(xù)日本也大力推動RAP再生技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段日本的RAP利用率已經(jīng)高達(dá)70%[3]。我國相關(guān)研究起步較晚，但也于2008年出版了JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》[4]。研究人員也針對RAP開展了廣泛研究，陳龍等[5]研究了新瀝青與舊瀝青相互融合的問題；郭乃勝等[6]開展了再生劑對溫拌再生瀝青混凝土工程性能的影響，發(fā)現(xiàn)再生劑對瀝青路面低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性有明顯改善作用；也有學(xué)者開展了RAP摻量對再生瀝青混凝土工程性能的影響研究[7]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在2019年重新修訂了規(guī)范，新出版了JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》，旨在進(jìn)一步提高RAP的利用率[8]。在實際工程中，RAP摻量一般控制在30%以下，這主要是因為RAP摻量的提高會顯著削弱再生瀝青混凝土的抗疲勞性能、抗水損害性能等。因此提高RAP摻量的同時保證再生瀝青混凝土的工程性能是推動其高效利用的關(guān)鍵。

本研究分析了在再生劑作用下RAP摻量對再生瀝青混凝土主要工程性能的影響，使用車轍試驗、四點彎曲疲勞試驗及水穩(wěn)定性試驗分別表征了再生瀝青混凝土的高溫性能、疲勞性能及水穩(wěn)定性能。旨在突破RAP在瀝青混凝土中的常規(guī)摻量，提高RAP的利用效率。

1 原材料性能

相關(guān)試驗所用的粗集料和細(xì)集料均為天然石灰?guī)r，填料為采用石灰?guī)r粉磨的礦粉，瀝青為AH-70號基質(zhì)石油瀝青，RAP為從湖北某高速公路面層銑刨的廢料。再生劑為江蘇某化工廠生產(chǎn)的高性能瀝青再生劑，其性能參數(shù)見表1。再生劑摻量為老化瀝青質(zhì)量的7%（廠家推薦值）。

表1 再生劑性能指標(biāo)

2 試驗方法

按照馬歇爾方法設(shè)計不同RAP摻量的再生瀝青混凝土。RAP的顆粒級配見表2，將RAP與新集料、礦粉及新瀝青等材料組合使用，設(shè)計再生瀝青混凝土。RAP的摻量分別設(shè)定為35%、40%、45%、50%、55%。每種RAP摻量的再生瀝青混凝土均分為添加再生劑和未添加再生劑2種情況。對設(shè)計出的再生瀝青混凝土進(jìn)行車轍試驗、四點彎曲疲勞試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。

表2 RAP的級配

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫性能

由圖1車轍試驗結(jié)果可知，相比于35%的RAP摻量，當(dāng)RAP摻量為40%、45%、50%、55%時，未加再生劑的瀝青混凝土動穩(wěn)定度分別增加了4.7%、11.2%、15.2%、27.8%；加再生劑后的瀝青混凝土動穩(wěn)定度則分別增加了6.7%、11.7%、16.0%、34.0%。說明無論添加還是不添加再生劑，再生瀝青混凝土的動穩(wěn)定度都隨著RAP摻量的增加而增加。說明RAP的摻入有利于提高瀝青路面的高溫性能，同時表明再生劑的加入也一定程度上提高了路面的抗車轍能力。

圖1 車轍試驗結(jié)果

這可能主要受RAP表面舊瀝青的影響，舊瀝青在路面服役過程中已經(jīng)嚴(yán)重老化，基本性質(zhì)發(fā)生了顯著改變：流變性能變?nèi)?，變硬、彈性增?qiáng)。這將導(dǎo)致再生瀝青混凝土在高溫環(huán)境下不易軟化，路面具有較好的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)引入再生劑后，雖然RAP表面舊瀝青發(fā)生一定程度的軟化，但軟化的舊瀝青得以與新瀝青相互融合，使得RAP與新瀝青的黏附狀態(tài)向再生體系中新集料與新瀝青的黏附狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因而，整個再生瀝青混凝土體系不同成分的配伍性得到改善，作用的均一性得到提高，因而再生瀝青混凝土的整體抗變形能力有所提高。

3.2 疲勞性能

采用四點彎曲疲勞試驗對再生瀝青混凝土的疲勞性能進(jìn)行評價。試驗采用應(yīng)變?yōu)?00 με，頻率為10 Hz，試驗溫度為15℃，將試件彎曲勁度模量降低到初始值50%時對應(yīng)的荷載循環(huán)加載次數(shù)作為疲勞壽命。疲勞試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著RAP摻量的增加，未加入再生劑和加入再生劑的再生瀝青混凝土疲勞壽命都逐漸減小，抗疲勞破壞能力逐漸下降，其中前者下降更為明顯。具體來看，在RAP摻量為35%時，加入和未加入再生劑的試件疲勞壽命分別為14.1萬次和12.3萬次，當(dāng)RAP摻量從35%逐步提高至55%時，前者疲勞壽命分別下降了6.4%、16.3%、40.7%、57.4%；后者疲勞壽命則分別下降了17.1%、30.1%、60.2%、78.9%。說明再生劑能顯著提高再生瀝青混凝土的抗疲勞破壞性能。

出現(xiàn)圖2所示結(jié)果，可能主要有以下原因。一是RAP表面老化瀝青韌性差，RAP的摻入導(dǎo)致瀝青混凝土變硬，且RAP摻量越多，影響越明顯。此外，在長期服役過程中，RAP中舊集料的強(qiáng)度、表面粗糙度等性能均發(fā)生了改變。因而RAP的摻入使瀝青混凝土的疲勞性能有所下降，且隨著RAP摻量的增加下降越來越明顯。另一方面，再生劑的加入使老化瀝青發(fā)生部分軟化，舊瀝青韌性得到提高，從而再生瀝青混凝土的抗疲勞破壞性能有所改善，但再生劑無法改善舊集料強(qiáng)度、表面粗糙度等性能問題。因而，隨著RAP摻量的增加，含再生劑的瀝青混凝土疲勞壽命依然出現(xiàn)不同程度的下降。

圖2 疲勞試驗結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性能

水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，無論加入再生劑與否，殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比都隨著RAP摻量的增加而下降。對于未加入再生劑的再生瀝青混凝土，RAP摻量為35%時，浸水殘留穩(wěn)定度為82.9%，凍融劈裂強(qiáng)度比為75.8%，隨著摻量的增加兩者均快速下降，在RAP摻量達(dá)到55%時，殘留穩(wěn)定度僅為64.9%，劈裂強(qiáng)度比為60.2%。可以看出水穩(wěn)定性是限制RAP摻量的重要原因。JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對普通瀝青混凝土水穩(wěn)定性指標(biāo)有較嚴(yán)格的要求：殘留穩(wěn)定度大于80%，劈裂強(qiáng)度比大于75%?？梢?，RAP摻量即便只有35%，不含再生劑的再生瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度比也僅勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求。對于加入再生劑的再生瀝青混凝土，水穩(wěn)定性則有了明顯改善，RAP摻量為35%時，殘留穩(wěn)定度為90.3%，劈裂強(qiáng)度比為84.4%，但隨著RAP摻量增加，水穩(wěn)定性指標(biāo)也逐漸下降，在摻量為50%時，殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比已經(jīng)分別降至79.9%和74.5%。已經(jīng)很難再滿足JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。因此，根據(jù)水穩(wěn)定性指標(biāo)的變化來看，大摻量RAP再生瀝青混凝土中需加入再生劑；即使加入再生劑，RAP摻量也應(yīng)控制在45%以內(nèi)，以免水穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求。

圖3 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

圖4 凍融劈裂試驗結(jié)果

大摻量RAP再生瀝青混凝土后，水穩(wěn)定性之所以會出現(xiàn)明顯下降，同樣和RAP的性質(zhì)密不可分。一方面，隨著RAP摻量的提高，舊瀝青含量逐漸增加，而老化瀝青較硬、較脆，導(dǎo)致舊瀝青與再生體系新材料間的黏結(jié)作用較差，在凍融和浸水環(huán)境中容易發(fā)生水損害。且隨著RAP摻量的增加，更易發(fā)生水損害，水穩(wěn)定性下降更加明顯。而再生劑含有輕質(zhì)組分，輕質(zhì)組分的增加會降低老化瀝青的黏度，同時降低瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量，使得瀝青有更好的極性，進(jìn)而提高了老化瀝青與再生體系中其他材料之間的黏附性，這將使得RAP再生混凝土的水穩(wěn)定性得到明顯提高，但再生劑摻量提高水穩(wěn)定能力有限，因此建議RAP摻量控制在45%以內(nèi)。

4 結(jié)束語

本研究旨在采用再生劑提高大摻量RAP瀝青混凝土的工程性能，在保證再生瀝青混凝土工程性能的前提下，達(dá)到提高RAP利用效率的目的。通過研究發(fā)現(xiàn)，隨RAP摻量的增加，再生瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性逐漸提高，疲勞性能和水穩(wěn)定性逐漸下降。采用再生劑可以改善再生瀝青混凝土的工程性能。對于大摻量RAP的再生瀝青混凝土，即使在加入再生劑的基礎(chǔ)上，也建議將其摻量控制在45%以內(nèi)，以確保水穩(wěn)定性指標(biāo)滿足規(guī)范要求。