軟粘結(jié)劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響研究

摘要：文章為了研究軟粘結(jié)劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響，通過制備5種不同比例（質(zhì)量比為30%、40%、50%、60%和70%）再生骨料的瀝青混合料，并分別添加軟粘結(jié)劑或再生劑，測試了混合料的體積特性、強(qiáng)度和剛度、水敏感性、車轍和中溫抗裂性能。結(jié)果表明：（1）再生骨料含量的增加和添加再生劑會(huì)降低瀝青混合料的體積特性；（2）所有瀝青混合料都達(dá)到了最低的抗拉強(qiáng)度比，均不會(huì)出現(xiàn)水敏感性問題；（3）瀝青混合料的強(qiáng)度、剛度和抗永久變形能力隨著再生骨料含量的增加而增大，添加再生劑可以減小瀝青混合料的回彈模量和抗車轍性能；（4）在瀝青路面工程施工中，適量添加再生劑能夠使再生骨料的使用比例提升至60%，同時(shí)不影響瀝青路面材料的整體性能。

關(guān)鍵詞：再生骨料；軟粘結(jié)劑；再生劑；再生瀝青混合料

中圖分類號：U416.217" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.011

文章編號：1673-4874（2024）11-0034-03

引言

在路面的使用壽命中，隨著路面的老化，路面層熱拌瀝青不斷碎裂，最終無法繼續(xù)使用［1］。為了恢復(fù)路面的使用功能，現(xiàn)有的路面表面需要更換為新的瀝青路面，這樣就產(chǎn)生了大量的再生瀝青混合料。材料短缺是道路可持續(xù)發(fā)展的主要障礙，由于缺乏填埋空間來堆放再生瀝青混合料，因此再生瀝青混合料的回收利用在路面建設(shè)中變得非常重要。

目前，在瀝青路面中使用再生瀝青混合料已經(jīng)很普遍，但再生瀝青混合料用量不宜過高［2］。研究表明，在熱拌瀝青中，當(dāng)再生瀝青混合料的含量在10%～30%時(shí)，再生瀝青混合料的性能與傳統(tǒng)混合料相當(dāng)［3］；當(dāng)再生瀝青混合料為40%時(shí)，會(huì)影響瀝青路面的動(dòng)態(tài)模量和破壞應(yīng)變，降低瀝青路面的疲勞壽命［4］；當(dāng)再生瀝青混合料含量為50%時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響瀝青路面的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和拉伸強(qiáng)度比［5］。

軟粘結(jié)劑和再生劑可以改善瀝青路面的性能。添加軟粘結(jié)劑的再生瀝青混合料的斷裂性能優(yōu)于傳統(tǒng)混合料，且可以提高混合料的抗疲勞性能［6］。再生劑能夠恢復(fù)再生瀝青混合料中老化粘結(jié)劑的流變、熱和化學(xué)特性。與使用天然瀝青混合料相比，摻入再生劑可改善再生瀝青混合料的車轍性能和水敏感性，提高混合料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性［7］。

在再生瀝青混合料中加入軟粘結(jié)劑和再生劑可以提高混合料的性能，但關(guān)于軟粘結(jié)劑和再生劑對高摻量再生瀝青混合料的影響研究較少。本文在不同摻量再生瀝青混合料中分別加入軟粘結(jié)劑和再生劑，研究了混合料的體積特性、間接抗拉強(qiáng)度、水敏感性、抗車轍性能、中溫開裂和回彈模量，旨在分析軟粘結(jié)劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1骨料

本文采用的骨料為天然骨料和再生骨料。天然骨料來自本地的采石場，再生骨料來自本地的一個(gè)道路修復(fù)項(xiàng)目中的瀝青路面廢棄物。天然骨料和再生骨料的物理性能如表1所示。

1.1.2瀝青粘結(jié)劑

采用低標(biāo)號瀝青（30#）作為軟粘結(jié)劑，與天然骨料混合制成對照混合料。通過離心萃取器和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器從廢棄瀝青路面材料中提取再生瀝青。再生瀝青25 ℃時(shí)的滲透值為65 mm，軟化點(diǎn)為46 ℃，25 ℃延度為16 cm。軟粘結(jié)劑針入度大、稠度小，可以中和再生瀝青，提高再生瀝青混合料性能。

1.1.3再生劑

本研究采用桐油作為再生劑。桐油是將采摘的桐樹果實(shí)經(jīng)機(jī)械壓榨、加工提煉制成的工業(yè)用植物油，含有大量的油酸和亞油酸，可以恢復(fù)再生瀝青的性能。桐油的密度為0.916 g/cm3，比重為0.898，135 ℃時(shí)的黏度為39.6 mm2/s，燃點(diǎn)為220 ℃。將再生瀝青在160 ℃的溫度下加熱45 s，加入再生劑并用機(jī)械攪拌器攪拌15 s，可以得到再生粘結(jié)劑。

1.2瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

本研究共制備了11組瀝青混合料，5種不同比例（質(zhì)量比為30%、40%、50%、60%和70%）再生骨料分別加入軟粘結(jié)劑和再生劑，1組為對照組。再生骨料分為粗骨料（粒徑＞4.75 mm）和細(xì)骨料（粒徑＜4.75 mm），按照合理級配與天然骨料進(jìn)行混合。瀝青混合料的配合比如表2所示。

1.3試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行測試。

1.3.1間接抗拉強(qiáng)度

間接抗拉強(qiáng)度用于確定瀝青的拉伸性能，從而進(jìn)一步確定路面的開裂性能。間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑100 mm×高63.5 mm的圓柱體試件，對圓柱體試件進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)直至失效。

1.3.2水敏感性

制備直徑100 mm×高63.5 mm的圓柱體試件進(jìn)行水敏感性試驗(yàn)，將試件壓實(shí)至空隙率約為7%。測試中使用兩組樣本：一組在水中浸泡24 h；另一組無浸泡作為對照試件。以浸泡試件的平均抗拉強(qiáng)度與對照試件的平均抗拉強(qiáng)度的比值來表示瀝青混合料的水敏感性。

1.3.3回彈模量

回彈模量用來表示瀝青混合料在反復(fù)壓縮載荷下的特性。本試驗(yàn)所用試樣的尺寸為直徑100～104.5 mm，厚度為38.2～63.5 mm。在計(jì)算回彈模量時(shí)考慮了10%～20%的失效載荷。循環(huán)加載過程中，固定加載時(shí)間為0.1 s，靜止時(shí)間為0.9 s。

1.3.4加速車轍試驗(yàn)

采用試驗(yàn)室車輪跟蹤裝置來評估瀝青混合料的抗車轍性能。試驗(yàn)采用滾軸壓實(shí)機(jī)，在尺寸為長305 mm×寬305 mm×高50 mm，空隙率為7%的試件上進(jìn)行。車轍深度數(shù)據(jù)連續(xù)收集10 000個(gè)周期。

1.3.5中溫開裂試驗(yàn)

開裂是瀝青路面的主要破壞形式之一，抗裂性是描述路面開裂的一個(gè)重要指標(biāo)。本文采用半圓彎曲試驗(yàn)評估瀝青混合料的抗斷裂性。試驗(yàn)采用直徑為150 mm、厚度為57 mm的半圓形試樣，試樣空隙率為7%。

2結(jié)果與討論

2.1體積特性

瀝青混合料的體積特性可以通過空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度3個(gè)參數(shù)來表示。各組瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度測試結(jié)果分別如圖1～3所示。

從圖1可以看出，各組瀝青混合料的空隙率均在2%～8%的理想范圍內(nèi)。瀝青混合料的空隙率隨再生骨料含量的增加而降低，但降低幅度很小。與添加軟粘結(jié)劑的混合料相比，添加再生劑的混合料空隙率下降。較低的空隙率會(huì)使混合料更為密實(shí)，為了使混合料獲得更好的和易性，可以減少瀝青用量。因此，添加再生劑可以節(jié)省瀝青的用量。

根據(jù)規(guī)范要求，瀝青混合料的礦料間隙率應(yīng)＞13%。從圖2可以看出，各組混合料均滿足規(guī)范，與對照組相比，添加軟粘結(jié)劑和再生劑的混合料礦料間隙率均有所降低。隨著再生骨料含量的增加，礦料間隙率逐漸降低。此外，在混合料中添加再生劑也會(huì)導(dǎo)致礦料間隙率降低。由于每種混合料的壓力是相同的，因此礦料間隙率的變化是由于軟粘結(jié)劑黏度的變化引起的。這表明再生劑具有降低黏度的作用，提高了瀝青混合料的和易性。

從圖3可以看出，混合料的有效瀝青飽和度在65%～75%，其變化規(guī)律與礦料間隙率相似。對照組的有效瀝青飽和度最高，再生骨料含量的增加和再生劑的添加均會(huì)導(dǎo)致有效瀝青飽和度減小。

2.2間接抗拉強(qiáng)度

瀝青混合料在4%空隙率下的間接抗拉強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可以看出，添加軟粘結(jié)劑時(shí)，間接抗拉強(qiáng)度隨再生骨料含量的增加而提高，且優(yōu)于對照組。隨著老化再生骨料添加量的增加，瀝青混合料的抗變形能力增加。再生骨料含量較低時(shí)（30%和40%），添加再生劑導(dǎo)致間接抗拉強(qiáng)度有所降低，這可能是加入再生劑后，再生粘結(jié)劑的軟化導(dǎo)致的。再生骨料含量為50%和60%時(shí)，添加再生劑的混合料比添加軟粘結(jié)劑的混合料表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。再生骨料含量為70%時(shí)，添加軟粘結(jié)劑的瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。

2.3回彈模量

各組瀝青混合料的回彈模量如圖5所示。較硬的混合料會(huì)產(chǎn)生較高的回彈模量。由圖5可以看出，與對照組相比，隨著再生骨料添加量的提高，混合料的回彈模量明顯增加。由此可以推斷，再生骨料的摻量越高，混合料的剛度越大。隨著再生骨料含量的增加，所有再生瀝青混合料的剛度都增加。然而，僅憑剛度并不能清楚地反映混合料的性能，因?yàn)榛旌狭系难诱剐院痛嘈砸矔?huì)影響混合料的性能。與含有軟粘結(jié)劑的混合料相比，摻入再生劑的混合料的回彈模量更低。

2.4水敏感性

混合料的水敏感性通常用抗拉強(qiáng)度比來表示，抗拉強(qiáng)度比是試件在濕狀態(tài)和干狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度的比值。較高的抗拉強(qiáng)度比表明混合料具有良好的抗?jié)衿茐男阅堋r青混合料在7%空隙率下的抗拉強(qiáng)度比如圖6所示。由圖6可以看出，所有混合料均滿足最小抗拉強(qiáng)度比（80%）。然而，隨著再生骨料含量的增加，抗拉強(qiáng)度比逐漸下降。含有軟粘結(jié)劑混合料的抗拉強(qiáng)度比為83.83%～93.45%，含有再生劑混合料的抗拉強(qiáng)度比為84.31%～92.29%。

從圖6還可以看出，添加再生骨料的混合料抗拉強(qiáng)度比高于對照組，隨著再生骨料含量的增加，抗拉強(qiáng)度比逐漸下降。這可能是由于混合料中存在老化的硬粘合劑，不易受潮；但隨著再生骨料含量的增加，混合料的和易性降低，導(dǎo)致混合料中的有效瀝青飽和度減小，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度比降低。與對照組相比，再生混合料對水敏感性的抵抗力更好。

2.5加速車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)可以評估瀝青混合料的永久變形能力。本研究采用的極限標(biāo)準(zhǔn)是車轍深度為12.5 mm或碾壓20 000次，各組瀝青混合料的平均車轍深度如圖7所示。

由圖7可知，在20 000次碾壓后得到了各組混合料的車轍深度，所有混合料的車轍性能均在臨界值以下（9.5 mm）?？梢钥闯?，添加再生骨料可以增強(qiáng)混合料的抗車轍性能，而添加再生劑則降低了混合料的抗車轍性能。這可能是再生骨料對混合料的硬化作用以及再生劑和軟粘結(jié)劑的軟化作用導(dǎo)致的。與再生混合料相比，對照組混合料的車轍深度最大。

2.6中溫抗裂性能

半圓彎曲試驗(yàn)確定的各組混合料的臨界應(yīng)變能如圖8所示。臨界應(yīng)變能越高，混合料的抗裂性能越好。根據(jù)規(guī)范要求，混合料最小臨界應(yīng)變能為0.5 kJ/m2。從圖8可以看出，除了70%再生骨料（S70和R70）混合料外，其余各組瀝青混合料均通過了上述標(biāo)準(zhǔn)。

從圖8還可以看出，含有30%再生骨料的瀝青混合料具有最高的臨界應(yīng)變能，臨界應(yīng)變能隨著再生骨料含量的增加而減小。然而，與對照組相比，含有30%和40%再生骨料的瀝青混合料的臨界應(yīng)變能更高，這可能是由于硬粘合劑的存在導(dǎo)致混合料的剛度更高。但隨著再生骨料含量增加，再生混合料的和易性降低，導(dǎo)致有效瀝青飽和度降低，使混合料的抗斷裂性能下降。

3結(jié)語

本文以低標(biāo)號瀝青為軟粘結(jié)劑，桐油為再生劑，在不同再生骨料含量下，研究了軟粘結(jié)劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響。研究結(jié)果表明：

（1）隨再生骨料含量的增加，瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度均有所降低，但空隙率降低幅度很小。與添加軟粘結(jié)劑的混合料相比，添加再生劑的混合料空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度均略有降低。

（2）在水敏感性測試中，所有瀝青混合料均滿足規(guī)定的最低抗拉強(qiáng)度比要求，因此均能有效避免水敏感性問題的發(fā)生。再生骨料含量和再生劑對抗拉強(qiáng)度比無明顯影響。中溫開裂測試中，除了S70和R70兩組混合料外，其余各組混合料的中溫開裂性能均較好，在瀝青混合料中添加再生劑對中溫開裂性能有明顯的改善。

（3）瀝青混合料的強(qiáng)度、剛度和抗永久變形能力隨著再生骨料含量的增加而增大。與添加軟粘結(jié)劑的混合料相比，添加再生劑可以減小瀝青混合料的回彈模量和抗車轍性能，但對混合料的強(qiáng)度無明顯影響。

（4）本研究通過試驗(yàn)測試表明，在瀝青路面工程施工中，適量添加再生劑能夠使再生骨料的使用比例提升至60%，同時(shí)不影響瀝青路面材料的整體性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］段國華，孫杰.自然老化對SBS改性瀝青多孔路面的影響［J］.山東交通科技，2023（4）：53-55.

［2］雷斌，周健英，余林杰，等.利用廢料制備再生瀝青混合料全生命周期的環(huán)境效益評價(jià)［J］.新型建筑材料，2023，50（5）：56-60.

［3］許營.基于水泥處理再生瀝青路面材料的試驗(yàn)研究［J］.建筑機(jī)械，2023（11）：110-113.

［4］楊巍，趙永偉，龍琰，等.不同舊料摻量下溫拌再生瀝青混合料的耐久性［J］.合成纖維，2023，52（10）：62-65.

［5］魏必成.大摻量RAP再生瀝青混合料性能研究［J］.建材世界，2023，44（5）：65-69.

［6］王文廣.道路施工中柔性瀝青混合料車轍現(xiàn)象的試驗(yàn)研究［J］.建筑機(jī)械，2023（5）：37-41.

［7］郭曉軍.再生劑對冷再生瀝青混合料性能的影響［J］.交通世界，2023（20）：57-59.

作者簡介：祖民星（1990—），碩士，工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-08