彭文耀，李婷玉，陳宇亮，彭孝南

(1．湖南省平益高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000；2. 湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

近年來(lái)我國(guó)公路建設(shè)進(jìn)入全面養(yǎng)護(hù)時(shí)代，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年約有1萬(wàn)多km高速公路、近20萬(wàn)km普通公路需進(jìn)行大中修，每年養(yǎng)護(hù)大中修產(chǎn)生的瀝青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)近2億t，RAP作為一種可再生資源，其再生集料和再生瀝青均可用于瀝青混合料，這不僅可以解決其大量堆放給環(huán)境帶來(lái)的污染問(wèn)題[1-2]，同時(shí)也緩解了砂石資源供應(yīng)緊張局面，降低工程造價(jià)[3]。而基于目前國(guó)內(nèi)的再生技術(shù)，RAP的再生利用率不足30%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家90%以上的水平。由此可見(jiàn)，RAP的再生利用關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)其在再生混合料中的高摻量。

再生混合料中RAP含量主要取決于RAP的特性、再生劑類型和用量、級(jí)配設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝,以及施工攤鋪技術(shù)[4]。在高摻量RAP再生混合料方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[5]，CHEN[6]等的研究發(fā)現(xiàn)隨著老化瀝青摻量的增加，廠拌熱再生瀝青混合料的高溫性能不斷提高。當(dāng)摻量較低(30%)時(shí)，對(duì)低溫性能影響不大，但隨著含量的繼續(xù)增加，低溫性能顯著降低。Al-QADI[4]等在研究中發(fā)現(xiàn)，高RAP含量(大于25%)對(duì)于再生混合料的性能是不利的，它使得混合料的剛度增加，并導(dǎo)致混合料更容易疲勞失效。因此，許多國(guó)家和機(jī)構(gòu)不允許在熱再生混合料中使用超過(guò)40%的RAP[7-8]。最近的研究表明，如果對(duì)RAP進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠扑?、篩選和配比設(shè)計(jì)等處理，即使在100%熱再生條件下，再生混合料也可以取得良好的性能[9]。

RAP再生與其所使用的再生劑密不可分，但是，目前大部分研究往往只針對(duì)基質(zhì)瀝青的再生，而忽視了對(duì)改性瀝青再生的研究，這是導(dǎo)致RAP摻量較低、RAP利用附加值低、再生的SBS改性瀝青混合料性能差的主要原因之一。針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)老化瀝青和再生SBS改性瀝青混合料的雙重性能改善，來(lái)提升再生瀝青混合料的性能，以此實(shí)現(xiàn)同層位的RAP摻量不低于50%的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用廢舊瀝青混合料(RAP)取自湖南融城環(huán)?？萍加邢薰?，RAP中瀝青含量為4.30%，抽提后回收瀝青基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。再生混合料配比中，RAP分0～16、16～30 mm兩檔；粗、細(xì)新集料采用石灰?guī)r，顆粒粒徑分0～4.75、4.75～9.5、9.5～19 mm三檔?；旌狭嫌眯聻r青為SBS改性瀝青。

再生劑由國(guó)路高科工程技術(shù)研究院有限公司提供。高黏劑選用湖南省交通科學(xué)研究院有限公司自主研發(fā)的產(chǎn)品，加入瀝青后得到的高黏瀝青主要性能如表2所示。

表1 RAP中瀝青三大指標(biāo)與旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The resultsof three indexes and rotary viscosity of as-phalt in RAP

表2 高黏瀝青的性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of high viscosity asphalt

1.2 試驗(yàn)方案

在再生劑確定的條件下，基于馬歇爾試驗(yàn)完成配比設(shè)計(jì)，同時(shí)添加髙黏劑或復(fù)合改性劑制備高摻量RAP再生改性瀝青混合料，并與非雙改性的再生混合料進(jìn)行高溫性能、水穩(wěn)定性和低溫性能。各試驗(yàn)的混合料類型見(jiàn)表3。低溫性能評(píng)價(jià)采用小梁彎曲試驗(yàn)測(cè)試。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Testing program

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件，采用車轍試驗(yàn)(T0719—2011)評(píng)價(jià)混合料的高溫性能，試驗(yàn)條件為試驗(yàn)溫度為(60±1)℃，輪壓為(0.7±0.05)MPa，車轍儀帶有自動(dòng)采集試件變形的記錄裝置，每個(gè)配比試樣進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，取試驗(yàn)平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

1.3.2水穩(wěn)定性試驗(yàn)

重型擊實(shí)成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，分別采用浸水馬歇爾試驗(yàn)(T0709—2011)和凍融劈裂試驗(yàn)(T0729—2000)評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

1.3.3低溫性能試驗(yàn)

試件采用由車轍板切制的長(zhǎng)(250±2.0)mm，寬(30±2.0)mm，高(35±2.0)mm的棱柱體小梁，采用低溫彎曲試驗(yàn)(T0715—2011)評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)溫度控制為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，根據(jù)規(guī)范測(cè)定試件最大彎曲應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混合料配比設(shè)計(jì)

在對(duì)2種規(guī)格的RAP料進(jìn)行抽提篩分后，對(duì)RAP摻量為50%的再生瀝青混合料AC-20進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，表4列出了各檔礦料比例，級(jí)配曲線如圖1所示。

表4 再生瀝青混合料AC-20礦料比例Table 4 Proportion of ore material in reclaimed asphalt mix-ture AC-20 %

圖1 再生瀝青混合料AC-20的級(jí)配曲線Figure 1 Gradation curve of recycled asphalt mixture AC-20

基于設(shè)計(jì)配比，選取油石比4.3%為基準(zhǔn)，分別對(duì)3.3%、3.8%、4.3%、4.8%和5.3%共5個(gè)油石比進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，比較5種油石比下再生瀝青混合料AC-20的體積指標(biāo)，最終確定再生瀝青混合料AC-20的最佳油石比為4.5%。

2.2 路用性能

基于設(shè)計(jì)配比，以摻加再生劑、再生劑+復(fù)合改性劑和再生劑+高黏劑的3種再生改性混合料為研究對(duì)象，分析不同類型混合料的路用性能，包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。

2.2.1高溫穩(wěn)定性

對(duì)再生混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，3種再生方式下再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示，3種再生條件下的再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度皆遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，且2種方案的雙改性熱再生混合料的高溫穩(wěn)定性皆優(yōu)于單摻8%再生劑的再生混合料，其中復(fù)摻4%再生劑+4%復(fù)合改性劑的熱再生混合料高溫性能最佳，動(dòng)穩(wěn)定度為10 158次/mm，相較于單摻再生劑混合料的高溫穩(wěn)定性提高了15%。

圖2 再生瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Figure 2 Rutting test results of recycled asphalt mixture

2.2.2水穩(wěn)定性

再生瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖中試件的非條件和條件分別代表試件恒溫浸水48 h的養(yǎng)護(hù)條件和未浸水的對(duì)比養(yǎng)護(hù)條件。從試驗(yàn)結(jié)果可知，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度隨不同再生條件有著相似的變化趨勢(shì)。其中。相比于只加再生劑的混合料，復(fù)摻高黏劑的混合料獲得更佳的馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度，而對(duì)于復(fù)摻復(fù)合改性劑的混合料，此2項(xiàng)指標(biāo)有所降低。通過(guò)浸水和未浸水試件的馬歇爾穩(wěn)定度、經(jīng)凍融循環(huán)和未凍融循環(huán)試件的劈裂強(qiáng)度可分別計(jì)算出混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度和疲累強(qiáng)度比，如圖中所示。只添加8%再生劑混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比分別為92.6%和89.5%，與其相比，添加4%再生劑+4%復(fù)合改性劑混合料分別降低了0.4%和0.6%，而添加4%再生劑+4%高黏劑分別提高了3%和2%。對(duì)比之下，復(fù)摻4%再生劑和髙黏劑的混合料水穩(wěn)定性最佳，對(duì)應(yīng)的殘留馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比分別為95.4%和91.3%。綜合以上2項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)摻4%再生劑和髙黏劑最有利于提高高摻量RAP廠拌熱再生混合料的水穩(wěn)定性。

(a) 馬歇爾穩(wěn)定度

(b) 凍融劈裂強(qiáng)度

2.2.3低溫性能

瀝青混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)方法有多種[10-11]，本文采用中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中小梁彎曲試驗(yàn)，通常以彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和勁度模量等3個(gè)參數(shù)進(jìn)行低溫性能評(píng)估。文獻(xiàn)[12]顯示彎曲應(yīng)變能密度能夠很好地反映物體的低溫抗裂性，低溫下的瀝青混合料可以認(rèn)為是彈性材料，彎曲應(yīng)變能從能量角度對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將低溫彎曲試驗(yàn)整個(gè)彎曲破壞過(guò)程的瞬時(shí)彎拉應(yīng)力和彎拉應(yīng)變進(jìn)行累積，彎曲應(yīng)變能越大表示低溫抗裂性能越強(qiáng)。彎曲應(yīng)變能密度表達(dá)式如下：

式中：dW為材料應(yīng)變能微分；dV為材料體積微分；σij、εij分別為應(yīng)力、應(yīng)變微分。

高摻量RAP的熱再生瀝青混合料低溫性能通常難以滿足路面要求[13-14]，為探討50%RAP摻量的再生混合料低溫性能，本節(jié)選用如表5所示的4種混合料類型進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，采用彎曲應(yīng)變并結(jié)合彎曲應(yīng)變能密度來(lái)考察混合料的低溫彎曲性能。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

表5 低溫小梁彎曲試驗(yàn)混合料類型Table 5 Mixture types for low temperature trabecular bending test

圖4 再生瀝青混合料低溫小梁破壞應(yīng)變Figure 4 Failure strain of recycled asphalt mixture trabecula at low temperature

圖4中的試驗(yàn)結(jié)果表明，高黏劑與復(fù)合改性劑對(duì)再生混合料的低溫性能皆有積極影響。相比于只添加再生劑的再生混合料，再生劑+髙黏劑和再生劑+復(fù)合改性劑的2種雙改性再生混合料破壞應(yīng)變分別提高了11%和16%。4%再生劑+4%復(fù)合改性劑雙改性后的再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變是(2 526.2±523.3 )με，滿足規(guī)范中對(duì)于改性瀝青混合料2 500 με的要求，4%再生劑+4%高黏劑的雙改性再生瀝青低溫性能基本能夠滿足路用要求。雙改性途徑下混合料性能得到提升的主要原因?yàn)椋偕鷦┱{(diào)整了再生混合料中瀝青各組分含量，利于新舊瀝青的相互融合，而后高黏劑的加入增強(qiáng)了舊料與舊料,以及舊料與新料接觸界面間的黏結(jié)力，再生混合料整體性得到更好的提升；復(fù)合改性劑的加入主要是因?yàn)槠渲械呐悸?lián)劑增加了舊料的黏附性。

圖5 應(yīng)變與彎曲應(yīng)變能密度的關(guān)系Figure 5 Relationship between strain and bending strain energy density

圖5所示為再生混合料應(yīng)變與彎曲應(yīng)變能密度的關(guān)系，從中可以直觀地看出高摻量RAP熱再生混合料的應(yīng)變與彎曲應(yīng)變能密度呈良好的線性正相關(guān)，同一組試件破壞應(yīng)變由于高摻量RAP再生混合料的組成復(fù)雜性存在一定的離散性，而試件的破壞應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度之間卻始終存在著密切的線性正相關(guān)性。因此，通過(guò)最大彎曲應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度2個(gè)參數(shù)，可以較好地反應(yīng)高摻量RAP熱再生混合料的低溫抗裂性能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)選用再生劑和復(fù)合改性劑/髙黏劑對(duì)舊瀝青與舊瀝青混合料的雙重改性，結(jié)合一系列室內(nèi)試驗(yàn)探尋了50%RAP摻量的再生改性瀝青混合料的路用性能，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.馬歇爾試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)得出，再生混合料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的RAP粗(16～26.5 mm)、細(xì)(0～16 mm)兩檔比例為38∶12時(shí)，確定最佳的油石比為4.5%，在此配比下獲得了密實(shí)性良好的混合料結(jié)構(gòu)。

b.采用再生劑+復(fù)合改性劑和再生劑+髙黏劑的雙改性方案，高摻量RAP廠拌熱再生改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性相較單摻再生劑的混合料最高得到15%的提高，水穩(wěn)定性皆保持在90%左右。

c.通過(guò)最大彎曲應(yīng)變和彎曲應(yīng)變能密度2個(gè)參數(shù)可以較好地反應(yīng)高摻量RAP熱再生混合料的低溫抗裂性能，在雙改性的條件下，再生混合料的低溫性能得以提高并滿足了規(guī)范要求，研究解決了高摻量RAP再生混合料因低溫不足而無(wú)法應(yīng)用于道路中上面層的問(wèn)題。