REOB改性乳化瀝青對(duì)冷再生混合料性能的影響

曲恒輝，張樹(shù)文，趙佃寶，張圣濤，朱輝

山東高速材料技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，山東 濟(jì)南 250000

0 引言

瀝青路面冷再生技術(shù)是將乳化瀝青等與回收瀝青路面(reclaimed asphalt pavement，RAP)材料拌和攤鋪成瀝青路面的一種技術(shù)，該技術(shù)可在常溫下施工，且對(duì)RAP利用率高，目前普遍用于瀝青路面的再生[1-3]。但乳化瀝青冷再生混合料中乳化瀝青與RAP中的舊瀝青不能有效融合，無(wú)法充分激活和發(fā)揮舊瀝青的作用，影響了冷再生瀝青路面的成型質(zhì)量和路用性能[4-6]。我國(guó)每年產(chǎn)生大量的廢棄機(jī)油(recycled engine oil，REO)，20%～30%的REO因含有較多雜質(zhì)無(wú)法有效回收，成為廢棄機(jī)油殘留物(recycled engine oil bottom，REOB)。REOB可摻入瀝青，改善瀝青混合料的性能。

文獻(xiàn)[7]指出乳化瀝青和RAP料在常溫狀態(tài)下的相互作用，乳化瀝青可軟化RAP表面一定厚度的老化瀝青，恢復(fù)其部分性能；趙培松[8]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)廢機(jī)油能明顯提高瀝青的抗老化性能，從一定程度上降低瀝青混合料的施工溫度，且摻量越多，降低幅度越大；許嚴(yán)等[9]、付海明[10]考慮熱拌瀝青混合料鋪筑對(duì)冷再生層的熱壓實(shí)作用，推薦采用40 ℃馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)確定最佳乳化瀝青用量，15 ℃劈裂強(qiáng)度指標(biāo)作為性能測(cè)試指標(biāo)之一；冷濱濱等[11]、林翔[12]、胡旭東[13]、黃建躍等[14]發(fā)現(xiàn)由RAP粗料制成的冷再生混合料的低溫抗疲勞性能更好，但高溫抗車(chē)轍性更差，由RAP細(xì)料制成的冷再生混合料的低溫疲勞性能較差，高溫抗車(chē)轍性能較好；孫立軍等[15]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、實(shí)體工程等研究發(fā)現(xiàn)利用普通乳化瀝青與RAP拌制的冷再生瀝青混合料中舊瀝青的再生程度較低，混合料壓實(shí)困難，空隙率較大，提出利用芳烴油進(jìn)行瀝青路面冷再生，但芳烴油中苯、甲苯等均有毒；倪暉等[16]將REOB 加入冷再生混合料后分析其壓實(shí)特性，發(fā)現(xiàn)混合料表面的瀝青黏結(jié)性能提高，混合料壓實(shí)效果得到改善。

本文提出REOB改性乳化瀝青的配比和制備方法，測(cè)定REOB改性乳化瀝青拌制的各項(xiàng)指標(biāo)，測(cè)試不同質(zhì)量占比的REOB冷再生瀝青混合料中的各項(xiàng)路用性能，探究REOB改性乳化瀝青與舊瀝青的相互作用，可為REOB在冷再生瀝青路面中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 REOB改性乳化瀝青制備

1.1.1 原材料

采用陽(yáng)離子慢裂型乳化劑、AH-70瀝青，乳化劑、穩(wěn)定劑、水、REOB及基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比為2.9∶0.2∶33.9∶2. 0∶61. 0。

1.1.2 制備工藝

REOB改性乳化瀝青的制備步驟為：1)將基質(zhì)瀝青放入130～135 ℃烘箱中充分軟化，用電磁爐將REOB預(yù)熱至90～100 ℃；2)將乳化劑、穩(wěn)定劑和水混合制成皂液并加熱至70～75 ℃；3)將皂液加入預(yù)熱好的膠體磨中并啟動(dòng)膠體磨，同時(shí)在90 s內(nèi)緩慢加入瀝青和REOB，該過(guò)程需用玻璃棒持續(xù)攪拌；4)瀝青與REOB添加完畢后膠體磨繼續(xù)運(yùn)行約30 s后完成制備。

1.1.3 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)制備好的REOB改性乳化瀝青，其性能如表1所示。

表1 REOB改性乳化瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

由表1可知制備的冷再生用REOB改性乳化瀝青的性能符合文獻(xiàn)[17]中的相關(guān)要求。

1.2 冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

某RAP為日照某二級(jí)公路的現(xiàn)場(chǎng)翻挖、銑刨料，該RAP的使用年限為10 a，RAP料表面舊瀝青的針入度(25 ℃，5 s)、延度(10 ℃)、軟化點(diǎn)分別為25.2(0.1 mm)、3.3 cm、64.1 ℃。RAP與礦粉合稱(chēng)集料。

1.2.1 級(jí)配曲線(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[18-20]采用中粒式級(jí)配對(duì)冷再生混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，抽提RAP后將集料篩分成邊長(zhǎng)(0,5) mm和[5，15] mm兩擋后調(diào)整級(jí)配，因通過(guò)篩孔邊長(zhǎng)0.075 mm的集料較少，所以摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的礦粉作填料，摻加與集料的質(zhì)量比為1.5%普通硅酸鹽水泥提高混合料早期強(qiáng)度。RAP料級(jí)配及混合料的合成級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 RAP料級(jí)配及混合料合成級(jí)配

1.2.2 水與集料的最佳質(zhì)量比

設(shè)定REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為4.0%，調(diào)整水與集料的質(zhì)量比分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，拌制混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)并測(cè)定干密度[21-23]，干密度隨水與集料的質(zhì)量比的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 試件干密度隨水與集料的質(zhì)量比變化曲線(xiàn)

由圖2可知：水與集料的質(zhì)量比為4.0%時(shí)試件的干密度最大，因此水與集料的最佳質(zhì)量比為4.0%。

1.2.3 REOB乳化瀝青與集料的最佳質(zhì)量比

保持水與集料的最佳質(zhì)量比為4.0%，設(shè)計(jì)REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，按文獻(xiàn)[24]中的方法制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試件養(yǎng)生后測(cè)試其15 ℃試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度和24 h試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度并計(jì)算干濕劈裂強(qiáng)度比，15 ℃試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度隨乳化瀝青與集料的質(zhì)量比變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，干濕劈裂強(qiáng)度比隨乳化瀝青與集料的質(zhì)量比變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖3 15 ℃試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度隨REOB乳化瀝青與集 圖4 干濕劈裂強(qiáng)度比隨REOB乳化瀝青與集 料的質(zhì)量比變化曲線(xiàn) 料的質(zhì)量比變化曲線(xiàn)

由圖3、4可知：REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為4.0%時(shí)，試件15 ℃劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比均達(dá)到最大。因此REOB乳化瀝青與集料的最佳質(zhì)量比為4.0%。

REOB改性乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)配合比見(jiàn)表2。

表2 REOB改性乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)配合比 %

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)定REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為0、4%、8%，分別進(jìn)行馬歇爾試件空隙率、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性能試驗(yàn)以及半圓彎曲疲勞試驗(yàn)，研究不同的成型質(zhì)量與路用性能的變化，分析REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比對(duì)冷再生混合料性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空隙率

將REOB乳化瀝青與集料質(zhì)量比不同的冷再生瀝青混合料制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測(cè)量試件的毛體積相對(duì)密度和最大理論相對(duì)密度后計(jì)算空隙率，如表3所示。

由表3可知：隨著REOB乳化瀝青與集料質(zhì)量比的增加，試件的空隙率逐漸減小，當(dāng)REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為8%時(shí)，試件的空隙率與未摻REOB時(shí)相比減小了9.58%，原因是REOB使舊瀝青軟化，軟化后舊瀝青可更好地填充混合料空隙，冷再生混合料的空隙率減小[25]，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)，混合料成型質(zhì)量提高。

表3 REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比不同時(shí)試件的密度及空隙率

2.2 路用性能

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

將REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比不同的冷再生瀝青混合料成型車(chē)轍試件，REOB分別為0、4%、8%時(shí)，試件動(dòng)穩(wěn)定度DS分別為3590、3107、2853次/mm。

REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為4%、8%時(shí)，試件的動(dòng)穩(wěn)定度相比未摻REOB時(shí)分別減小了13.45%、20.53%，雖然REOB乳化瀝青降低了冷再生混合料的空隙率，但RAP表面舊瀝青的黏度下降，瀝青和集料間的黏結(jié)力減小，集料的位移增大，冷再生混合料的抗剪切變形能力下降，高溫性能變差[25]。

2.2.2 低溫抗裂性

將車(chē)轍試件切割成小梁試件并進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比不同時(shí)小梁試件的彎拉強(qiáng)度及勁度模量

由表4可知：隨著REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比的增加，小梁試件的低溫彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變明顯增加，與未摻REOB的乳化瀝青冷再生混合料相比，REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為4%、8%時(shí)試件的彎拉應(yīng)變分別增加了45.71%、79.71%。REOB軟化了舊瀝青，舊瀝青的松弛能力提高，冷再生混合料試件的脆性降低，其塑性和低溫抗裂性能提高。

2.2.3 水穩(wěn)定性

制備REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為0、4%、8%的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，在養(yǎng)生、脫模后按照文獻(xiàn)[24]中的方法進(jìn)行浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比不同時(shí)試件殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比

由表5可知：REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為4%、8%時(shí)試件的殘留穩(wěn)定度比不摻REOB乳化瀝青時(shí)分別增加了13.87%、18.19%，凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高了1.84%、6.26%。加入REOB乳化瀝青后，冷再生瀝青混合料空隙率減小，受水損害較小，結(jié)構(gòu)緊實(shí)，強(qiáng)度也得到提高，混合料的水穩(wěn)定性得到改善[25-27]，且摻加REOB越多，對(duì)混合料的水穩(wěn)定性改善效果越好。

2.2.4 疲勞壽命

制備REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比為0、4%、8%的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，在養(yǎng)生、脫模后沿試件直徑切割成2個(gè)等大的半圓試件，置于溫度為15 ℃的試驗(yàn)環(huán)境箱中養(yǎng)生5 h，養(yǎng)生完成后在不同應(yīng)力比條件下對(duì)試件進(jìn)行半圓彎曲疲勞試驗(yàn)[24],結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比不同時(shí)各應(yīng)力比條件下的疲勞壽命 次

由表6可知：在各應(yīng)力比條件下，相對(duì)于不摻REOB乳化瀝青，隨著REOB乳化瀝青與集料質(zhì)量比的增加，試件的疲勞次數(shù)均增加，例如當(dāng)應(yīng)力比為0.6時(shí)， REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比由0增至8%，試件的疲勞次數(shù)增加了42.74%。REOB對(duì)舊瀝青有再生作用，舊瀝青性能得到恢復(fù)[25]，冷再生瀝青混合料的疲勞壽命得以提高。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)制備冷再生用REOB改性乳化瀝青的材料配比，制備好的改性乳化瀝青經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2)REOB可軟化RAP表面舊瀝青，降低冷再生混合料的空隙率；與普通乳化瀝青冷再生混合料相比，REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比越高，試件空隙率減小越多，當(dāng)REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比提高至8%時(shí)，空隙率減小了9.58%。

3)與不摻加REOB乳化瀝青時(shí)相比，REOB乳化瀝青與集料的質(zhì)量比增大，冷再生混合料的低溫、水穩(wěn)定性能及疲勞性能均提高。

4)REOB降低了舊瀝青的黏度，混合料的抗剪切能力下降。與普通乳化瀝青冷再生混合料相比，隨著REOB乳化瀝青與集料質(zhì)量比的增加，冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性下降，當(dāng)質(zhì)量比提高至8%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度減小了20.53%。