再生劑在回收熱拌瀝青混合料生產(chǎn)中的應(yīng)用研究綜述

李雪連，葉峻宏，唐成，呂新潮 編譯

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

1 概述

隨著科技的進(jìn)步以及人們對環(huán)保和社會(huì)效益的關(guān)注，RAP廣泛應(yīng)用于瀝青路面熱再生。Chen等統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)RAP是目前世界上回收率最高的材料之一。通過瀝青廠進(jìn)行熱循環(huán)利用、現(xiàn)場熱再生、現(xiàn)場冷再生和全厚度回收的RAP可用于新路面施工。

該文主要通過研究再生方法與不同再生劑(類型和劑量)對老化瀝青和混合料特性的影響，并評價(jià)再生劑在再生路面結(jié)構(gòu)中的使用效果。

瀝青路面的再生一般通過在老化路面混合料中添加再生劑來實(shí)現(xiàn)。特別是當(dāng)再生混合料的RAP含量較高時(shí)，通常必須采用再生劑。雖然瀝青再生劑和瀝青軟化劑之間存在差異，但是再生劑有時(shí)也被稱為軟化劑或回收劑。軟化劑用于降低瀝青膠結(jié)料的黏度，再生劑則用于恢復(fù)瀝青質(zhì)/飽和分的比率。

Martins Zaumanis等發(fā)現(xiàn)必須仔細(xì)選擇再生劑類型以滿足其短期和長期性能標(biāo)準(zhǔn)。在短期標(biāo)準(zhǔn)中，再生劑必須迅速溶解到RAP膠結(jié)料并活化老化瀝青。通過形成均勻混合料涂層來降低再生混合料的永久變形(車轍)敏感性以及避免減小摩擦系數(shù)。此外，再生劑很難完全擴(kuò)散到RAP膠結(jié)料中，從而導(dǎo)致再生混合料不均勻。根據(jù)Carpenter的研究，再生劑的擴(kuò)散過程包括4個(gè)步驟：① 再生劑形成黏度很低的膜聚集在集料顆粒的周圍，這些集料顆粒被老化的瀝青膠結(jié)料包圍；② 再生劑開始滲入老化膠結(jié)料中并使其軟化；③ 再生劑滲透到老化的膠結(jié)料中，并使其內(nèi)層和外層的黏度逐漸降低；④ 隨著時(shí)間的推移，再生劑在大部分再生瀝青膜薄層上達(dá)到平衡。

分析影響再生劑擴(kuò)散率的因素主要有：① 分子或團(tuán)塊的大小和形狀；② 分子間作用力；③ 溫度；④ 擴(kuò)散分子的結(jié)構(gòu)剛度(對于彎曲和扭曲的抵抗)；⑤ 可能存在的相對固定相的微觀結(jié)構(gòu)。

2003年，Karlsson和Isacsson利用紅外光譜分析了溫度、膠結(jié)料膜厚度、瀝青的類型和膠結(jié)料的化學(xué)性質(zhì)等不同參數(shù)對擴(kuò)散率的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對擴(kuò)散速率的影響最大。

在長期標(biāo)準(zhǔn)中，除了考慮膠結(jié)料的流變性質(zhì)之外，還應(yīng)盡量改變再生劑化學(xué)性質(zhì)，以最大限度地降低疲勞和低溫開裂風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)采用較軟膠結(jié)料時(shí)，要求對抗車轍性沒有影響。同時(shí)，再生的瀝青應(yīng)該在集料之間能提供足夠的黏結(jié)力和內(nèi)聚力，以防止出現(xiàn)水損壞和松散。鑒于再生膠結(jié)料的老化速度比原膠結(jié)料快，故應(yīng)評價(jià)再生瀝青混合料的性能。

2 再生劑使用方法

研究統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)有3種再生方法。目前，第一種方法也是瀝青路面再生時(shí)最常見的方法，即將再生劑與老化瀝青混合料在高溫下進(jìn)行拌和；第二種方法被稱為再生密封劑(RSM)法，即把再生劑直接噴灑在瀝青路面的表面，通常在完成路面施工后3～4年使用。RSM法使用過程中的兩個(gè)重要影響因素：① 再生劑的有效滲透深度；② 瀝青膠結(jié)料的擴(kuò)散效果。RSM法可以改善混合料性能；防止由水、汽油、柴油和風(fēng)化作用而引起的破壞；甚至可以改善道路混合料的表面抗裂性能。當(dāng)再生劑滲入到瀝青混合料的孔隙中，可以防止膠結(jié)料氧化。然而，RSM法也存在一些不足。首先，再生劑必須滲透到路面所需要的深度，否則可能造成表面抗滑性能降低，從而導(dǎo)致交通開啟延遲。RSM法的另一個(gè)不足則是可能污染環(huán)境；再生劑的第三個(gè)方法是膠囊封裝法。在這種方法中，再生劑被封裝在膠囊中(膠囊的工作機(jī)理，如圖1所示)。使用該方法的前提是需要分析作用在膠囊表面上力的分布情況。從圖1中可以看出：由于交通荷載(點(diǎn)1)的作用，混合料中的膠囊逐年弱化。瀝青硬度和分布在膠囊表面的力同時(shí)改變，最終會(huì)導(dǎo)致膠囊破裂(點(diǎn)2)。因此，在點(diǎn)3處，膠囊受到恒定的交通荷載作用產(chǎn)生變形，此時(shí)再生劑從膠囊中溢出并擴(kuò)散到膠結(jié)料中。

圖1 膠囊方案

近來，隨著微膠囊化工藝的發(fā)展，在微膠囊理論中，微膠囊破裂后釋放的再生劑會(huì)滲入路面微裂紋中，以幫助路面愈合，見圖2。同時(shí)，由于微膠囊的外殼通常由聚合物材料制成，所以其不僅能提供適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和韌性，而且在高溫下也表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。

圖2 在瀝青路面中的微膠囊

3 再生劑的種類

再生劑可以多種渠道獲得，但其類型和劑量的選擇非常重要。過量的再生劑會(huì)導(dǎo)致瀝青膜從骨料中剝落等問題。再生劑的類型包括：植物油、廢料衍生油、工程產(chǎn)品以及傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)精煉廠基礎(chǔ)油。良好的再生劑應(yīng)適當(dāng)?shù)嘏c老化瀝青反應(yīng)，從而生產(chǎn)高質(zhì)量的再生膠結(jié)料。然而，Ping-Sien Lin等認(rèn)為目前尚缺少關(guān)于再生劑是如何改善老化膠結(jié)料性質(zhì)進(jìn)而提高再生混合料質(zhì)量的相關(guān)資料。

4 再生劑對老化瀝青及混合料性質(zhì)的影響

Simonen等研究發(fā)現(xiàn)，如果瀝青質(zhì)含量足夠則采用植物再生劑效果最好。Martin Hugener等發(fā)現(xiàn)，植物油(VO)再生劑對于現(xiàn)場或廠拌都具有很好的效果。此外，還發(fā)現(xiàn)植物油再生劑可以激活老化瀝青；Martins Zaumanis等比較了6種不同再生劑對老化瀝青性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)廢植物油(WV油)與其他再生劑相比，降低老化瀝青的性能等級和疲勞參數(shù)的效果更好，但必須使用促黏劑抵抗由WV油引起的高濕度敏感性。

Kuang等分析了高芳烴含量的輕質(zhì)油(普通再生劑)和復(fù)合油(輕質(zhì)油與含極性基團(tuán)化合物的混合料)對老化瀝青性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合油再生劑可以通過與瀝青質(zhì)之間進(jìn)行成分調(diào)節(jié)和化學(xué)反應(yīng)來更有效地恢復(fù)老化瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，從而改善重度老化瀝青。使用該再生劑再生的瀝青流變特性比其他普通再生劑的效果更好。

Shen等分析了再生劑和軟瀝青對含有不同含量RAP瀝青混合料的影響。采用間接拉伸試驗(yàn)評價(jià)水敏感性，而采用瀝青路面分析儀分析其抗車轍性能。研究發(fā)現(xiàn)：與使用軟瀝青的混合料相比，采用再生劑拌制的混合料具有更高的強(qiáng)度值和更小的車轍深度，并且拉伸強(qiáng)度比也略有不同。

Junan Shen等分析了以低瀝青質(zhì)含量(按重量2%計(jì))的軟瀝青和不同含量瀝青質(zhì)組成的再生劑對老化瀝青及其混合料性質(zhì)的影響。通過研究得到了老化瀝青的高溫車轍性能參數(shù)(G*/sinδ)隨著再生劑百分比的增加而線性下降。且疲勞參數(shù)(G*·sinδ)也呈線性變化，其值隨著再生劑含量的增加而降低，具有更好的抗疲勞特性?；旌狭系膭?dòng)穩(wěn)定度(DS)值結(jié)果顯示:與原樣混合料(未添加再生劑的混合料)相比，再生混合料的DS值顯著降低。并且發(fā)現(xiàn)較低的DS值將會(huì)降低混合料的高溫性能。然而，約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)(TSRST)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)斷裂溫度從-22.0 ℃降低到-29.5 ℃時(shí)，再生混合料的低溫性能更好。當(dāng)再生劑含量從0%增加到7.4%時(shí)，斷裂強(qiáng)度增加0.5 MPa。

Mogawer等通過對高含量RAP的瀝青及混合料性質(zhì)的研究，分析了BituTech RAP、SonneWar-mix RJT和SonneWarmix RJ 3種不同再生劑的使用效果。研究發(fā)現(xiàn)使用再生劑可以增加瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)岫取＞€性振幅掃描(LAS)試驗(yàn)結(jié)果表明：與原瀝青相比，再生膠結(jié)料的疲勞性能得到了改善。由于再生劑在硬瀝青中的擴(kuò)散，將使混合料中的空氣孔隙減少。此外，雖然再生劑可以減少混合料的開裂，但將對混合料的抗車轍性和水敏感性產(chǎn)生不利影響。

2014年，Zaumanis等進(jìn)行了一項(xiàng)綜合研究，評價(jià)不同再生劑對再生膠結(jié)料及混合料性質(zhì)的影響。通過控制再生劑的劑量(12%)，研究了廢植物油(WV油)、廢植物油脂(WV油脂)、有機(jī)油、蒸餾塔爾油、芳烴油(AO)和廢機(jī)油(WEO)6種不同再生劑的效果。各再生劑的性質(zhì)見表1。該研究發(fā)現(xiàn)：在中等溫度(25 ℃)下，所有再生劑都可以將瀝青黏度降低至原瀝青的水平，但溫度較高時(shí)瀝青黏度會(huì)高于原瀝青黏度。與石油再生劑相比，有機(jī)油只需要相對較低的劑量就能達(dá)到類似的軟化效果。在添加12%的再生劑后，RAP膠結(jié)料的和易性得到改善，但仍未達(dá)到原瀝青的水平。通過LAS試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：使用有機(jī)油可以改善老化瀝青的疲勞性能。其中，廢植物油再生劑再生效果最好，并且產(chǎn)生的疲勞性能幾乎與原瀝青相同。當(dāng)然，石油再生劑也不會(huì)降低老化瀝青的疲勞性能。在所有再生劑中使用12%的有機(jī)油表現(xiàn)出最佳的綜合性能，其次是WV油脂和蒸餾塔爾油。而WEO是最差的再生劑。因此，必須確定再生劑的最佳劑量，并使用相似再生劑對再生混合料進(jìn)行補(bǔ)充研究。漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果表明：再生混合料具有較高的抗車轍性能。與RAP混合料相比，再生混合料的抗裂性能得到了改善，并且WV油和AO再生的混合料具有與原混合料相似的抗裂性。除WEO再生混合料外，其他再生混合料的抗疲勞性都比原混合料好。盡管在某些情況下必須使用抗剝落劑，但混合料的性能得到了改善。須注意的是，極性芳烴環(huán)結(jié)構(gòu)具有致癌性，故其使用受到限制。

表1 回收劑的性質(zhì)和描述

Chen等使用不同含量(再生膠結(jié)料重量的0%、5%和10%)的再生劑、廢食用油和棉花籽油進(jìn)行了對比研究。研究發(fā)現(xiàn)：使用再生劑的再生膠結(jié)料的抗車轍性能(G*/sinδ)略有降低?？傮w而言，使用再生劑的再生膠結(jié)料比使用廢食用油和棉花籽油的再生膠結(jié)料具有更好的彈性恢復(fù)能力和抗流動(dòng)變形能力。且廢食用油和棉花籽油生產(chǎn)PG-64瀝青的最佳劑量為5%。

Zaumanis等使用9種不同的再生劑對含RAP的瀝青及混合料的性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)分析。使用的再生劑是由蒸餾塔爾油、WEO、WEO底渣、WEO+FT蠟、環(huán)烷基熔劑油、芳烴油(AO)、石蠟原油、精煉牛脂和有機(jī)油。研究證明：在這些組成成分中，精煉牛脂在降低老化瀝青黏度方面最有效。另外，使用WEO底渣會(huì)使黏度值升高，這將造成拌和及壓實(shí)過程中的溫度升高?；旌狭系牡蜏匦阅苡瞄g接拉伸蠕變?nèi)崃亢烷g接拉伸強(qiáng)度來評價(jià)。結(jié)果表明：在大多數(shù)情況下，混合料的低溫性能通過添加再生劑能夠得到改善。

Im等研究了3種商業(yè)再生劑(R1，R2和R3)對含19%RAP的HMA混合料性能和工程性質(zhì)的影響。在這項(xiàng)研究中，再生劑R1和R2被直接添加到原瀝青中，而R3則先與再生材料混合。研究發(fā)現(xiàn)：使用再生劑可以提高混合料的抗裂性、抗變形能力和水穩(wěn)定性。HWTT的結(jié)果表明：添加了R2再生劑的混合料車轍深度最低，為6.05 mm。但是，根據(jù)罩面試驗(yàn)(OT)，添加了R3的混合料具有最好的抗裂性，其次是添加了R2和R1的再生混合料，破壞循環(huán)次數(shù)分別為80、60和40次。

Asli等分析了不同百分比(瀝青重量的1%～5%)的廢食用油對老化瀝青性能的影響。采用針入度、軟化點(diǎn)和黏度試驗(yàn)來評價(jià)老化和再生膠結(jié)料的物理性質(zhì)。結(jié)果顯示：在含量為40/50的再生膠結(jié)料中，由3%～4%的廢食用油再生的瀝青可以接近80/100原瀝青的物理性能。另外，化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：與老化瀝青相比，使用廢食用油再生劑后，瀝青質(zhì)與飽和分比例會(huì)降低。

Dony等將占總瀝青重量40%的芳烴油(AO)、植物油(VO)和軟瀝青(SB)(160/220滲透等級)作為再生劑進(jìn)行了研究。所有瀝青均通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)法和加速壓力老化(PAV)法進(jìn)行老化。老化瀝青的瀝青質(zhì)含量通常取決于瀝青的類型。根據(jù)結(jié)果，假設(shè)RAP膠結(jié)料可以使用選定的再生劑進(jìn)行高效再生。對于所有瀝青來說，復(fù)數(shù)模量(G*)隨溫度升高而減小，而相位角(δ)隨溫度升高而增加。此外，再生膠結(jié)料比原瀝青具有更好的疲勞性能。

Huang等分析了乳液、飽和分和植物油再生劑對3種瀝青(AAA-1、AAD-1和AAM-1)的物理性質(zhì)和流變性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：植物油和飽和分的再生劑對高度老化瀝青的流動(dòng)性改善能力相似。與其他類型的再生劑相比，植物油再生劑能夠改善AAD-1瀝青的抗疲勞性。對于AAM-1瀝青，使用乳液再生劑比其他兩種類型的再生劑能更有效地改善高度氧化瀝青的疲勞性能。此外，植物油再生劑對老化瀝青的高溫穩(wěn)定性改善效果最好。

Nayak等分析了復(fù)合蓖麻油(30%焦?fàn)t煤氣冷凝物和70%蓖麻油)和水黃皮油再生劑的使用效果。使用復(fù)合油可以增加再生膠結(jié)料中的飽和烴，并可將瀝青質(zhì)溶解在再生瀝青中。試驗(yàn)時(shí)，再生劑采用了3種劑量(5%、10%和15%)。研究表明：摻10%再生劑的再生瀝青具有與原瀝青類似的抗車轍性能。且無論再生劑劑量多少，所有再生瀝青的抗疲勞壽命都比原瀝青長。此外，由水黃皮油再生的瀝青具有更好的疲勞性能?？傊?，這兩種類型油在劑量為5%時(shí)，疲勞和車轍性能最好。

最近，Mogawer等研究了石蠟油、芳烴油和有機(jī)油再生劑(摻量為瀝青重量的9%)在含50%RAP的混合料中的效果。彎曲梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：所有再生劑都可以改善瀝青混合料抗疲勞性能，甚至比用PG 58-28和PG 64-28的瀝青效果更好。石蠟油再生混合料的疲勞壽命最高。除了疲勞性能得到改善外，再生混合料通常強(qiáng)度較低、剛度較小而蠕變速率較大。

5 討論

綜上所述，再生劑的最佳劑量應(yīng)根據(jù)瀝青及混合料性能試驗(yàn)確定。再生劑用量不足可能對恢復(fù)廢瀝青性能毫無效果，而過量也可能對瀝青膠結(jié)料不利。例如，研究表明再生劑與瀝青重量比超過10%，再生劑將對瀝青性能產(chǎn)生不利影響。

然而，目前再生劑的再生機(jī)制還需進(jìn)一步探索。瀝青和混合料性能試驗(yàn)在一定程度上可以評價(jià)再生混合料的性質(zhì)特征，但是，再生瀝青的化學(xué)性能特征需采用更先進(jìn)的試驗(yàn)(如：化學(xué)試驗(yàn)等)評價(jià)。研究再生瀝青的理化性質(zhì)數(shù)量也有限，仍需展開進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

(1) 再生劑通常用于高含量RAP再生瀝青路面中，其種類和劑量應(yīng)根據(jù)路面材料特點(diǎn)及其老化程度進(jìn)行選擇。

(2) 添加再生劑時(shí)，應(yīng)評價(jià)其對再生瀝青混合料的短期和長期性能的影響。

(3) 再生劑密封材料(RSM)法通常在完成路面施工后3～4年使用，其可以有效改善混合料性能。

(4) 微膠囊封裝法是通過交通荷載來控制再生劑緩慢釋放速率以軟化瀝青，達(dá)到修復(fù)路面微裂紋的效果。

(5) 不同種類再生劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響不完全相同，但通常再生劑能夠有效改善瀝青流變性，提高再生混合料的抗裂性、水穩(wěn)定性、抗車轍性能和疲勞性能。