岳宗豪 趙 磊 王 真 連 超

1中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院 北京 100080

2北京市政路橋建材集團(tuán)有限公司 北京 100176

1.原材料及配合比設(shè)計(jì)

再生劑性質(zhì)如表1所示，其中A、B為中石油燃料油有限公司研究院所開發(fā)的不同粘度的再生劑，C為市場上常用再生劑。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，再生劑B閃點(diǎn)為202℃，雖然小于規(guī)范要求，但再生瀝青混合料生產(chǎn)過程中，礦料加熱溫度一般小于190℃，因此也可嘗試使用。三種再生劑其他指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表1 再生劑原料性能試驗(yàn)結(jié)果

對北京地區(qū)常用的兩檔回收瀝青路面材料（0-12mm，12-25mm）進(jìn)行了試驗(yàn)分析，首先通過抽提試驗(yàn)將回收瀝青路面材料中的瀝青與礦料分離，確定回收瀝青路面材料的礦料級配及油石比，為目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)果如表2至表4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出舊礦料各項(xiàng)性能優(yōu)異，具有較高的再生利用價(jià)值。

表2 回收瀝青路面材料礦料級配

表3 回收礦料（＞4.75）各項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果

表4 回收瀝青路面材料（RAP）性能指標(biāo)

將抽提出的舊瀝青與抽提溶劑三氯乙烯的混合液放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中分離，獲得回收瀝青，并根據(jù)再生瀝青性能的試驗(yàn)結(jié)果，向回收瀝青中加入不同比例的再生劑進(jìn)行性能恢復(fù)，回收瀝青及再生瀝青的性能如下表所示，經(jīng)試驗(yàn)確定，A、再生劑B、再生劑C的添加比例分別為15%、8%、12%時(shí)，再生瀝青的性能可基本恢復(fù)到新瀝青水平，該摻量即作為再生瀝青混合料中再生劑的摻量（與舊瀝青的質(zhì)量比）。

表5 回收瀝青及再生瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

本文所用礦料及新瀝青各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，新瀝青為凱意70#基質(zhì)瀝青。再生瀝青混合料級配為AC-20C，舊料添加比例為20%，通過馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，級配情況如下圖所示，以再生劑A為例進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，最佳油石比為4.4%。當(dāng)使用再生劑B、C時(shí)，調(diào)整新瀝青用量以保證再生瀝青混合料油石比不變。

2.高溫穩(wěn)定性能

道路瀝青及瀝青混合料都是粘彈性材料，其性能與加載時(shí)間和溫度密切相關(guān)。在高溫條件下，車輪荷載的作用極易出現(xiàn)車轍，造成瀝青路面的永久變形，從而影響行車安全、舒適性和路面壽命。本文通過車轍試驗(yàn)評價(jià)再生瀝青混合料高溫抗車轍性能，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表6中可見，添加三種再生劑的再生瀝青混合料動穩(wěn)定度均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004的性能要求，使用再生劑B時(shí)再生瀝青混合料動穩(wěn)定度略低，這是由于再生瀝青混合料中再生劑與老化瀝青無法完全混合均勻，而再生劑B粘度較低，易導(dǎo)致混合料中出現(xiàn)軟弱層，從而使瀝青混合料動穩(wěn)定度降低。

3.水穩(wěn)定性能

評價(jià)混合料水穩(wěn)定性的方法，通常分兩類，第一類是評價(jià)瀝青與礦料的粘附性，這是進(jìn)行礦料選擇和評價(jià)的重要內(nèi)容；第二類是評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性，評價(jià)方法是采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果分別采用浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度和凍融前后的劈裂強(qiáng)度比雙指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。本文采用后者進(jìn)行再生瀝青混合料水穩(wěn)定性評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表8 凍融試驗(yàn)結(jié)果

由以表7及表8中數(shù)據(jù)可見，添加3種再生劑的再生瀝青混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度及劈裂強(qiáng)度比均能滿足現(xiàn)行規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。

4.低溫抗裂性能

瀝青混合料的低溫抗裂性主要取決于其中的結(jié)合料，結(jié)合料的勁度和延度以及溫度敏感性都直接影響混合料的抗裂性，目前國內(nèi)評價(jià)混合料低溫性能的控制指標(biāo)主要是低溫彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變。由于再生混合料的性能含有一定量的舊瀝青，其低溫性能更是再生混合料的重要性能指標(biāo)，對添加不同再生劑的熱再生AC-20混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表9所示。

表9 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可見，添加三種再生劑的的再生AC-20瀝青混合料均具有良好的低溫抗裂性能，使用再生劑A時(shí)再生瀝青混合料低溫抗裂性優(yōu)于再生劑B、C，低溫彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。

5.動態(tài)力學(xué)性能及疲勞性能研究

（1）再生AC-20瀝青混合料動態(tài)函數(shù)算法

動態(tài)粘彈特性是瀝青混合料的重要性能，動態(tài)粘彈特性指標(biāo)是瀝青混合料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。本文針對添加不同再生劑的再生AC-20瀝青混合料進(jìn)行動態(tài)粘彈特性研究，測試再生瀝青混合料的動態(tài)模量及相位角，并繪制主曲線，為再生瀝青混合料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)體工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

不同溫度下的動態(tài)模量水平平移可通過非線性最小二乘擬合實(shí)現(xiàn)，使之形成西格摩德（Sigmoid）函數(shù)，并同時(shí)獲得時(shí)溫等效轉(zhuǎn)換所需的移位因子，如式(1-1)所示。

式中

fr——參考溫度下的荷載頻率，也稱為縮減頻率；

α、β、γ、δ——回歸參數(shù)；

δ+α ——動態(tài)模量極大值的對數(shù)；

β、γ ——描述西格摩德函數(shù)形狀的參數(shù)。

基于移位因子，動態(tài)模量和相位角可在一定的溫度條件下（參考溫度）建立隨頻率變化的主曲線。粘彈性材料的移位因子計(jì)算可以通過三種方式：方法一是最常用的WLF方程，NCHRP 1-37A中的Witczak模型采用WLF方程，如式(1-2)所示；方法二是通過Arrhenius模型；方法三基于轉(zhuǎn)換瀝青膠結(jié)料的流變數(shù)據(jù)公式。

式中

αT——T溫度條件下的移位因子；

C1、C2——常數(shù)；

T0——參考溫度；

T——單個(gè)試驗(yàn)的溫度。

將不同溫度下的動態(tài)模量基于移位因子平移形成主曲線，移位因子代表各溫度下的動態(tài)模量曲線到參考溫度下主曲線的平移距離，可在非線性最小二乘擬合中確定移位因子。

（2）再生AC-20瀝青混合料動態(tài)模量

本研究中采用AMPT試驗(yàn)機(jī)，如下表10所示，測試了添加再生劑A、B、C的熱再生AC-20混合料在4℃、20℃、40℃三個(gè)不同溫度和0.1Hz、1Hz、10Hz頻率下的動態(tài)模量，并根據(jù)時(shí)間——溫度置換原理（Time-Temperature Superposition principle）利用非線性最小二乘擬合的方法得到了參考溫度下的動態(tài)模量主曲線和時(shí)間——溫度轉(zhuǎn)化因子，并進(jìn)一步確定了相位角主曲線，用以描述瀝青混凝土的粘彈性性質(zhì)。

圖1 動態(tài)模量試驗(yàn)儀（SPT）

熱再生AC-20瀝青混合料動態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表10。

表10 熱再生AC-20混合料動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

注：1Ksi×6.895=1MPa

由上表數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高和頻率的降低，動態(tài)模量均有下降的趨勢。也就是說在高溫和慢速交通條件下，瀝青混合料的動態(tài)模量均有所降低，再生瀝青混合料同樣如此。而低溫和快速交通條件下，瀝青混合料的動態(tài)模量均是增加的。

（3）復(fù)數(shù)動態(tài)模量主曲線確定

相對于給定的溫度，頻率水平移動的數(shù)量值被定義為移位因子α（T），如下式所示，實(shí)際頻率除以移位因子就得到主曲線中的減縮頻率，因此，在繪制主曲線的過程中，必須使用一個(gè)參考溫度TR，其它數(shù)據(jù)均以此為基礎(chǔ)進(jìn)行平移得到，在參考溫度下，移位因子α（T）=1，對于粘彈性材料，確定移位因子可以采用不同的幾種模型，其中最常用的是W.L.F方程。在得到每個(gè)溫度每個(gè)頻率下的模量值和相位角后，可以確定不同溫度下的移位因子，將原始數(shù)據(jù)處理后，便得到了模量主曲線?；赟igmoid反曲函數(shù)采用非線性回歸方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以繪制出復(fù)數(shù)模量E*主曲線。添加不同再生劑的再生AC-20瀝青混合料動態(tài)模量主曲線回歸參數(shù)如表11所示，動態(tài)模量主曲線及相位角主曲線如圖2至圖7所示。

表11 動態(tài)模量主曲線回歸參數(shù)

圖2 添加RA25的再生瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

圖3 添加RA25的再生瀝青混合料相位角主曲線

圖4 添加再生劑A的再生瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

圖5 添加再生劑A的再生瀝青混合料相位角主曲線

圖6 添加再生劑B的再生瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

圖7 添加再生劑B的再生瀝青混合料相位角主曲線

從以上數(shù)據(jù)可以看出，添加三種再生劑的再生瀝青混合料動態(tài)模量較為接近，表明添加所開發(fā)再生劑的再生瀝青混合料的動態(tài)力學(xué)性能達(dá)到同類產(chǎn)品的水平。可以看出添加A的回歸參數(shù)α絕對值最大，表明該種再生瀝青混合料較其他兩種再生瀝青混合料具有較高的溫度敏感性。

6.疲勞性能研究

目前，世界各國應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的方法很多，大致分為四類。一是實(shí)際路面在真實(shí)的汽車荷載作用下進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，以美國ASSHO試驗(yàn)路最為典型；二是模擬汽車荷載對足尺路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，以研究其疲勞性能，主要包括加速加載試驗(yàn)和環(huán)道試驗(yàn)；第三類是樣板試驗(yàn)法，有動輪輪跡式、脈沖壓頭式、動板輪跡式等；第四類是室內(nèi)小型試件的疲勞試驗(yàn)。由于前三種方法耗資巨大，試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)結(jié)果受特定路面材料以及環(huán)境條件限制，不能普遍推廣，因此目前各國大多數(shù)采用的還是室內(nèi)小型試件的疲勞試驗(yàn)。

疲勞試驗(yàn)條件匯總?cè)缦拢?/p>

試驗(yàn)方法：四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，也稱三分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)；

試件成型方法：用輪碾法成型450mm×300mm×100mm大車轍板試件；

試驗(yàn)試件尺寸：將車轍板試件切割成長380mm±5mm，寬63.5±5mm，高50±5mm梁式試件；

溫度：15℃±0.5℃；

加載模式：應(yīng)變控制；

加載波形：偏正弦波；

頻率：10Hz；

試件破壞標(biāo)準(zhǔn)：材料勁度模量下降到初始勁度模量的50%。

表12 熱再生AC-20混合料疲勞壽命

幾種瀝青混合料疲勞壽命由大到小依次為：新拌瀝青混合料＞添加再生劑A的再生瀝青混合料＞添加再生劑B的再生瀝青混合料＞添加再生劑C的再生瀝青混合料。由試驗(yàn)結(jié)果可知，添加所開發(fā)再生劑的熱再生AC-20混合料疲勞性能與相同級配及油石比的新拌瀝青混合料疲勞性能相當(dāng)，優(yōu)于市場上同類產(chǎn)品。

7.主要研究結(jié)論

（1）根據(jù)不同的再生劑，完成了三個(gè)配合比設(shè)計(jì)。分別確定了回收瀝青混合料礦料級配，油石比，確定了回收瀝青性質(zhì)，根據(jù)再生瀝青性能規(guī)律，確定了再生劑比例，經(jīng)驗(yàn)證再生瀝青性能滿足要求。進(jìn)行回收礦料、新礦料性能檢驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證，回收礦料及新礦料性能均滿足相關(guān)要求，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，確定了三個(gè)再生ZAC-20C瀝青混合料合成級配。

（2）項(xiàng)目驗(yàn)證減四線油做再生劑再生瀝青混合料路用性能，再生瀝青混合料類型為：ZAC-20，RAP添加比例為：20%。再生瀝青混合料ZAC-20各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范要求，從混合料角度證明了所開發(fā)再生劑的適用性。

（3）以RA25作為再生劑，通過再生瀝青混合料的材料設(shè)計(jì)及性能研究，證明了添加RA25的再生瀝青混合料性能滿足規(guī)范要求，達(dá)到市場同類產(chǎn)品水平，具有較為優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、力學(xué)性能、耐久性等，可以進(jìn)行實(shí)體工程應(yīng)用。

（4）以減三線油作為再生劑，通過再生瀝青混合料的材料設(shè)計(jì)及性能研究，證明了添加減三線油的再生瀝青混合料性能滿足規(guī)范要求，達(dá)到市場同類產(chǎn)品水平，具有較為優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等。

8.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過車轍試驗(yàn)評價(jià)了熱再生AC-20瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)了再生混合料的水穩(wěn)定性，通過小梁彎曲試驗(yàn)評價(jià)了再生混合料的低溫抗裂性，驗(yàn)證添加第一次送樣的減四線油、第二次送樣的RA25、第三次送樣的減三線油的再生瀝青混合料路用性能完全滿足規(guī)范要求，從而驗(yàn)證第一次送樣的減四線油、第二次送樣的RA25、第三次送樣的減三線油可作為再生劑使用。

（2）測試了添加第二次送樣的RA25作再生劑的再生瀝青混合料靜態(tài)模量，并在不同溫度和荷載作用頻率下測試了其動態(tài)模量，根據(jù)時(shí)間——溫度轉(zhuǎn)換原理利用非線性最小二乘擬合的方法得到了參考溫度下的動態(tài)模量主曲線，并進(jìn)一步確定了相位角主曲線，為路面設(shè)計(jì)提供輸入?yún)?shù)。

（3）檢測了添加第二次送樣的RA25作再生劑的再生瀝青混合料的抗疲勞性能，證明其抗疲勞性能能夠滿足規(guī)范要求。

9.取得的主要成果

本文通過混合料路用性能、力學(xué)性能、耐久性研究，從再生瀝青混合料分析所開發(fā)再生劑的適用性，主要研究結(jié)論如下：

（1）本文首先確定了回收瀝青混合料礦料級配，油石比，確定了回收瀝青性質(zhì)，根據(jù)再生瀝青性能規(guī)律，確定了再生劑比例，經(jīng)驗(yàn)證再生瀝青性能滿足要求。

（2）項(xiàng)目驗(yàn)證添加再生劑A、B時(shí)再生瀝青混合料路用性能，再生瀝青混合料類型為：ZAC-20，RAP添加比例為：20%。再生瀝青混合料ZAC-20各項(xiàng)路用性能均滿足規(guī)范要求，使用再生劑B時(shí)再生瀝青混合料動穩(wěn)定度略低，使用再生劑A時(shí)再生瀝青混合料低溫抗裂性優(yōu)于再生劑B、C，從混合料角度證明了所開發(fā)再生劑的適用性。

（3）隨著溫度的升高和頻率的降低，動態(tài)模量均有下降的趨勢。添加三種再生劑的再生瀝青混合料動態(tài)模量較為接近，表明添加所開發(fā)再生劑的再生瀝青混合料的動態(tài)力學(xué)性能達(dá)到同類產(chǎn)品的水平。添加再生劑A的再生瀝青混合料較其他兩種再生瀝青混合料具有較高的溫度敏感性。

（4）幾種瀝青混合料疲勞壽命由大到小依次為：新拌瀝青混合料＞添加再生劑A的再生瀝青混合料＞添加再生劑B的再生瀝青混合料＞添加再生劑C的再生瀝青混合料。由試驗(yàn)結(jié)果可知，添加所開發(fā)再生劑的熱再生AC-20混合料疲勞性能與相同級配及油石比的新拌瀝青混合料疲勞性能相當(dāng)，優(yōu)于市場上同類產(chǎn)品。

（5）從再生瀝青混合料路用性能、力學(xué)性能、疲勞性能來看，所開發(fā)再生劑達(dá)到市場同類產(chǎn)品水平。