高模量再生瀝青混合料性能研究

陳健俠，祝譚雍，李　偉，黃曉明

（1.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳　518035；2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096）

高模量再生瀝青混合料性能研究

陳健俠1，祝譚雍2，李偉2，黃曉明2

（1.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳518035；2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096）

為了研究熱再生高模量瀝青混合料的路用性能，通過將普通瀝青和不同摻量的布墩巖瀝青（BRA）配制成改性瀝青，分析了BRA摻量對改性瀝青性能的影響規(guī)律，并以改性瀝青混合料的動態(tài)模量為指標確定了BRA的合理摻量。通過測試不同舊料摻量下的再生混合料的動態(tài)模量、高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和疲勞性能，提出熱再生高模量瀝青混合料的舊料合理摻量。結(jié)果表明：隨著BRA摻量的提高，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性有所提升，BRA的合理摻量為40%。舊料摻量的提升對于再生混合料的模量提高影響不大；舊料摻量的提升有益于改善再生混合料的抗車轍性，但會影響其低溫穩(wěn)定性；在舊料摻量小于60%時，對高模量再生混合料水穩(wěn)定性影響不大；舊料摻量過高不利于高模量再生混合料的疲勞性能。

再生瀝青混合料；高模量；路用性能

0　引言

瀝青混合料的舊料再生技術(shù)自1915年誕生于美國以來，已經(jīng)出現(xiàn)了近一個世紀。該技術(shù)初期并未在美國的大規(guī)模公路建設(shè)中得到應(yīng)用。直至20世紀70年代石油危機的爆發(fā)，工程人員開始重視對瀝青混合料再生技術(shù)的研究[1-4]。目前，美國大部分州回收瀝青路面材料（RAP）在再生瀝青混合料中的摻量不到25%，我國對于再生瀝青混合料中的舊料摻量也控制得非常保守[5]。隨著瀝青的熱氧老化，瀝青質(zhì)含量升高，飽和分含量降低，其硬度變大，軟化點升高，黏度增大[6]。因此，再生混合料的高溫穩(wěn)定性能一般較為優(yōu)異且具有較高的模量。本文通過將巖瀝青改性瀝青應(yīng)用于瀝青混合料再生技術(shù)當中并加大舊料摻量，制備了高模量再生瀝青混合料，并對不同舊料摻量的再生混合料路用性能進行全面評價，提出合理的舊料摻量范圍。

1　再生混合料制備

1.1改性瀝青的制備

研究表明，布墩巖瀝青（BRA）具有四大優(yōu)點：（1）含氮量高；（2）具有“半聚合”作用；（3）具有很好的耐候性；（4）含蠟量不高[7，8]。以上優(yōu)點使得巖瀝青具有優(yōu)良的集料黏附性和抗老化性能。本研究中向基質(zhì)瀝青中摻入巖瀝青以制備巖瀝青改性瀝青，巖瀝青基本性能見表1?；|(zhì)瀝青采用韓國SK-70瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）的試驗標準，其各項性能指標見表2。

表1　巖瀝青基本性能

表2　SK-70瀝青基本性能

該研究采用的布敦巖瀝青產(chǎn)自于印尼布頓島，巖瀝青中瀝青含量較其他硬質(zhì)瀝青相比較少，約含有70%灰分。外觀呈黑灰色顆粒，易于儲存且不易結(jié)塊。由于巖瀝青中的瀝青質(zhì)含量高，飽和分含量相對較低，具有軟化點高，黏度大的特點，在道路使用中能夠有效改善路面的抗高溫變形以及抗水損壞性能，提升道路耐久性，延長路面使用壽命。

分別向SK-70基質(zhì)瀝青中摻加20%～80%摻量的巖瀝青制備BRA改性瀝青，測試不同BRA摻量改性瀝青混合料動態(tài)模量。BRA改性瀝青制備過程如下：將SK-70基質(zhì)瀝青加熱至135℃，分別按照所設(shè)計的摻量加入巖瀝青，保持溫度不變，人工攪拌5～10 min，使巖瀝青均勻分布于改性瀝青中，再將改性瀝青放入160℃的烘箱中培育1 h，取出后在150℃～170℃溫度下高速剪切15 min，在改性瀝青制備過程中的溫度不能超過170℃，防止基質(zhì)瀝青的老化。由于BRA巖瀝青中含有較多顆粒物，實驗過程中容易引起離析，在實驗澆模過程中應(yīng)注意攪拌均勻，避免實驗誤差。

1.2高模量再生瀝青混合料制備

再生混合料所采用的集料為石灰?guī)r，集料各項技術(shù)指標見表3。

表3　集料技術(shù)指標

對銑刨下的路面回收材料進行取樣研究，按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)要求，取樣前去除粗料料堆表面15～25 cm深度范圍內(nèi)舊料，將所取的舊料放置在空白場地并拌合均勻，按照四分法取樣方法，從對角方向?qū)εf料料堆進行取樣并拌合均勻。

將舊料放入60℃烘箱中烘干，并在60℃下采用干篩法測定舊料級配。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，在舊料中加入三氯乙烯并采用離心分離法抽提出瀝青溶液，采用阿布森法對瀝青溶液中的瀝青進行回收，并對老化瀝青的各項性能進行評價[9]。舊瀝青的各項性能見表4。

表4　各種瀝青性能指標

瀝青路面在經(jīng)受行車荷載作用下，集料被壓碎而變細，同時由于舊料在銑刨過程中會被粉碎而進一步變細，這會使得舊料與設(shè)計之初的級配發(fā)生較大變化[10]。舊料經(jīng)60℃預(yù)熱后采用人工將結(jié)團舊料分散，在加熱后結(jié)團的塊狀物逐漸消除，與實際的級配更加接近。將舊料經(jīng)過三氯乙烯溶解，去除表面瀝青并在烘箱中烘干，通過振動篩得其抽提后級配（見表5）。

表5　舊料級配

瀝青混凝土中面層模量對于夏季高溫車轍的產(chǎn)生具有重大影響，提高瀝青混合料中面層模量和抗剪強度能夠有效減少車轍的產(chǎn)生。通過參考我國AC-20瀝青混合料設(shè)計級配范圍的中值，提出高模量再生混合料合成級配（見表6），再生混合料的最佳油石比確定為4.8%。

表6　再生混合料合成級配

2　試驗結(jié)果

2.1BRA改性瀝青性能

通過對不同巖瀝青摻量下瀝青混合料的動態(tài)模量進行分析研究，從而最終確定巖瀝青摻量。分別向SK-70基質(zhì)瀝青中摻加20%～80%摻量的巖瀝青制備BRA改性瀝青。

BRA改性瀝青各項性能指標見表7。

由圖1可知，巖瀝青的加入使得BRA改性瀝青各項性能較基質(zhì)瀝青有不同程度的提升。隨著巖瀝青摻量的增加，改性瀝青軟化點逐漸減小，15℃軟化點較基質(zhì)瀝青分別減少11.7%、30.7%、70.9%和84.3%，25℃針入度和30℃針入度也分別有不同程度的下降，表明巖瀝青使改性瀝青變硬，黏度增大，能夠提升瀝青膠結(jié)料與集料黏附性。隨著巖瀝青摻量的增加，軟化點也有不同程度提升，20%～60%巖瀝青摻量軟化點均未得到顯著提升。當BRA摻量為80%時，軟化點由51℃提升至90℃，較基質(zhì)瀝青提升了76.5%。由于巖瀝青中含有天然瀝青，該部分天然瀝青由于含有較低成分的飽和分和較高成分的瀝青質(zhì)，提升改性瀝青溫度敏感性，使瀝青膠結(jié)料在高溫條件下具有良好的抗變形能力，從而減少車轍、擁抱等高溫病害的產(chǎn)生。巖瀝青的摻加使得延度得到迅速降低，巖瀝青摻量增至20%時延度減小幅度最大，20%摻量時改性瀝青延度為基質(zhì)瀝青的18.4%。這一方面是由于BRA屬于硬質(zhì)瀝青，其所含的天然瀝青具有硬度大、黏度高、抗低溫變形能力弱的特點；另一方面是因為巖瀝青是由礦物顆粒外裹覆一層天然瀝青所形成的混合物質(zhì)，在加熱攪拌過程中表面的天然瀝青與基質(zhì)瀝青相互融合，剩余的礦物顆粒分布于改性瀝青內(nèi)，阻斷了瀝青分子之間的連續(xù)性，瀝青分子間的連接力減小甚至消失，從而致使在受到外部拉力過程中極易產(chǎn)生斷裂，甚至發(fā)生脆性斷裂，因此BRA改性瀝青延度值不能夠作為膠結(jié)料低溫性能評判標準。當BRA摻量為80%時，混合瀝青中含有大量礦物顆粒，基質(zhì)瀝青無法將礦物顆粒有效黏結(jié)成為整體，試驗過程中未考慮80%巖瀝青摻量時延度。圖2為不同巖瀝青摻量下延度。

表7　改性瀝青性能指標

圖1　不同巖瀝青摻量下BRA改性瀝青性能

圖2　不同巖瀝青摻量下延度

根據(jù)以上研究結(jié)果，摻加巖瀝青后，瀝青膠結(jié)料變硬，黏度增大，軟化點升高，感溫性能下降，提升了高溫抗變形能力。法國高模量瀝青混合料研究表明，高模量瀝青混合料具有良好的抗高溫變形能力。本研究中瀝青混合料級配統(tǒng)一采用AC-20中值級配，在固定的油石比和4種BRA摻量下，BRA改性瀝青混合料分別成型，在15℃下進行動態(tài)模量試驗，動態(tài)模量變化規(guī)律見圖3。

圖3　不同BRA改性瀝青混合料15℃動態(tài)模量

由圖3可知，瀝青混合料動態(tài)模量隨著荷載頻率的增加不斷增長，在較低荷載頻率時，瀝青混合料動態(tài)模量均低于10 000 MPa，此時其抗高溫變形能力較弱。瀝青混合料動態(tài)模量隨著BRA摻量的增加不斷增加，當BRA摻量為20%時，15℃、10 Hz條件下動態(tài)模量為13 246 MPa；當摻量增至40%時，15℃、10 Hz動態(tài)模量增至14 507 MPa，較20%摻量提高9.5%，滿足法國設(shè)計規(guī)范中對于高模量瀝青混合料 (15℃、10 Hz≥14 000 MPa)的要求；BRA摻量為60%，15℃、10 Hz時動態(tài)模量為17 365 MPa，較20%摻量下提高約31%。考慮《布敦天然巖瀝青改性瀝青路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DBJ/CT 085—2010）參考標準及經(jīng)濟因素，最終確定巖瀝青摻量為40%。

2.2再生瀝青混合料路用性能研究

2.2.1動態(tài)模量

在15℃下對不同舊料摻量下混合料動態(tài)模量進行研究（見表8）。

由圖4可知，摻加舊料后混合料15℃下動態(tài)模量均高于未摻舊料下的動態(tài)模量，15℃、10 Hz下動態(tài)模量均超過20 000 MPa，RAP摻量為20%時動態(tài)模量達到最大，當摻量為40%～80%時，混合料動態(tài)模量隨著舊料摻量的增加不斷增加。20%舊料摻量下在15℃、10 Hz時動態(tài)模量達到24 605 Hz，較新料提升17%，表明動態(tài)模量隨舊料的摻加未產(chǎn)生明顯的提升。主要是由于在未摻加舊料時混合料動態(tài)模量已達到較高水平，舊料的摻加對動態(tài)模量很難起到明顯的改善作用。

表8　不同舊料摻量下動態(tài)模量

圖4　不同RAP摻量下動態(tài)模量

2.2.2高溫性能

對不同舊料摻量下瀝青混合料高溫性能進行研究，如圖5所示。瀝青混合料動穩(wěn)定度隨著舊料摻量的增加不斷提升，當舊料摻量不超過40%時，混合料動穩(wěn)定度沒有明顯改善；當舊料摻量達到60%時，動穩(wěn)定度由4 667次/mm提升到7 000次/mm；當舊料摻量增加到80%時，動穩(wěn)定度提升到7 700次/mm。動穩(wěn)定度出現(xiàn)上述情況主要是由于：（1）當舊料摻量較少時混合料中的瀝青主要源自新拌改性瀝青，瀝青混合料的性能與新料的新能相接近，當舊料摻量增至60%及以上時，混合料中瀝青主要取自老化瀝青，在相同實驗條件下導致混合料高溫性能得到明顯提升。（2）摻加舊料后，在拌合過程中舊料表面瀝青未能與基質(zhì)瀝青充分融合，部分瀝青仍然留在集料表面形成“黑石”，從而導致混合料中發(fā)揮粘結(jié)作用的瀝青減少，出現(xiàn)在高舊料摻量下混合料動穩(wěn)定度有明顯提升。

圖5　不同舊料摻量下瀝青混合料動穩(wěn)定度

2.2.3低溫性能

在-10℃下對不同舊料摻量下高模量瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，試驗結(jié)果（見表9）。

表9　不同舊料摻量下高模量瀝青混合料低溫性能

由表9可知，摻加舊料后混合料彎拉強度與舊料摻量成正比，加入舊料后瀝青混合料變硬，在相同瀝青含量下老化的舊料導致混合料剛度變大；破壞彎拉應(yīng)變則隨舊料摻量的增加不斷減小，由初始2 587 με減小至最終1 563 με，減小幅度達39.6%，加入舊料后的最大彎拉應(yīng)變均低于2 500 με，不符合規(guī)范中對于改性瀝青混合料的規(guī)定。摻加舊料后，混合料在低溫下承受荷載變形能力減弱，導致路面在寒冷條件下經(jīng)受車輛及溫度荷載時，極易產(chǎn)生低溫開裂。彎曲勁度模量隨舊料摻量增加不斷增大，未摻加舊料時勁度模量為3 289 MPa，但當舊料摻配率達到80%時，混合料勁度模量為7 908 MPa，舊料的加入導致混合料在低溫下變形能力減弱，低溫性能逐漸變差。

2.2.4水穩(wěn)定性能

當再生瀝青混合料分別摻加20%～80%舊料，通過采用凍融劈裂實驗對混合料抗水損害性能進行研究（見表10、圖6）。

表10　不同舊料摻量下水穩(wěn)定性

圖6　不同舊料摻量下凍融劈裂強度比

由表10可知，當摻入舊料后，混合料在凍融前劈裂強度逐漸升高，凍融劈裂強度比不斷減小，舊料摻量不超過60%時，凍融劈裂強度比超過80%均能滿足規(guī)范要求；摻量達到80%時，抗水損害性能已不能滿足規(guī)范要求。摻加舊料后，新舊瀝青不能充分融合，部分集料表面未能被瀝青完全裹覆，導致混合料空隙率逐漸增大，同時舊料經(jīng)受荷載老化后在經(jīng)受凍融等反復循環(huán)后，瀝青不能與集料很好黏結(jié)，導致抗水損害性能變差。

2.2.5不同舊料摻量下疲勞性能

在15℃下在瀝青混合料中摻加不同比例舊料，分別在0.2、0.3及0.4應(yīng)力比下進行混合料疲勞試驗（見表11）。

表11　不同應(yīng)力比下疲勞壽命

由表12可知，未摻加舊料混合料具有較大的k值及最小的n，表明在應(yīng)力較小情況下，混合料具有較高疲勞壽命，隨著荷載應(yīng)力的增加疲勞壽命減小速度較慢。當RAP摻量增加后，k值和n值均呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，k值隨舊料摻量的增加不斷減小，RAP摻量為20%時達到最大，但此時的n值也最大，疲勞壽命隨荷載應(yīng)力的增加減小速度最快，n值隨RAP摻量的增加先減小后變大，在舊料摻量為60%時達到最小值，但由于此時的k值也最小，在該舊料摻量下的疲勞壽命也未達到最佳狀態(tài)。舊料摻量為40%時，k值較大，n值較小，混合料疲勞性能為各舊料摻量下最優(yōu)。

表12　不同RAP摻量下瀝青混合料疲勞方程

3　結(jié)　論

向基質(zhì)瀝青中摻加不同摻量的布墩巖瀝青，測試BRA改性瀝青三大指標，得到針入度與延度隨BRA摻量增加而減小，軟化點隨BRA摻量增加而提升；對不同巖瀝青摻量下混合料15℃動態(tài)模量進行分析，最終確定巖瀝青合理摻量為40%。對BRA改性再生瀝青混合料的路用性能試驗研究表明，瀝青路面回收材料的加入未對動態(tài)模量產(chǎn)生明顯影響；再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨舊料摻量增加變大，舊料摻量低于40%時，高溫性能變化不大，舊料摻量達到60%時，動穩(wěn)定度顯著增加；舊料的加入使混合料低溫性能逐漸變差，舊料摻量為80%時，極限彎拉應(yīng)變減少40%，舊料摻量低于60%時，混合料抗水損害性能未有明顯變化，均能滿足我國規(guī)范要求；混合料疲勞性能隨舊料摻量增加逐漸變差，當舊料摻量為40%和60%時混合料k值較大、n值較小，疲勞性能較其他摻量相比較優(yōu)。

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U414

A

1009-7716（2016）03-0169-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.049

2015-12-15

陳健俠（1963-），男，廣東汕頭人，高級工程師，從事路橋設(shè)計工作。