舊瀝青混合料對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響

李秀君， 周維維， 李夢(mèng)晨

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

截至目前，泡沫瀝青的主要用途是能夠?qū)εf瀝青混合料（recycled asphalt pavement，RAP）進(jìn)行重新再生利用.大量研究表明，在一定程度上，礦質(zhì)混合料的性能是瀝青混合料性能的核心.對(duì)于高溫性能而言，有研究認(rèn)為，30%取決于瀝青，而70%取決于礦質(zhì)混合料［1］.因此，對(duì)于泡沫瀝青冷再生混合料性能影響來講，舊瀝青混合料的性能也勢(shì)必起到十分關(guān)鍵的作用.

雖然在應(yīng)用實(shí)踐中，已初步認(rèn)識(shí)到舊瀝青混合料不是傳統(tǒng)冷再生認(rèn)為的僅僅起到“黑石頭”的作用，但是國內(nèi)外眾多研究都很少涉及這部分內(nèi)容，這主要源于對(duì)舊瀝青混合料作用認(rèn)識(shí)不夠重視，以及對(duì)其研究具有相對(duì)復(fù)雜性.由于對(duì)舊瀝青混合料的認(rèn)識(shí)都是基于經(jīng)驗(yàn)，缺乏必要的理論依據(jù)，因此制約了泡沫瀝青冷再生混合料的合理使用.為了解決這一關(guān)鍵技術(shù)問題，本文將根據(jù)RAP中瀝青的老化程度、RAP中瀝青含量、RAP摻量等關(guān)鍵特征對(duì)再生后混合料性能的影響進(jìn)行研究，并試圖根據(jù)泡沫瀝青冷再生混合料性能要求，提出允許摻入的RAP最大量.

1 RAP中舊瀝青在再生過程中的作用

RAP是由專用設(shè)備（就地再生機(jī)、路面銑刨機(jī)等），將舊瀝青路面面層（有時(shí)會(huì)含有少量基層）銑刨、破碎后得到的具備一定級(jí)配的舊瀝青混合料，也稱銑刨料.由于舊瀝青混合料中組成的多樣性、瀝青的老化和集料的磨損，RAP會(huì)表現(xiàn)出與新集料不同的材料特征.在眾多再生工程中，RAP往往被看作“黑石頭”，認(rèn)為RAP中的老化瀝青與新瀝青沒有相互作用.但在應(yīng)用過程中，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)泡沫瀝青再生舊瀝青面層材料的成型效果（表面光滑度、致密性等）要好于泡沫瀝青再生瀝青面層材料和基層材料的混合物.圖1中為某道路泡沫瀝青再生基層施工7天后的芯樣，兩芯樣的回收料用量均為80%.其中，圖1（a）中試件的回收料包括30%二灰材料，圖1（b）中試件的回收料均為舊瀝青面層材料.顯然，圖1（b）中再生混合料芯樣完整、密實(shí)，外觀與熱拌瀝青混合料近似，說明舊瀝青在混合料中發(fā)揮了一定的粘結(jié)作用.而圖1（a）芯樣表面粗糙、松散、密實(shí)性差，這是源于其加入二灰材料后，較多的二灰材料粉塵粘附在新舊瀝青表面，削弱了新瀝青及部分舊瀝青的粘結(jié)作用，使得混合料密實(shí)性受到影響.由此說明RAP中的部分舊瀝青與舊瀝青、舊瀝青與新瀝青發(fā)生了相互作用，舊瀝青在一定程度下充當(dāng)著粘結(jié)料的角色.

圖1 泡沫瀝青冷再生混合料芯樣比較Fig.1 Contrast of core samples of cold recycling mixtures with foamed asphalt

此外，有關(guān)老化瀝青與新結(jié)合料的相互作用程度，美國聯(lián)邦公路局及其Surperpave專家工作組起草了Surperpave熱拌瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，其中包括了RAP的使用準(zhǔn)則［2］.在這個(gè)RAP使用準(zhǔn)則中，認(rèn)為RAP用量少于15%時(shí)，RAP中的老化瀝青可看作“黑石頭”，即RAP中的老瀝青對(duì)混合料性能沒什么影響；如果RAP用量在16%～25%時(shí)，選用的新結(jié)合料等級(jí)比不考慮RAP時(shí)的瀝青低一個(gè)PG（peformance grade）等級(jí)，即認(rèn)為部分老瀝青發(fā)揮了粘結(jié)作用；RAP含量在25%以上時(shí)，基質(zhì)瀝青的等級(jí)需要根據(jù)相應(yīng)的拌和圖表來確定.

文獻(xiàn)［3］研究發(fā)現(xiàn)，熱再生過程中再生劑與老瀝青不是物理意義上的結(jié)合，而是相互發(fā)生了一定化學(xué)作用，因此引進(jìn)了一個(gè)相互作用系數(shù)建立了NVR（normalized viscity ratio）模型來預(yù)估再生劑用量.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用該模型預(yù)估的RAP用量比只考慮再生劑填充在回收瀝青中的AI（asphalt institute）法更為合理［3－4］.

但是，對(duì)于冷再生技術(shù)，再生劑（新瀝青）的選擇取決于再生劑與老化瀝青交互作用的時(shí)溫效應(yīng).在環(huán)境溫度下，再生劑的再生過程是一個(gè)緩慢的物理化學(xué)作用的過程.再生劑與老化瀝青之間的反應(yīng)速度與再生劑類型、老化瀝青性能、老化瀝青含量及力學(xué)作用（例如拌和、壓實(shí)以及交通和氣候條件）有關(guān).而且，再生劑與老化瀝青的反應(yīng)并不是在整個(gè)混合料中同時(shí)發(fā)生，而是從它們之間的界面開始.此外，混合料的性能如強(qiáng)度、穩(wěn)定度等會(huì)隨水分和揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)而發(fā)生變化.因此，確定冷再生混合料養(yǎng)護(hù)后的力學(xué)性能要比簡(jiǎn)單確定混合物的相容性更為重要.從而，以舊瀝青混合料摻量及舊瀝青混合料中瀝青的老化程度入手，研究其對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響，對(duì)于理解再生劑與舊瀝青、舊瀝青與舊瀝青之間的相互作用，以及指導(dǎo)泡沫瀝青冷再生混合料的合理使用具有重要意義.

2 RAP對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響

2.1 RAP中舊瀝青老化程度的影響

2.1.1 原材料與混合料組成

為研究RAP中舊瀝青老化程度對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響，本文選用兩種不同來源的瀝青路面回收料，且均為瀝青面層RAP，分別定義為RAP－1、RAP－2.RAP－1來自浙江某泡沫瀝青廠拌再生工程，面層材料使用了5年；RAP－2來自河南某高速公路廠拌再生工程，面層材料使用了10年.

采用高速離心法和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法對(duì)兩種瀝青路面回收料進(jìn)行抽屜和瀝青回收試驗(yàn)，測(cè)得兩種RAP中瀝青含量分別為4.9%和4.7%.從兩種不同年限對(duì)應(yīng)的路面材料中回收得到的瀝青（recovered bitumen binder，RBB）分別記為RBB－1、RBB－2.對(duì)這兩種回收瀝青進(jìn)行針入度（25℃，100g，5s）、軟化點(diǎn)和粘度測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果列于表1.

由表1看出，使用了5年的回收料的瀝青老化程度明顯低于使用了10年的回收料，尤其前者的60℃粘度幾乎是后者的一半.

表1 回收瀝青常規(guī)指標(biāo)Tab.1 General index of recovered bitumen

相關(guān)研究認(rèn)為泡沫瀝青在再生混合料過程中，用RAP級(jí)配代替RAP真實(shí)級(jí)配是可行的［5－6］.因此本文在研究RAP特性對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能影響時(shí)不再考慮級(jí)配的影響.

用于發(fā)泡的瀝青采用殼牌70號(hào)瀝青，其最佳發(fā)泡條件為：瀝青溫度160℃，用水量為3%；對(duì)應(yīng)發(fā)泡效果為：膨脹率13，半衰期10s.

采用泡沫瀝青對(duì)RAP－1、RAP－2兩種瀝青回收料進(jìn)行再生，為了分析RAP中舊瀝青老化程度對(duì)再生混合料性能的影響，兩種再生混合料的瀝青用量與級(jí)配應(yīng)保持一致，即均采用2.5%的泡沫瀝青用量，集料組成為73.5%的瀝青面層RAP和1.5%的水泥，然后分別再加入一定級(jí)配的新集料，使得兩種RAP再生后混合料級(jí)配相同.兩種RAP的級(jí)配及最終混合料級(jí)配如表2所示.

表2 RAP及再生混合料級(jí)配（%）Tab.2 Graduations of RAP and recycling mixture（%）

2.1.2 混合料性能測(cè)定與分析

對(duì)兩種不同使用年限的RAP進(jìn)行泡沫瀝青冷再生，隨后測(cè)定兩種再生混合料試件的物理力學(xué)指標(biāo)，包括25℃干、濕劈裂強(qiáng)度（ITS）、60℃穩(wěn)定度、空隙率及20℃抗壓回彈模量，試驗(yàn)結(jié)果見圖2及圖3～5（見下頁）.

由圖2可見，RAP－1對(duì)應(yīng)的泡沫瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度均高于RAP－2對(duì)應(yīng)的再生混合料，尤其濕劈裂強(qiáng)度高出后者近9%，殘留強(qiáng)度比（TSR）也稍高于后者.再由圖4（見下頁）可看出，RAP－1對(duì)應(yīng)的泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率小于RAP－2對(duì)應(yīng)的再生混合料.這是由于RAP－1使用年限比RAP－2使用年限短.結(jié)合表1看出，前者舊瀝青粘度明顯小于后者，說明RAP－2使用年限相對(duì)較長，其瀝青老化嚴(yán)重.舊瀝青與泡沫瀝青相互作用程度較低，部分老化瀝青在短期內(nèi)不能發(fā)揮粘結(jié)作用，使得混合料空隙率相對(duì)較高.相反，RAP－1使用年限相對(duì)較短，僅為5年，瀝青老化程度較低，在再生過程中舊瀝青還能發(fā)揮一定的粘結(jié)作用，使得泡沫瀝青冷再生混合料空隙率相對(duì)較低，劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)性相對(duì)較高.

圖2 兩種再生混合料ITS及TSRFig.2 ITSand TSRof recycling mixtures

圖3 兩種再生混合料穩(wěn)定度Fig.3 Stability of recycling mixtures

圖4 兩種再生混合料空隙率Fig.4 Air voids of recycling mixtures

圖5 兩種再生混合料回彈模量Fig.5 Modulus of resilience of recycling mixtures

由于20℃抗壓回彈模量是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因此本文測(cè)定了兩種RAP對(duì)應(yīng)的再生混合料的回彈模量，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.由圖5看出，RAP－1對(duì)應(yīng)的再生混合料20℃抗壓回彈模量明顯小于RAP－2對(duì)應(yīng)的混合料，這是由于RAP－1中瀝青老化程度沒有RAP－2嚴(yán)重，RAP中瀝青粘度越低，對(duì)應(yīng)再生混合料的模量越小.

為分析RAP中瀝青老化程度對(duì)再生混合料高溫性能的影響，本文測(cè)定了兩種再生混合料60℃穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見圖3.由圖3看出，RAP－1對(duì)應(yīng)的再生混合料的穩(wěn)定度低于RAP－2對(duì)應(yīng)混合料的近17%.究其原因，一是源于RAP－1中的舊瀝青含量略高于RAP－2，較多的瀝青含量使得馬歇爾穩(wěn)定度減??；二是由于RAP－1中舊瀝青老化的程度相對(duì)較輕，而RAP－2部分瀝青老化嚴(yán)重，使得再生后馬歇爾穩(wěn)定度較高.

由此可見，RAP中舊瀝青的老化程度及舊瀝青用量對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的性能有一定影響.在同一泡沫瀝青用量下，舊瀝青老化越嚴(yán)重，其混合料的空隙率越大，劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)性越差.但舊瀝青老化嚴(yán)重的RAP，其60℃穩(wěn)定度相對(duì)較高，說明高溫性能增強(qiáng).此外，舊瀝青老化程度越高的RAP對(duì)應(yīng)的再生混合料抗壓回彈模量越大.因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，前期路況調(diào)查時(shí)，需要考察舊瀝青路面的使用年限及老化程度，對(duì)于使用年限較久、瀝青老化嚴(yán)重的舊瀝青混合料不宜再進(jìn)行泡沫瀝青再生應(yīng)用或者不適宜用于特重及重交通道路，否則其路用性能較差，不能滿足使用要求.

2.2 RAP摻量的影響

2.2.1 材料與混合料組成

為進(jìn)一步分析瀝青路面回收料對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響，本文在保證混合料級(jí)配基本不變、泡沫瀝青用量相同的情況下，對(duì)RAP摻量分別為0%、30%、70%及100%的泡沫瀝青冷再生混合料進(jìn)行了性能測(cè)定與分析.所用RAP級(jí)配如表2中的RAP－2，混合料最終級(jí)配同表2.仍采用殼牌AH－70瀝青，泡沫瀝青用量恒定為2.5%，水泥用量為1.5%.

由于RAP干密度與新集料干密度相差較大，而混合料在拌和過程中的最佳拌和用水量必須根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定的最佳含水量確定，因此對(duì)上述4種RAP摻量下的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得最佳含水量和最大干密度如圖6所示.由圖6可看出，泡沫瀝青冷再生混合料的最佳含水量隨RAP摻量的增加而增加，最大干密度則隨著RAP摻量的增加而減小.

2.2.2 混合料性能測(cè)定與分析

對(duì)4種不同摻量的RAP進(jìn)行泡沫瀝青冷再生，對(duì)再生混合料按規(guī)范要求測(cè)定混合料的物理力學(xué)指標(biāo)，如空隙率、25℃干、濕劈裂強(qiáng)度、60℃穩(wěn)定度，并回歸各測(cè)定指標(biāo)值與RAP摻量的函數(shù)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖7～10.

圖6 RAP摻量對(duì)擊實(shí)結(jié)果的影響Fig.6 Influence of the content of RAP on compaction

圖7 RAP摻量與空隙率的關(guān)系Fig.7 Relation between the content of RAP and air voids

圖8 RAP摻量與ITS的關(guān)系Fig.8 Relation between the content of RAP and ITS

圖9 RAP摻量與TSR關(guān)系Fig.9 Relation between the content of RAP and TSR

圖10 RAP摻量與穩(wěn)定度關(guān)系Fig.10 Relation between the content of RAP and stability

a.對(duì)抗拉性能及水穩(wěn)性影響

根據(jù)圖7可看出，泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率隨著瀝青路面RAP摻量的增加而增大，尤其當(dāng)RAP摻量從70%遞增到100%時(shí)，遞增幅度更大.空隙率與RAP摻量具有二次拋物線關(guān)系.由于RAP中老化瀝青常溫下勁度較高，流動(dòng)性差，混合料不易壓實(shí)致密，所以再生混合料中RAP摻量越多，混合料空隙率越高.

由于高含量RAP具有較高的空隙率，由圖8～9可見其水穩(wěn)性相對(duì)較差.泡沫瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度及殘留強(qiáng)度比與RAP摻量有較好的線性關(guān)系，它們隨著瀝青面層RAP摻量的增加而降低，干濕ITS及TSR與RAP摻量相關(guān)公式分別如下式（1）～（3）.

式中：ITSdry為25℃干劈裂強(qiáng)度，MPa；ITSwet為25℃濕劈裂強(qiáng)度，MPa；TSR為殘留強(qiáng)度比，%；x為再生混合料中RAP摻量，%

根據(jù)式（1）～（3）可計(jì)算出，當(dāng) RAP摻量為100%時(shí)，25℃干、濕劈裂強(qiáng)度分別為0.314 9MPa和0.225 8MPa，殘留強(qiáng)度比為80.05%，與浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路泡沫瀝青冷再生路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》（DB33／T 715—2008）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）中的要求值相比，顯然只能滿足中等以下交通公路而不能滿足中等以上交通公路的要求.

為使泡沫瀝青冷再生混合料25℃干、濕劈裂強(qiáng)度及殘留強(qiáng)度比均滿足中等以上交通公路要求，將《規(guī)程》中干劈裂強(qiáng)度要求值0.4MPa及殘留強(qiáng)度比75%分別代入式（1）和式（3），計(jì)算得出RAP摻量分別為77.2%、87.6%，兩者取低值為77%.

因此，根據(jù)本文研究的結(jié)果，認(rèn)為在進(jìn)行泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮再生混合料的使用場(chǎng)合，對(duì)RAP最大摻量進(jìn)行控制.例如，基于本文所研究的混合料，建議泡沫瀝青冷再生混合料抗拉性能及水穩(wěn)性滿足中等以上交通公路要求時(shí)，RAP摻量不能超過77%.

b.對(duì)高溫穩(wěn)定性影響

由圖10可見，60℃穩(wěn)定度隨著RAP摻量的增加顯著降低，兩者有較好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)公式如式（4）.

式中：S為60℃穩(wěn)定度，KN；x為再生混合料中瀝青面層RAP摻量，%.

由于RAP中含有較多舊瀝青，這些舊瀝青在常溫下流動(dòng)性差，但在60℃超常溫下逐漸軟化，使得混合料穩(wěn)定度降低.由此也說明RAP中的舊瀝青不能簡(jiǎn)單看成“黑石頭”，而應(yīng)當(dāng)看作部分粘結(jié)料.當(dāng)RAP摻量較高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低泡沫瀝青的用量，否則泡沫瀝青冷再生混合料的高溫性能會(huì)削弱.尤其當(dāng)泡沫瀝青再生層鋪筑完后在其上鋪筑熱拌瀝青混合料時(shí)，再生層將間接加熱并再次壓實(shí)，若瀝青用量過高，混合料將過早出現(xiàn)車轍、波浪等早期損壞.

為使泡沫瀝青冷再生混合料60℃穩(wěn)定度滿足重交通公路要求，將常溫下成型時(shí)的泡沫瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度要求值5.0KN代入式（4），計(jì)算得出RAP摻量為73.4%.為使泡沫瀝青冷再生混合料60℃穩(wěn)定度滿足中等交通道路要求，將穩(wěn)定度要求值4.0KN代入式（4），計(jì)算得出RAP摻量為85.8%.

因此，為使該文中研究的泡沫瀝青冷再生混合料60℃穩(wěn)定度滿足重交通公路要求，瀝青面層RAP摻量不能超過70%；為滿足中等交通公路要求，泡沫瀝青冷再生混合料中RAP用量不能超過85%.

3 結(jié) 論

本文基于兩種使用年限不同、舊瀝青老化程度不同的RAP，分析了RAP中舊瀝青老化程度、舊瀝青含量、RAP摻量等對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響，主要結(jié)論如下：

a.試驗(yàn)研究表明，在同一泡沫瀝青用量下，RAP中舊瀝青老化越嚴(yán)重，其混合料的空隙率越大，劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)性越差，但60℃穩(wěn)定度及抗壓回彈模量相對(duì)較高；RAP中舊瀝青含量越多，再生混合料高溫穩(wěn)定性越差.

b.泡沫瀝青冷再生混合料中RAP摻量對(duì)混合料性能有較大影響，在某一固定的泡沫瀝青用量下，RAP摻量越多，混合料的空隙率越高，高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性越差.

c.針對(duì)本文采用的舊瀝青混合料及固定的級(jí)配，研究得出為使該泡沫瀝青冷再生混合料抗拉性能及水穩(wěn)性滿足重交通公路要求，RAP摻量不宜超過80%.為使泡沫瀝青冷再生混合料60℃穩(wěn)定度滿足重交通公路要求，RAP摻量不宜超過70%；為滿足中等交通公路要求，RAP摻量不宜超過85%.

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