不同溫拌劑對再生瀝青混合料性能的影響

盛 寧

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州 511431)

2019年末，我國公路總里程達(dá)到501.25萬公里[1]，隨里程的增加，廢棄瀝青混合料(Re-cycled Asphalt Pavement，RAP)也不斷增長，為實現(xiàn)綠色環(huán)保的道路行業(yè)發(fā)展理念，需對RAP進(jìn)行再次利用。相關(guān)學(xué)者就RAP再生技術(shù)展開了大量研究[2-6]。RAP再生技術(shù)主要分為冷再生和熱再生，熱再生較冷再生可以更好地適用于不同類型損壞的瀝青路面；但熱再生技術(shù)在鋪設(shè)瀝青路面時施工溫度高，還要消耗大量燃料，并且在拌制過程中會釋放出大量有害氣體，造成環(huán)境的污染[7]，因此選擇一種拌和技術(shù)來代替熱再生拌和技術(shù)勢在必行。

相較傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料，溫拌瀝青混合料有效降低了施工中的拌和、壓實溫度，減少了能源消耗和溫室氣體排放，改善了施工環(huán)境[8-10]。目前，溫拌劑在瀝青混合料中的應(yīng)用已趨向成熟，但與再生瀝青混合料結(jié)合方面的研究還處于探索階段。秦永春等[11]發(fā)現(xiàn)RAP摻量小于50%時，采用溫拌技術(shù)對于新舊瀝青的融合具有促進(jìn)作用；郭乃勝等[12]研究了3種表面活性溫拌劑(S-I、DAT和ET)對再生瀝青混合料的路用性能影響，結(jié)果表明，DAT再生瀝青混合料表現(xiàn)出最好的綜合性能，S-I溫拌再生瀝青混合料次之，ET溫拌再生瀝青混合料較差；隆海健[13]通過研究得到Sasobit溫拌劑不僅能夠大幅降低溫拌再生瀝青混合料的成型溫度，還可提升其高溫性能，但對其水穩(wěn)定性影響不大，對低溫性能影響不利；張智[14]提出泡沫溫拌劑對瀝青混合料的施工溫度可有效降低，但改善其水穩(wěn)定性的效果不佳；陳靜云等[15]通過流變試驗研究了不同老化瀝青摻量下，A、B兩種溫拌再生瀝青混合料性能的不同，結(jié)果表明，A種溫拌再生瀝青混合料的降黏效果、低溫性能和抗疲勞性能均比B種混合料的性能好，但B種溫拌再生瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于A種混合料。

本文通過加入溫拌機(jī)理不同的三種溫拌劑(Sasobit、Evotherm、Aspha-Min)對RAP摻量不同的再生瀝青混合料的降溫效果、高、低溫性能以及水穩(wěn)定性能的改善效果進(jìn)行探究，分析不同類型溫拌劑的適用條件，為溫拌再生技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了一定的參考。

1 原材料及再生劑摻量確定

(1)瀝青：所用新瀝青采用重交70#基質(zhì)瀝青，舊瀝青來自重慶某大修高速公路銑刨料。通過室內(nèi)試驗抽提、回收和舊料分析得到AC-13型回收料中舊瀝青含量為3.96%。根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程測得新、舊瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，舊瀝青各項性能有明顯的衰減、老化現(xiàn)象。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2)集料：所用回收集料、新集料均為石灰?guī)r，所用礦粉由石灰?guī)r細(xì)磨得到。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》測得集料的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

(3)再生劑及摻量：采用自制RA102瀝青再生劑，根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》測得其基本技術(shù)指標(biāo)見表3，所用再生劑各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表3 再生劑技術(shù)指標(biāo)

通過添加不同摻量的再生劑對舊瀝青的三大指標(biāo)性能進(jìn)行恢復(fù)，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同再生劑摻量下的舊瀝青三大指標(biāo)變化

由表4可知，再生劑的加入對舊瀝青的老化情況有所改善。通過內(nèi)插法得到再生劑摻量為10%時，舊瀝青針入度恢復(fù)至74.1(0.1 mm)，軟化點恢復(fù)至47.8℃，延度恢復(fù)至50.7 cm。以針入度為主要參考值，綜合其他參考指標(biāo)，當(dāng)再生劑的摻量為10%時，其各指標(biāo)符合表1中規(guī)范要求，因此本文中再生劑摻量確定為10%(按舊瀝青摻量計)。

(4)溫拌劑：目前國內(nèi)外所用溫拌劑多數(shù)均為有機(jī)物，主要原理是通過添加外加劑或采用分散技術(shù)對瀝青進(jìn)行降粘處理[16,17]。文中所用三種溫拌劑分別為：摻量為3.0%的有機(jī)降黏型溫拌劑(Sasobit)，摻量為0.6%第三代表面活性溫拌劑(Evotherm)，摻量為0.3%泡沫型溫拌劑合成沸石(Aspha-Min)[18-20]。

2 混合料配合比設(shè)計

2.1 礦料級配設(shè)計

溫拌再生瀝青混合料主要包括新、舊瀝青與新、舊集料，現(xiàn)有研究表明RAP摻量的不同對溫拌再生瀝青混合料的路用性改善效果有所不同，當(dāng)RAP摻量為40%時，既可最大限度的利用RAP料，又不會對溫拌再生瀝青混合料的性能造成不好的影響[21-23]，故本研究選用0%、20%和40%RAP摻量進(jìn)行路用性能試驗；在分析不同RAP摻量影響的同時，還比對了溫拌再生瀝青混合料的路用性能與熱拌再生瀝青混合料的路用性能之間的差別。本試驗采用AC-13級配，不同RAP摻量的溫拌再生瀝青混合料經(jīng)調(diào)整后的合成級配如圖1所示。

圖1 AC-13級配曲線

為了比較三種級配的不同，對圖1中RAP摻量不同的再生瀝青混合料的級配進(jìn)行群顆粒均勻度[24]計算。為了方便計算，本文依據(jù)質(zhì)量計算三種級配的顆粒群均勻度，計算公式如式(1)[24]，計算結(jié)果見表5。

(1)

式中：Up為顆粒群均勻度；n為粒度的分布組數(shù)；Wi為某種粒徑的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比；di為平均粒徑。

從表5可得，隨著RAP摻量的增加，顆粒群均勻度減小，說明再生瀝青混合料的離析程度隨RAP摻量的增加而降低。但并非均勻度越好，再生瀝青混合料的路用性能就越好，均勻度越好，只能說明在某區(qū)間內(nèi)再生瀝青混合料的路用性能表現(xiàn)的較為優(yōu)良。

表5 不同級配顆粒均勻度

2.2 最佳瀝青用量

最佳瀝青用量確定主要有以下三種方法：①采用普通AC-13瀝青混合料的最佳瀝青用量；②根據(jù)不同RAP的摻量分別確定最佳瀝青用量；③根據(jù)不同種類的溫拌劑分別確定最佳瀝青用量。

考慮同一瀝青用量下三種溫拌劑的降溫效果和路用性能具有更加直觀的對比效果，且溫拌劑的加入對再生瀝青混合料的所采用的最佳瀝青用量沒有明顯的影響，故采用方法②來確定再生瀝青混合料中所用的最佳瀝青用量。通過馬歇爾試驗，得到不同RAP摻量下再生瀝青混合料的最佳瀝青用量如表6所示。

表6 不同RAP摻量溫拌再生瀝青混合料最佳瀝青用量

由表6可知，隨著RAP摻量的增加，最佳瀝青用量稍有增加，主要是因為試驗過程中包裹在內(nèi)部的舊瀝青未被充分再生，具有再生效果的舊瀝青量小于通過抽提試驗所得舊瀝青含量，導(dǎo)致需要更多的瀝青對集料進(jìn)行裹附，故所需總瀝青用量有所增加。摻入的新瀝青用量明顯減少，是因為隨著RAP摻量從0%增加至40%，新瀝青和新集料所占比例從100%降至60%，故最佳新瀝青用量從4.70%降至2.96%。

3 溫拌再生瀝青混合料路用性能

三種溫拌劑具有不同的降粘機(jī)理：Evotherm表面活性劑分子通過其分子兩端的疏油基與親油基和瀝青混合料分子相結(jié)合，降低其表面張力達(dá)到降黏效果[25]。Sasobit溫拌劑是在高溫拌和過程中熔化，增加瀝青流動性，使瀝青混合料在施工過程中具有良好的可拌和性和可壓實性[26]。Aspha-Min溫拌劑是含水性多孔材料，其間水分在高溫下迅速蒸發(fā)，形成飽和蒸汽，體積膨脹，分離瀝青分子、降低瀝青黏度[27]。三種溫拌劑通過不同的改性機(jī)理達(dá)到降黏效果，但不同機(jī)理的溫拌劑是否會對再生瀝青混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)性能造成不同影響，不同機(jī)理溫拌劑和不同RAP摻量是否會對瀝青混合料產(chǎn)生復(fù)合效果，需要通過相關(guān)試驗對其進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.1 降溫效果

空隙率指標(biāo)反映瀝青混合料的密實程度，采用變溫壓實方法得到壓實溫度與空隙率的關(guān)系曲線，以4%的空隙率當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)空隙率，進(jìn)行瀝青混合料壓實溫度的確定，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 RAP摻量與壓實溫度關(guān)系

根據(jù)圖2橫向?qū)Ρ瓤芍?，隨RAP摻量的提高，同一類溫拌再生瀝青混合料的壓實溫度有所提升，說明RAP的加入提高了瀝青黏度，隨摻量的增加，黏度也隨之提高。主要原因是舊瀝青路面在使用過程中在受到自然因素與外部交通荷載等的綜合因素作用下，瀝青混合料中的輕組分揮發(fā)，重組分含量相對增加，造成瀝青老化，黏度增加，即瀝青混合料達(dá)到相同壓實效果時，需要更高的壓實溫度。

根據(jù)圖2縱向?qū)Ρ瓤芍?，三種溫拌劑的加入都可以有效的降低再生瀝青混合料的壓實溫度：以20%RAP摻量為例，Sasobit溫拌再生瀝青混合料、Evotherm溫拌再生瀝青混合料和Aspha-Min溫拌再生瀝青混合料的壓實溫度分別較熱拌再生瀝青混合料降低了29 ℃、32 ℃和23 ℃。Evotherm表面活性溫拌劑具有最佳的降溫效果，Sasobit次之，Aspha-Min降溫效果較差。

3.2 高溫性能

再生后的瀝青混合料應(yīng)該具有良好的高溫穩(wěn)定性能，保證混合料自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[28]，防止流動性車轍的出現(xiàn)。為研究RAP摻量的不同對熱拌瀝青混合料與不同溫拌瀝青混合料高溫性能改善效果的影響，采用車轍試驗分別表征在不同拌和狀況下再生混合料高溫性能的不同，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 溫拌再生瀝青混合料車轍試驗

由圖3可知，不同溫拌再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨RAP摻量的增加均有所增大：當(dāng)RAP摻量從0%增長至40%，Sasobit溫拌再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高了31.76%。RAP摻量從0%增長至20%時，動穩(wěn)定度的變化最為明顯，說明瀝青混合料的抗車轍能力隨舊料的摻入有顯著提高。其原因主要是舊料老化后黏度變大，隨著摻量增加，瀝青混合料黏度增加，使得再生瀝青混合料變硬，抗車轍能力提高。

當(dāng)RAP摻量為20%時，加入Sasobit、Evotherm以及Aspha-Min溫拌劑后的再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別是熱拌瀝青混合料的1.53倍、0.89倍和1.10倍，說明溫拌再生瀝青混合料的高溫性能隨Sasobit和Aspha-Min溫拌劑的加入而有所提高，但隨Evotherm溫拌劑的加入反而有所降低。

造成上述結(jié)果的主要原因如下：Sasobit溫拌劑溫度低于熔點(100 ℃)時，會以晶體結(jié)構(gòu)存在瀝青中，增強(qiáng)了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而使其高溫性能有所提升，使得瀝青路面具有更好的抗車轍能力。Aspha-Min溫拌劑與瀝青拌和過程中，是通過瞬間釋放大量結(jié)晶水發(fā)泡進(jìn)行降黏，當(dāng)水分蒸發(fā)后，Aspha-Min溫拌劑充當(dāng)空隙間的填料，提高了瀝青間內(nèi)聚力，使瀝青稠度增大，再生瀝青混合料的高溫性能隨之有所提高。再生瀝青混合料高溫性能隨Evotherm溫拌劑的加入略有降低，究其原因，主要為熱拌瀝青混合料中，高溫導(dǎo)致瀝青老化，而Evotherm溫拌劑的摻入有效減少了瀝青混合料在拌和過程中的老化，從而降低了其動穩(wěn)定度。三種溫拌再生瀝青混合料的高溫性能的大小排序為：3%Sasobit>0.3%Aspha-Min>0.6%Evotherm。

三種溫拌再生瀝青混合料的高溫性能在RAP摻量不同時均呈現(xiàn)相同的變化情況，說明RAP摻量的變化不會影響溫拌劑對再生瀝青合料高溫性能的影響。Evotherm溫拌劑的加入降低了再生瀝青混合料的高溫性能，但RAP材料可以提高其動穩(wěn)定度，二者復(fù)合使用可以使其高溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。

3.3 低溫性能

當(dāng)溫度較低時，路面面層的瀝青結(jié)構(gòu)層受氣溫變化的直接影響，易產(chǎn)生收縮變形[29]，因此，需對不同RAP摻量下的不同溫拌再生瀝青混合料以及熱拌再生瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評價。采用小梁彎曲試驗表征不同拌和狀況下的再生混合料低溫性能改善情況，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫拌再生瀝青混合料小梁彎曲試驗

由圖4可知，隨RAP摻量的提高，溫拌再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變有所減小，彎曲勁度模量有所提升，說明RAP的加入降低了瀝青混合料的抗彎拉形變值，對再生瀝青混合料的低溫性能改善效果不佳。

加入Evotherm和Aspha-Min溫拌劑后，溫拌再生瀝青混合料的低溫性能與熱拌再生瀝青混合料的低溫性能相接近，說明Evotherm和Aspha-Min這兩種溫拌劑的加入，對再生瀝青混合料的低溫性能影響不顯著。再生瀝青混合料的低溫性能隨Sasobit溫拌劑的加入顯著降低，當(dāng)舊料摻量為40%時，Sasobit溫拌再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變值低于規(guī)范值(2 000 με)[30]，這是因為當(dāng)Sasobit溫拌劑的溫度低于熔點時，會以晶體結(jié)構(gòu)在瀝青中存在，阻礙了其他分子的組成和移動，低溫下增加了瀝青粘滯性，使其表現(xiàn)出脆性[31]。Sasobit溫拌劑和舊料對瀝青混合料低溫性能的改善效果均不好，二者綜合作用，明顯降低了瀝青混合料的低溫性，因此在Sasobit溫拌再生瀝青混合料中，RAP摻量小于40%時才會達(dá)到改善效果。

三種溫拌再生瀝青混合料的低溫性能排列順序為：0.3%Aspha-Min>0.6%Evotherm>3%Sasobit。

3.4 水穩(wěn)定性能

在水或凍融循環(huán)以及動態(tài)荷載等因素的作用下瀝青路面在使用過程中易發(fā)生水損害現(xiàn)象[29]，因此再生后的瀝青混合料應(yīng)具有良好的水穩(wěn)定性。本文通過凍融劈裂試驗來評價不同RAP摻量下的熱拌瀝青混合料與不同溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫拌再生瀝青混合料凍融劈裂試驗

由圖5可知，RAP摻量為0%時，四種再生瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)均大于75%，滿足規(guī)范[32]要求。隨著RAP摻量的提高，溫拌再生瀝青混合料的TSR明顯降低，說明舊料在一定程度上對瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果很差。

相同RAP摻量下，相比熱拌瀝青混合料，Evotherm溫拌再生瀝青混合料抗水損害能力較強(qiáng)，Sasobit溫拌再生瀝青混合料的抗水損害能力略有下降，但相差不大。Aspha-Min溫拌再生瀝青混合料具有較差的抗水損能力，因為Aspha-Min溫拌劑是含水性多孔材料，與瀝青混合料拌和過程中釋放的水分并非全部揮發(fā)，殘留的水分會減弱瀝青與集料之間的粘結(jié)力，從而導(dǎo)致瀝青混合料的抗水損害能力變差，故Aspha-Min溫拌劑應(yīng)盡量避免在RAP摻量較高的再生瀝青混合料中使用。

RAP摻量的不同，溫拌再生瀝青混合料的抗水損害能力排序為：0.6%Evotherm>3.0%Sasobit>0.3%Aspha-Min。

4 結(jié)論

(1)隨著RAP摻量的提高，再生瀝青混合料的壓實溫度有所提高，RAP摻量與壓實溫度之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，三種溫拌劑均可有效降低再生瀝青混合料的壓實溫度。三種溫拌劑中，Evotherm的溫拌效果最佳，Sasobit次之，Aspha-Min最差。

(2)RAP摻量不同的溫拌再生瀝青混合料的路用性能變化情況呈現(xiàn)一致性。三種溫拌再生瀝青高溫性能排序為Sasobit>Aspha-Min>Evotherm；低溫性能排序為Aspha-Min>Evotherm>Sasobit；水穩(wěn)定性能排序為Evotherm>Sasobit>Aspha-Min。

(3)RAP摻量的加入提升了瀝青混合料的高溫性能，降低了其低溫性能和水穩(wěn)性。溫拌劑的加入除了可以降低再生瀝青混合料壓實溫度，對瀝青混合料的路用性能也會造成不同的影響。Evotherm溫拌劑降低了瀝青混合料的高溫性能，但在RAP材料的相互作用下，可抵消部分Evotherm溫拌劑對瀝青混合料高溫性能的影響；Sasobit溫拌劑和RAP對瀝青混合料的低溫性能均有不利影響，同時使用時，RAP摻量應(yīng)該小于40%；Aspha-Min穩(wěn)定劑和RAP對瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果均不好，二者綜合作用會對瀝青混合料水穩(wěn)定性造成雙重?fù)p害，應(yīng)避免同時使用。