多次再生瀝青混合料瀝青組分遷移及其性能

王 杰， 秦永春， 曾 蔚， 徐 劍， 黃頌昌

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)， 北京 100088)

中國對于瀝青路面再生技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)70年代，與冷再生技術(shù)相比，熱再生技術(shù)適用性強(qiáng)、質(zhì)量相對穩(wěn)定[1-3]，因而得到廣泛應(yīng)用.目前，國內(nèi)外針對廢舊瀝青混合料(RAP)1次熱再生技術(shù)，如再生可行性的基礎(chǔ)理論、室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)體工程已進(jìn)行了較為深入的研究[4-6].此外，在再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)、路用性能評價(jià)和施工工藝等方面也取得了大量研究成果.

與普通瀝青路面一樣，再生瀝青路面的使用性能在交通荷載和環(huán)境的耦合作用下也會發(fā)生衰減，達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后，同樣面臨大修或重建，所產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料能否多次重復(fù)再利用，已引起廣泛關(guān)注[7-8].僅考慮1次再生，忽視其重復(fù)再利用，不利于經(jīng)濟(jì)和社會效益的最大化，導(dǎo)致瀝青路面再生技術(shù)存在“后顧之憂”.然而關(guān)于此方面的研究目前還很少.當(dāng)前及今后一段時(shí)間，中國道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將持續(xù)推進(jìn)，對于筑路材料的需求量也將有增無減，因此研究瀝青路面的多次再生技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)路面可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

鑒于此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M瀝青混合料的多次再生過程，針對普通廢舊瀝青路面的熱再生工藝，從瀝青老化和再生機(jī)理角度，探討了普通廢舊瀝青混合料多次再生的可行性，研究了多次再生后瀝青混合料性能的變化規(guī)律，以期對瀝青路面多次再生技術(shù)提供理論支持.

1 試驗(yàn)

1.1 瀝青混合料的室內(nèi)老化模擬方式

目前，實(shí)體工程中僅涉及RAP的1次再生，對于1次再生瀝青路面銑刨后的回收料，還無法從現(xiàn)場獲取，因此，本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)來模擬瀝青混合料的多次再生過程.美國SHRP計(jì)劃提出了瀝青混合料的室內(nèi)加速老化試驗(yàn)方法，包括短期老化和長期老化，其中長期老化需要將短期老化后的混合料進(jìn)行壓實(shí)成型，老化時(shí)間較長，且該方法后期需對老化后的試件進(jìn)行破碎以便獲取回收料.因此為便于多次再生試驗(yàn)的開展，本文采用短期老化方法，通過調(diào)整瀝青混合料在烘箱中的老化溫度和老化時(shí)間來制備老化瀝青混合料.作為對比分析，1次老化瀝青混合料也通過室內(nèi)試驗(yàn)制備.

瀝青混合料老化模擬方式為：將拌制的瀝青混合料以21～22kg/m2均勻攤鋪于搪瓷盤上，然后放入160℃烘箱中加熱9h(通過前期試驗(yàn)確定，保證回收老化瀝青性能接近實(shí)際工程)，以1次/h的頻率用鏟翻拌混合料，最后從烘箱中取出備用.

1.2 再生瀝青混合料的多次再生步驟

采用1.1節(jié)方法制備1次老化瀝青混合料后，按照舊料摻量50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量、油石比等除特別注明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)進(jìn)行AC-13型1次再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì).此2步為1個(gè)循環(huán)，2次以及3次再生瀝青混合料的制備過程只需重復(fù)上述步驟.

采用阿布森法分別回收1次、2次和3次老化瀝青混合料中的瀝青，然后添加不同摻量的再生劑，測試其針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度和4組分摻量；同時(shí)對1次、2次、3次再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和動態(tài)黏彈特性進(jìn)行測試.為便于對比分析，對全新瀝青混合料也進(jìn)行了同樣測試.

1.3 再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用新瀝青為泰普克70#A級道路石油瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1.再生劑主要技術(shù)指標(biāo)見表2.

表1 70#A瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 再生劑主要技術(shù)指標(biāo)

通過馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行AC-13型瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，然后按照1.2節(jié)方法進(jìn)行瀝青混合料的多次再生試驗(yàn).為便于對比分析，多次再生瀝青混合料礦料級配設(shè)計(jì)盡量一致，見表3.表4為多次再生瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)，其中OAC為最佳油石比，VA為空隙率，VMA為礦料間隙率，VFA為有效瀝青飽和度，MS為馬歇爾穩(wěn)定度，F(xiàn)V為馬歇爾流值.

表3 多次再生瀝青混合料礦料級配

表4 多次再生瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)

由表4可知，參照1次再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，混合料經(jīng)過2次和3次再生后，其馬歇爾體積指標(biāo)均可滿足現(xiàn)行JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求.

2 多次再生瀝青混合料中的瀝青性能評價(jià)

將再生劑按3%、6%和9%(以老化瀝青質(zhì)量計(jì))分別加入到1次、2次和3次老化瀝青混合料回收得到的瀝青中，測試其相關(guān)指標(biāo)，其中4組分測試方法參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T 0618—1993方法，試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 再生劑摻量對多次老化瀝青性能的影響

由表5可知：對于1次再生瀝青，隨著再生劑摻量的提高，其針入度、延度增加，軟化點(diǎn)、黏度減小，老化瀝青性能得到改善，綜合其經(jīng)濟(jì)性，擬定再生劑摻量為6%；對于2次再生瀝青，當(dāng)再生劑摻量為6%時(shí)，其性能與1次再生瀝青接近，為便于對比分析，擬定2次老化瀝青再生劑摻量為6%；同理，3次再生瀝青混合料的再生劑摻量也取為6%.

2.1 宏觀性能分析

將瀝青經(jīng)歷3次老化、再生后(再生劑摻量均為6%)的性能進(jìn)行綜合分析，結(jié)果見圖1.

圖1 瀝青性能隨老化和再生次數(shù)的變化Fig.1 Variation of asphalt properties with change of aging and recycling cycle

由圖1可知：瀝青經(jīng)歷3次老化后，再生劑仍可改善其性能；隨著再生次數(shù)的增加，針入度無明顯差異，軟化點(diǎn)增加，延度降低，相比于1次再生瀝青混合料，3次再生瀝青混合料的延度降低了35%，黏度逐漸增大.這表明瀝青經(jīng)歷多次再生后，流變性能變差，高溫性能得到了提升，低溫性能出現(xiàn)了明顯衰減.

2.2 組分分析

由表5可知，隨著再生劑摻量的提高，多次再生瀝青組分含量的變化規(guī)律類似，即芳香分含量增加，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)含量降低，并逐漸接近于新瀝青組分含量，說明再生劑可通過調(diào)節(jié)各組分的含量使多次老化后的瀝青進(jìn)行再生.

假設(shè)再生瀝青組分為再生劑組分與舊瀝青組分之和，則：

(1)

式中：Aa為老化瀝青中組分含量，%；Ar為再生劑中組分含量，%；x為再生劑摻量%，y為再生瀝青組分含量，%.

由式(1)可得再生瀝青各組分含量的計(jì)算值.1次再生瀝青組分含量實(shí)測值與計(jì)算值隨再生劑摻量的變化見圖2.

圖2 1次再生瀝青組分含量的實(shí)測值與計(jì)算值Fig.2 Tested and calculated values for recycled asphalt component content of first cycle

由圖2可知，芳香分的實(shí)測值比計(jì)算值高，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)則剛好相反，且這種差異隨再生劑摻量的增加而增大，而飽和分無明顯變化.研究表明[9]，再生劑與舊瀝青未發(fā)生化學(xué)反應(yīng).由此可知，再生瀝青中組分的變化一方面是再生劑組分調(diào)節(jié)作用所致，另一方面是再生劑在舊瀝青中發(fā)揮了增溶作用，減小了輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分間的界面張力，提高了兩者的互溶程度，促使膠質(zhì)包裹的瀝青質(zhì)膠團(tuán)分散、溶解.因此，再生瀝青組分的變化是組分調(diào)節(jié)和增溶作用共同所致的.為此，式(1)修正為：

(2)

式中：m，n為增溶作用修正系數(shù).

表6 多次再生瀝青組分含量與再生劑摻量關(guān)系

綜上可知，再生瀝青中組分的變化是再生劑組分調(diào)節(jié)和增溶作用共同所致.為了分析多次再生條件下二者作用的差異性，以芳香分含量實(shí)測值與計(jì)算值之間的相對誤差作為評價(jià)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見 圖3.由圖3可知：多次再生條件下，再生瀝青芳香分含量相對誤差隨著再生劑摻量的增加而增大，表明再生劑在舊瀝青中起到的增溶作用逐漸增強(qiáng)；不同再生劑摻量下，芳香分含量相對誤差依次為1次再生瀝青>2次再生瀝青>3次再生瀝青.再生劑在1次老化瀝青中的增溶作用最強(qiáng).經(jīng)非線性分析可知，再生瀝青芳香分含量相對誤差與再生次數(shù)呈較好的指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95以上，表明再生劑在舊瀝青中的增溶作用隨著再生次數(shù)的增加呈指數(shù)式衰減，即1次再生時(shí)，增溶作用最強(qiáng)，之后組分調(diào)節(jié)作用逐漸占主導(dǎo)效應(yīng).

圖3 多次再生瀝青的芳香分含量相對誤差隨再生劑 摻量的變化Fig.3 Variation of aromatic content relative error of multiply recycled asphalt with change of rejuvenating agent content

3 多次再生瀝青混合料的性能評價(jià)

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)評價(jià)多次再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型φ150× 105mm 的圓柱形試件，然后鉆芯并切割成φ100× 100mm 的圓柱形試件，控制空隙率(體積分?jǐn)?shù))為 (7± 0.5)%.測試方法參照J(rèn)TG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄F執(zhí)行，結(jié)果見表7.

表7 多次再生瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：再生瀝青的添加使得混合料的貫入深度減小，貫入強(qiáng)度增大，表明再生瀝青混合料的高溫性能得到了提升；經(jīng)過2次、3次再生后，再生瀝青混合料的高溫性能進(jìn)一步增強(qiáng)，如3次再生混合料的單軸貫入強(qiáng)度相比于1次再生混合料提高了17.6%.通過非線性分析可知，再生瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度與再生次數(shù)呈較好的對數(shù)關(guān)系.

3.2 低溫抗裂性

采用半圓彎拉試驗(yàn)來評價(jià)多次再生瀝青混合料的低溫抗裂性.在設(shè)定尺寸的簡支半圓試件跨中頂部位置作用恒定荷載直至試件斷裂.采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型φ150×105mm的圓柱形試件，控制空隙率(體積分?jǐn)?shù))為(7±0.5)%，然后切割成φ150×50mm的半圓形試件，預(yù)切縫深度為15mm，試件底面兩支點(diǎn)的間距為120mm.試驗(yàn)加載速率為1mm/min，試驗(yàn)溫度為-10℃.采用斷裂能(Gf，J/m2)評價(jià)再生瀝青混合料的抗裂性，見式(3)，計(jì)算結(jié)果見圖4.

(3)

式中：r為試件半徑，m；l為預(yù)切縫深度，m；t為試件厚度，m；P為試驗(yàn)荷載，kN；u為荷載作用下的位移，mm.

圖4 多次再生瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Semi-circular bending test results of multiply recycled asphalt mixture

由圖4可知：1次再生瀝青混合料的斷裂能與全新料差異較小，隨著再生次數(shù)的增加，斷裂能顯著降低；2次再生混合料的斷裂能相比全新料降低了23.6%，表明混合料經(jīng)歷2次再生后，低溫性能加速劣化，路面出現(xiàn)低溫開裂的可能性增大；經(jīng)歷3次再生后，瀝青混合料低溫性能進(jìn)一步衰減.

3.3 水穩(wěn)定性

多次再生瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表8.

表8 多次再生瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：相比全新料，1次再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比出現(xiàn)衰減，但仍滿足規(guī)范對于路面水穩(wěn)定性的技術(shù)要求；隨著再生次數(shù)的增加，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比無明顯變化規(guī)律，大致維持在一個(gè)水平，3次再生相比1次再生僅分別減小了1.1%和1.7%，仍可滿足規(guī)范要求.這表明瀝青混合料經(jīng)過多次再生后，其水穩(wěn)定性大致和1次再生水平持平，受再生次數(shù)影響較小.

3.4 動態(tài)黏彈特性

再生瀝青混合料與全新瀝青混合料一樣，是一種典型的黏彈性材料.相位角可體現(xiàn)瀝青混合料中黏性和彈性的比例，其值越大，黏性越顯著.因此，本文采用瀝青混合料性能試驗(yàn)儀(AMPT)進(jìn)行黏彈性試驗(yàn)，分析再生瀝青混合料相位角在溫度和加載頻率同步耦合作用下的變化規(guī)律.采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型φ150×170mm的圓柱形試件，控制空隙率(體積分?jǐn)?shù))為(7±0.5)%，然后鉆芯并切割成φ100× 150mm 試件.試驗(yàn)溫度為4、20、40℃，荷載作用頻率為25.0、10.0、5.0、1.0、0.5、0.1Hz，加載波形為偏移正弦波，試驗(yàn)方法參照AASHTO T342-11《Standard method of test for determining dynamic modulus of hot mix asphalt(HMA)》執(zhí)行.

多次再生瀝青混合料相位角隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果見圖5.由圖5可知：再生瀝青混合料和全新料的相位角在加載頻率不同的條件下，隨溫度的升高呈不同的變化趨勢；當(dāng)頻率較小時(shí)，隨著溫度的升高，相位角先增后降，即再生混合料的相位角存在峰值.這是因?yàn)樵谳^低頻率荷載作用下，隨溫度的升高，再生混合料黏性效應(yīng)增強(qiáng)，相位角增大；當(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，瀝青膠結(jié)料軟化，礦料骨架逐漸占據(jù)主導(dǎo)效應(yīng)，相位角減小.

圖5 多次再生瀝青混合料相位角隨溫度的變化Fig.5 Variation of phase angle of multiply recycled mixture with temperature

相較而言，1次再生混合料相位角與全新料大小接近，經(jīng)過2次再生后，相位角明顯減小，3次再生后，相位角僅在0.1Hz時(shí)出現(xiàn)峰值.表明瀝青混合料經(jīng)過多次再生后，其彈性效應(yīng)增強(qiáng)，相位角出現(xiàn)峰值的加載頻率逐漸減小.

多次再生瀝青混合料相位角隨加載頻率變化的試驗(yàn)結(jié)果見圖6.

圖6 多次再生瀝青混合料相位角隨加載頻率的變化Fig.6 Variation of phase angle of multiply recycled mixture with loading frequency

由圖6可知：(1)多次再生瀝青混合料和全新料在 4℃ 時(shí)的相位角均隨加載頻率的增大而減小.主要是因?yàn)榛旌狭显诘蜏叵卤憩F(xiàn)出彈性，隨加載頻率增大，彈性效應(yīng)增強(qiáng)，因而相位角減小；高溫低頻時(shí)，混合料的礦料骨架效應(yīng)占主導(dǎo)，相位角隨加載頻率的增加而增加.(2)1次再生混合料和全新料在 20℃ 時(shí)的相位角隨加載頻率的增大先增大后減小，出現(xiàn)了峰值.這是因?yàn)樵谥袦貤l件下，高頻荷載作用時(shí)，再生瀝青混合料中的高分子物質(zhì)可適應(yīng)外力的變化，而降低頻率可促進(jìn)高分子物質(zhì)的運(yùn)動，相位角增大；隨加載頻率的進(jìn)一步降低，滯后現(xiàn)象減弱，相位角開始減小，因而，相位角存在峰值.隨著再生次數(shù)的增加，相位角峰值消失，表明再生瀝青混合料中瀝青性能趨近于非牛頓流體，彈性效應(yīng)增強(qiáng).

4 結(jié)論

(1)瀝青經(jīng)歷多次再生后流變性變差，高溫性能提升，低溫性能衰減顯著.

(2)建立了多次再生瀝青組分含量與再生劑摻量的非線性關(guān)系模型.多次再生條件下，再生劑在舊瀝青中的增溶作用隨著其摻量的提高而增強(qiáng)，隨著再生次數(shù)的增加呈指數(shù)式衰減，即1次再生時(shí)，增溶作用最強(qiáng)，之后組分調(diào)節(jié)作用占主導(dǎo).

(3)瀝青混合料經(jīng)過多次再生后，其馬歇爾體積指標(biāo)均可滿足規(guī)范要求，高溫穩(wěn)定性呈對數(shù)式增長，經(jīng)歷2次再生后低溫抗裂性加速劣化，而水穩(wěn)定性對再生次數(shù)的敏感度較低.

(4)1次再生瀝青混合料的黏彈特性與全新料在溫度和加載頻率耦合作用下影響規(guī)律較為接近；經(jīng)過2次再生后，再生瀝青混合料彈性效應(yīng)增強(qiáng)，表現(xiàn)出較低的相位角.