考慮再生劑作用的溫拌再生瀝青混合料路用性能

郭乃勝，尤占平，趙穎華，譚憶秋

（1.大連海事大學 道路與橋梁工程研究所，遼寧 大連 116026；2.密歇根理工大學 土木與環(huán)境工程系，密歇根 霍頓49931；3.哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090）

廠拌熱再生技術具有混合料級配容易控制、質量穩(wěn)定、性能可靠等優(yōu)點，而且熱再生瀝青混合料（HRAM）的性能還能恢復到熱拌瀝青混合料的水平，因此特別適用于超期服役瀝青路面材料的再生利用.但是，在HRAM 生產過程中，較高的拌和溫度容易使回收瀝青路面材料（RAP）中的瀝青發(fā)生二次老化.若將溫拌瀝青技術與廠拌熱再生技術組合，進而實現溫拌再生技術，使得HRAM 的生產溫度降低，則既能節(jié)省能源，減少溫室氣體排放，又可增加RAP摻量.

近年來，國內外學者對溫拌再生技術進行了一定研究與應用，這些研究主要集中于溫拌再生瀝青混合料（WRAM）的路用性能，其中溫拌依靠添加化學溫拌劑、有機溫拌劑或者發(fā)泡技術來實現.應用較為廣泛的化學溫拌劑和有機溫拌劑分別以Evotherm［1－4］和Sasobit［5－8］為代表；發(fā)泡技術是利用發(fā)泡來增大瀝青膠結料的體積從而包裹集料，具體包括：包含水的發(fā)泡（采用合成沸石來獲得）、基于水的發(fā)泡（直接將少量水注入液體瀝青中）.目前發(fā)泡技術已在WRAM 中得到應用［9－12］.盡管部分學者已經就WRAM 的路用性能進行了研究，但仍存在不足之處.針對WRAM 路用性能的研究主要集中于不同溫拌劑和RAP摻量的影響分析，旨在最大限度地提高RAP摻量，但對于綜合因素影響的研究鮮有報道，因而無法為WRAM 的有效應用提供保證.同時，再生劑的使用始終是困擾著HRAM 乃至WRAM的應用問題.事實上，對于已經研究應用再生技術幾十年的美國而言，在再生劑的使用上也是十分慎重的，他們基本上是使用不同性能等級的新瀝青來調和舊瀝青，繼而達到再生瀝青的目標性能等級.然而，中國由于受到地域限制，部分地區(qū)高標號的瀝青較難獲得，施工技術人員亦對再生技術的應用缺少經驗，因此更期望于使用再生劑來調和新、舊瀝青，以保證再生瀝青混合料的質量；除此之外，也有一些溫拌劑產品含有活性劑成分，其被添加至WRAM中能夠在一定程度上促進新、舊瀝青的相容，從而使WRAM 的路用性能在不使用再生劑的條件下也能滿足使用要求.為此，本研究依托遼陽市小小線路面大修工程，選擇Evotherm－DAT（簡稱DAT），Evotherm－ET（簡稱ET）和S－I這3種同類型溫拌劑，3種RAP摻量1）本文所涉及的摻量、含量等除特別說明外均為質量分數.（20%，30%和40%）以及是否使用再生劑，對WRAM 進行路用性能試驗研究，并將其與HRAM 的路用性能進行比較分析，為WRAM 在路面工程中更好的應用提供借鑒.

1 試驗材料

根據遼寧省地方標準DB 21／T 1847—2010《瀝青路面廠拌熱再生技術指南》，采用再生瀝青混合料集料級配HRAM－16.其中，HRAM 的新料和RAP均來源于遼寧省遼陽市，RAP粒徑為10～20mm和0～10mm.不同RAP 摻量的HRAM 集料配比如表1所示.采用馬歇爾方法確定HRAM 的最佳瀝青用量.HRAM 的設計空隙率為4.5%（體積分數）；其拌和及壓實溫度分別為160，150 ℃.根據RAP中的瀝青老化情況，使用再生劑來恢復舊瀝青的性能，以期較好地達到A－90＃這一再生瀝青目標標號；再生劑摻量為舊瀝青含量的7%.

表1 不同RAP摻量的HRAM 集料配比Table 1 Combined aggregates gradation of HRAM with different RAP contents

2 WRAM 的拌和及壓實溫度

溫拌再生技術可以降低HRAM 的制備溫度，但這與溫拌劑的類型和性能緊密相關.本研究采用的3種溫拌劑均屬于表面活性類的化學溫拌劑.其中，DAT 型溫拌劑為棕色溶液，添加比例為瀝青質量的10.0%；S－I型溫拌劑為白色濃縮液，應用時需將濃縮液用水稀釋，濃縮液與水按7.6∶100.0的質量比調配成溫拌劑稀釋液，添加比例為瀝青質量的5.3%；ET 型溫拌劑可稱為DAT 溫拌劑的原液，其中基本不含水，添加比例為瀝青質量的0.6%.由于所用溫拌劑在瀝青混合料中的殘余量少于瀝青質量的1.0%，因此溫拌劑可不計入瀝青質量，并且不改變WRAM 的配合比設計.此外，由于所用溫拌劑的作用實質為表面活性劑成分在瀝青混合料內部形成潤滑結構，基本上不改變?yōu)r青膠結料的高溫黏度，因此基于瀝青黏溫曲線確定的混合料拌和及壓實溫度不適用于本研究的WRAM.為此，基于HRAM 與WRAM 這2種混合料成型試件的等體積參數原則，采用馬歇爾擊實法，并以設計空隙率為等體積參數，據此確定WRAM 的拌和及壓實溫度（擊實成型）.WRAM 的壓實溫度為100～140 ℃（以10 ℃為增量），拌和溫度較相應的壓實溫度提高10 ℃.WRAM 的制備溫度詳見表2.

表2 WRAM 的制備溫度Table 2 Fabrication temperatures of WRAM ℃

通過試驗分別測得不同制備溫度下WRAM 的毛體積相對密度及最大理論相對密度，由此計算出相應空隙率，進而由不同壓實溫度下RAP摻量與空隙率的關系（見圖1）來確定WRAM 的壓實溫度.

圖1 不同壓實溫度下RAP摻量與空隙率關系Fig.1 Relationship between RAP content and volume of air voids at different compaction temperatures

由圖1可見，在相同壓實溫度下，添加3種溫拌劑的WRAM 空隙率均隨著RAP 摻量的增加而增大；RAP摻量相同時，其空隙率則隨著壓實溫度的增大而減小.根據圖1所確定的WRAM 壓實溫度如表3 所示.由表3 可知，WRAM 的壓實溫度較HRAM 的壓實溫度（150 ℃）降低10～42 ℃，且降幅與RAP摻量和溫拌劑特性有關：在相同RAP摻量下，添加S－I型溫拌劑的降幅最大，而添加ET 型溫拌劑的降幅最小.此外，WRAM 的拌和溫度較相應的壓實溫度提高10℃.

表3 WRAM 的壓實溫度Table 3 Compaction temperatures of WRAM

3 WRAM 的路用性能

采用車轍試驗、凍融劈裂試驗和彎曲試驗來分別評價WRAM 的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能.另外，本研究亦分析了未使用再生劑的WRAM 路用性能，以探明再生劑對WRAM 路用性能的影響.未使用再生劑的WRAM 相當于在其中增加了新瀝青用量，即完全采用新瀝青來調和成再生瀝青目標標號.事實上，通過研究發(fā)現，用新、舊瀝青調和成的再生瀝青技術指標僅較使用再生劑時有所降低，但仍滿足A－90＃瀝青的技術要求.此外，由于未使用再生劑而增加的新瀝青用量基本較少（RAP摻量愈大，新瀝青用量增加愈少），平均約為0.08%，在確定WRAM 的最佳瀝青用量和制備溫度時即可忽略不計，將未使用再生劑的WRAM 最佳瀝青用量和制備溫度與使用再生劑時視為相同.另外，本文所用溫拌劑均屬于表面活性類產品，加入到HRAM 中對新、舊瀝青的調和有利，進而可提高再生瀝青的性能及再生劑的使用自由度.限于篇幅原因，此部分內容不再贅述.

3.1 高溫穩(wěn)定性能

圖2 WRAM 的動穩(wěn)定度Fig.2 Dynamic stability（DS）of WRAM

WRAM 的車轍試驗嚴格按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行，并以動穩(wěn)定度DS來表征其高溫穩(wěn)定性能.WRAM 的動穩(wěn)定度見圖2.由圖2可見，無論是否使用再生劑，WRAM的DS值均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中大于800次／mm 的技術要求，并且均隨著RAP摻量的增加而增大；與使用再生劑的WRAM相比，未使用再生劑的WRAM 其DS值增加明顯，如添加S－I，DAT 和ET 型溫拌劑的WRAM 其DS值分別平均增大30.50%，36.26%和23.86%.這是由于加入再生劑會降低RAP中的舊瀝青黏度，促進新、舊瀝青的相容，進而降低再生瀝青黏度，致使WRAM 的抗車轍性能有所降低.由圖2還可看到，RAP摻量相同時，無論是否使用再生劑，添加DAT型溫拌劑的WRAM 其DS值最大，添加ET 型溫拌劑的WRAM 其DS值最小.

3.2 低溫抗裂性能

WRAM 的彎曲試驗嚴格按照JTG E20—2011進行，試驗溫度為－10℃，采用最大彎拉應變εm來表征其低溫抗裂性能.WRAM 的εm與RAP摻量的關系見圖3.由圖3 可以看出，無論是否使用再生劑，WRAM 的εm值均隨著RAP 摻量的增加而減小；與使用再生劑的WRAM 相比，未使用再生劑的WRAM 其εm值明顯減小，如添加S－I，DAT 和ET型溫拌劑的 WRAM 其εm值分別平均減小17.40%，20.00%和17.82%.此外，無論是否使用再生劑，RAP 摻量相同時，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其εm值最大，添加ET 型溫拌劑的WRAM其εm值最小.當RAP摻量為20%，30%和40%時，在使用再生劑的情況下，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其εm值較添加ET 型溫拌劑的WRAM 分別增大9.16%，19.29%和51.84%；未使用再生劑的情況下，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其εm值較添加ET 型溫拌劑的WRAM 分別增大20.76%，27.40%和28.32%.由此可見，隨著RAP 摻量增加，εm的增幅逐漸加大，即溫拌劑類型對WRAM 低溫抗裂性能的影響差異逐漸顯著.另外，由圖3 可知，使用再生劑時，添加S－I和DAT 型溫拌劑的WRAM 均滿足JTG F40—2004 中對于εm值大于2 000×10－6的技術要求，而添加ET 型溫拌劑的WRAM 在RAP 摻量為30%，40%時其εm值則不滿足JTG F40—2004 的技術要求；未使用再生劑時，僅添加S－I和DAT 型溫拌劑且RAP 摻量為20%的WRAM 其εm值滿足JTG F40—2004的技術要求.這表明，相同條件下，使用再生劑的WRAM其低溫抗裂性能表現良好，而未使用再生劑的WRAM 其低溫抗裂性能降低明顯，特別是較高RAP摻量的WRAM，其低溫抗裂性能降低更加顯著.

圖3 WRAM 的最大彎拉應變εmFig.3 Maximum bending tensile strainεmof WRAM

3.3 水穩(wěn)定性能

凍融劈裂試驗嚴格按照JTG E20—2011進行，并以劈裂抗拉強度比TSR 來評價WRAM 的水穩(wěn)定性能.WRAM 的TSR 與RAP摻量的關系如圖4所示.由圖4 可以看出，使用再生劑時，除添加ET型溫拌劑、RAP 摻量為30%和40%的WRAM 之外，其他WRAM 均滿足JTG F40—2004 中關于TSR 值大于75%的技術要求；未使用再生劑的WRAM 則均不滿足JTG F40—2004的相關技術要求.這表明，再生劑對WRAM 的水穩(wěn)定性能具有顯著改善作用.WRAM 的TSR 值隨著RAP 摻量的增加而減小.RAP 摻量相同時，無論是否使用再生劑，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其TSR 值最大，添加ET 型溫拌劑的WRAM 其TSR 值最小.當RAP摻量為20%時，使用再生劑的情況下，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其TSR 值較添加ET 型溫拌劑的WRAM 增大14.55%；未使用再生劑的情況下，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其TSR 值較添加ET 型溫拌劑的WRAM 增大16.22%.由此可見，無論是否使用再生劑，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其TSR 值都要比添加ET 型溫拌劑的WRAM 大，且增大比例相近，這亦表明溫拌劑類型對WRAM 的TSR 值影響顯著.

圖4 WRAM 的TSRFig.4 TSR of WRAM

4 WRAM 與HRAM 的路用性能比較

由于在HRAM 的配合比設計中使用了再生劑，特別是關于WRAM 的路用性能研究已經明確了再生劑對其低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能具有顯著改善作用，因此選擇使用再生劑的WRAM 與之進行路用性能比較，以此來深入了解WRAM 的路用性能特點，并給出溫拌劑的選用建議.WRAM 與HRAM 的路用性能比較如圖5所示.圖5中的N20表示未添加溫拌劑、RAP 摻量為20%的HRAM；S20表示添加S－I型溫拌劑、RAP 摻量為20%的WRAM；以此類推.從圖5（a）可以看出，HRAM 的DS值滿足JTG F40—2004的技術要求，并且隨著RAP摻量的增加而增大；RAP 摻量相同時，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 其DS 值較HRAM 大，添加S－I和ET 型溫拌劑的WRAM 其DS 值則較HRAM 小.由圖5（b），（c）可知，HRAM 的εm和TSR 值均滿足JTG F40—2004的技術要求，同時，HRAM 的εm和TSR 值均隨著RAP摻量的增加而減小，在RAP摻量為40%時，其εm和TSR 值均接近JTG F40—2004的技術要求；RAP 摻量相同時，與HRAM 的εm和TSR 值相比，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 這2個值略有增大，添加S－I型溫拌劑的WRAM 這2個值與之基本接近，而添加ET 型溫拌劑的WRAM 這2個值則明顯減小，特別是RAP摻量為40%時，其εm值減小約31%.由此可見，與HRAM相比，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 路用性能略有提高，添加ET 型溫拌劑的明顯降低，添加S－I型溫拌劑的高溫穩(wěn)定性能降低、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能與之相近.這亦表明，即使是同類溫拌劑產品，其在WRAM 中產生的效果也不盡相同，因此使用WRAM 時選擇溫拌劑要十分慎重.另外，溫拌劑與再生劑、新瀝青及RAP 的多因素混合，以及在不同荷載工況下它們之間所產生的不同作用形態(tài)，在WRAM 的路用性能上也會呈現不同的表征結果，因此建議結合選用的材料進行路用性能研究，以明確其作用效果.

圖5 WRAM 與HRAM 的路用性能比較Fig.5 Comparison of performance between WRAM and HRAM

5 結論

（1）無論是否使用再生劑，WRAM 的DS 值均滿足JTG F40—2004的技術要求，僅從DS值滿足JTG F40—2004的技術要求角度而言，WRAM 具有較好的高溫穩(wěn)定性能.

（2）再生劑對WRAM，特別是較高RAP 摻量WRAM 的低溫抗裂性能具有顯著改善作用.其中，使用再生劑時，添加S－I 和DAT型溫拌劑的WRAM 其εm值均滿足JTG F40—2004 的技術要求，而添加ET 型溫拌劑時，除20%RAP 摻量的WRAM 之外，其他RAP摻量的WRAM 其εm值均不滿足JTG F40—2004的技術要求；未使用再生劑時，僅添加S－I和DAT 型溫拌劑、20%RAP摻量的WRAM 其εm值 能 滿 足JTG F40—2004 的 技 術要求.

（3）再生劑對WRAM 的水穩(wěn)定性能具有顯著改善作用.使用再生劑時，除添加ET 型溫拌劑、30%和40%RAP 摻量的WRAM 外，其他WRAM的TSR 值均滿足JTG F40—2004 的技術要求；而未使用再生劑的WRAM 其TSR 值均不滿足JTG F40—2004的技術要求.

（4）添加同類型溫拌劑的WRAM 其路用性能具有顯著差別.相同RAP 摻量下，無論是否使用再生劑，添加DAT 型溫拌劑的WRAM 路用性能最優(yōu)，添加ET 型溫拌劑的WRAM 路用性能最差.

（5）使用再生劑時，與HRAM 的路用性能相比，添加同類型溫拌劑的WRAM 路用性能呈現出不同的規(guī)律：添加DAT 型溫拌劑的WRAM 路用性能略有提高；添加ET 型溫拌劑的WRAM 路用性能明顯降低；添加S－I型溫拌劑的WRAM 其高溫穩(wěn)定性降低、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能與之接近.

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