再生劑對(duì)回收瀝青混合料性能的影響研究

向 波 高世豪

(河南省第二公路工程有限公司 鄭州 450000)

1 瀝青再生技術(shù)發(fā)展概況研究

目前中國(guó)二級(jí)以上的公路主要采用半剛性基層瀝青路面[1]。并且我國(guó)大部分公路已進(jìn)入改擴(kuò)建和養(yǎng)護(hù)期。不論從環(huán)保角度和經(jīng)濟(jì)角度，對(duì)舊瀝青的循環(huán)再利用，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 瀝青混合料再生技術(shù)發(fā)展

再生利用瀝青混合料主要是充分利用舊路面材料中的碎石及瀝青，最大程度地利用資源。瀝青再生技術(shù)能夠全面處理瀝青路面維護(hù)時(shí)回收的廢料，對(duì)舊路面瀝青進(jìn)行循環(huán)利用，降低公路工程建設(shè)進(jìn)程中對(duì)瀝青及原料資源的購(gòu)買量和緩解相關(guān)資源壓力，具有顯著的社會(huì)效益，鑒于此回收瀝青混合料再生利用已成為學(xué)者探討的焦點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代中后期，世界各國(guó)對(duì)瀝青混合料再生技術(shù)較為重視，美國(guó)路用瀝青混合料有近一半是用再生瀝青。德、日、法、荷等國(guó)家研發(fā)和應(yīng)用較快。同時(shí)，工廠冷再生和就地再生法也被應(yīng)用在低等級(jí)路面。國(guó)外AUSTROADS(澳洲)在瀝青路面材料再生研究中，摻入60%回收瀝青混合料的路面同傳統(tǒng)瀝青混合料的路面壽命相同，且能增強(qiáng)路面的抗車轍能力。美國(guó)學(xué)者研究也表明再生瀝青混合料路面同全新瀝青混合料路面的使用壽命及性能無(wú)差別。日本的《廠拌再生瀝青鋪裝技術(shù)指南》指出，在苛刻條件下的重交通路面中應(yīng)用熱拌再生瀝青混合料，若質(zhì)量管控恰當(dāng)，路面性能與新料鋪裝路面無(wú)差別。然而，這些研究中回收瀝青混合料的再生都必須應(yīng)用再生劑來(lái)改變舊瀝青混合料的性能，進(jìn)而控制回收瀝青混合料的再生質(zhì)量。

1.2 再生劑的分子狀態(tài)和擴(kuò)散效果

再生劑不僅改變了回收瀝青路面材料的分子狀態(tài)和性能，再生劑類型及使用量直接決定著再生瀝青混合料的長(zhǎng)期性能和短期性能。短期性能要求再生劑要迅速溶解至回收瀝青路面材料的膠結(jié)料中，且活化舊瀝青的性能，利用形成均勻混合料涂層降低再生混合料的變形敏感度，以免其摩擦系數(shù)的降低。同時(shí)，在回收瀝青路面材料中，再生劑無(wú)法完全擴(kuò)散，進(jìn)而造成再生混合料的不均勻。國(guó)內(nèi)瀝青再生劑擴(kuò)散機(jī)理與擴(kuò)散模擬試驗(yàn)研究表明[3]，再生劑擴(kuò)散需要經(jīng)過(guò)形成集料膜、滲入回收瀝青路面材料膠結(jié)料、滲透過(guò)程中使膠結(jié)料黏度降低，在一定時(shí)間作用下形成再生膜，并實(shí)現(xiàn)再生劑滲透的平衡[4]。在擴(kuò)散過(guò)程中，溫度、再生劑分子擴(kuò)散結(jié)構(gòu)剛度、分子作用力、分子形狀及大小、微觀結(jié)構(gòu)等均會(huì)影響再生劑的擴(kuò)散效果。

1.3 瀝青再生技術(shù)指標(biāo)

再生利用瀝青混合料中，改性瀝青(SBS)的使用量很大，瀝青改性技術(shù)占據(jù)了我國(guó)改性瀝青的90%以上。性能優(yōu)良的基質(zhì)瀝青是保證改性瀝青路用性能的重要保障。其中，對(duì)改性瀝青成本影響最顯著的是SBS的摻量，改性技術(shù)是SBS+穩(wěn)定劑+改性劑。瀝青混合料摻入適量的SBS、再生劑能增強(qiáng)路面抗疲勞，密實(shí)耐久，抗高溫和車轍，減少低溫開(kāi)裂性能[5]。另外舊路面老化瀝青取材方便，施工經(jīng)驗(yàn)成熟，且造價(jià)相對(duì)較低，瀝青再生技術(shù)很受青睞。然而，改性瀝青(SBS)受熱時(shí)降解，大分子變成小分子，軟化點(diǎn)和延度等性能指標(biāo)均會(huì)下降，須改變RAP二次抗老化性能，使其有足夠的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求(表1)。

表1 瀝青再生技術(shù)指標(biāo)要求

根據(jù)表1再生技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)要求，SBS類改性瀝青的針入度(25℃滲透性)、延度(5℃)、軟化點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)、溶解度、彈性恢復(fù)等技術(shù)指標(biāo)，使瀝青能夠在使路面設(shè)計(jì)的使用年限內(nèi)，滿足交通承載力、耐久性、舒適性和安全性的要求，確保工程質(zhì)量、降低工程造價(jià)的目的。

2 再生劑摻量控制對(duì)再生混合料性能的影響

2.1 再生劑摻量對(duì)舊瀝青混合料性能的影響

瀝青再生劑可以提高RAP的利用率。在混合料熱拌再生工藝中，再生劑摻量的確很關(guān)鍵[6]。適宜的再生劑能夠加速與老化瀝青的反應(yīng)，進(jìn)而能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)再生膠結(jié)料。但是，優(yōu)質(zhì)的再生劑價(jià)格昂貴,只有控制好再生劑摻量，才能保證高摻量RAP在新建路面的利用。本研究共設(shè)置5種比例再生劑0%、4%、8%、12%、16%配合比成型試件，采用同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。環(huán)形加載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同比例的再生劑環(huán)形加載試驗(yàn)

由表2環(huán)形加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，再生劑7%～9%摻量，優(yōu)于0～14% 和12%～16%摻配比的再生混合料。其中，8%摻量的極限荷載達(dá)17.293/kN，極限荷載值最大；摻量從8%增大到12%時(shí)極限荷載為14.92/kN；摻量從12%再增大到16%時(shí)極限荷載減至14.86/kN，隨著再生劑摻量增加極限荷載逐漸減小。所以，再生劑摻量不是越多越好，合理的再生劑摻配比有助于改善舊瀝青與集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)RAP的柔韌性和低溫抗裂性[7]。環(huán)形加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，再生劑8%為最佳摻量，而30%的RAP料摻配率幾乎接近新拌瀝青混合料，再生混合料的水穩(wěn)定性能達(dá)到相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 敏感性再生劑對(duì)瀝青混合料的影響

敏感性再生劑對(duì)瀝青混合料的改善程度有重要影響。敏感性再生劑能夠改變混合料中微波能量的分布規(guī)律，加快再生混合料降溫、升溫速率，使其高于未使用再生劑的瀝青混合料[8]。敏感性再生劑擴(kuò)散過(guò)程中，促進(jìn)了瀝青膠體結(jié)構(gòu)的分子形狀及大小、結(jié)構(gòu)剛度、分子作用力發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生瀝青膠結(jié)塊擴(kuò)散再生效果[9]。與不摻加敏感性再生劑的舊瀝青路面材料相比，應(yīng)用敏感性再生劑的再生混合料的低溫抗裂性能提高，高溫下的穩(wěn)定性能增強(qiáng)，敏感性再生劑+瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比值可達(dá)到94.52%，敏感性再生劑對(duì)瀝青混合料熱拌再生的效果顯著[10]。

大量工程實(shí)踐表明，在瀝青混合料與敏感性再生劑RAP的比較中，低黏度再生劑摻入后，能夠降低再生后瀝青混合料的高溫性能；而敏感性高黏度再生劑則可提高其高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，加入了敏感性再生劑的RAP柔韌性和低溫抗裂性顯著增強(qiáng)，改善了黏結(jié)性。

2.3 再生劑拌和時(shí)間、溫度對(duì)舊瀝青混料的影響

拌和時(shí)間可以改善再生混合料的性能。既定拌和時(shí)間內(nèi)，再生劑與RAP的高溫性能，優(yōu)于再生劑與新瀝青拌和均勻度。這是因?yàn)樵偕鷦┡cRAP的融合，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，廠拌熱再生工藝中時(shí)間約60s，由60s增加到90s時(shí)，RAP材料均勻密實(shí)，舊料與新瀝青間的融合充分，空隙率更低，再生混合料的高溫穩(wěn)定性指標(biāo)提高[10]。RAP的拌和時(shí)間、溫度與再生混合料的空隙率關(guān)系如圖1所示。

圖1 RAP加熱溫度與再生混合料空隙率關(guān)系

從圖1拌和時(shí)間的影響可以看出，再生劑的拌和時(shí)間直接影響材料造價(jià)[11]。所以，在生產(chǎn)過(guò)程中，保證材料拌和溫度和時(shí)間符合工藝要求的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制拌和時(shí)間。

3 再生瀝青混合料(RAP)二次老化性能試驗(yàn)

3.1 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

研究RAP二次抗老化性能的方法很多，本研究通過(guò)小梁低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)不同再生類型的RAP摻配比例進(jìn)行彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、勁度模量研究，試驗(yàn)把RAP分為RAP-1組和 RAP-2組，RAP-1組取材某省道中面層的70#基質(zhì)舊瀝青，RAP-2組取材某省道的上面層SBS改性瀝青。兩組舊集料級(jí)配：AC-16C型、AC-13型。新添加的瀝青料，則為基質(zhì)瀝青AH-70#、改性瀝青SBS I-C型。對(duì)上述兩組RAP經(jīng)過(guò)一四分、二抽提、三清洗、四烘干、五篩分后，取得粗集料的技術(shù)指標(biāo)。摻入再生劑(ZS)，其具有較好的親和性、滲透性，在改善舊瀝青流變性能方面效果較好，其主要指標(biāo)見(jiàn)表3。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG F20-2011)標(biāo)準(zhǔn)和要求，著重對(duì)RAP的二次抗老化性能加以研究，舊料摻配比例為30%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 (ZS)再生劑主要技術(shù)指標(biāo)

表4 小梁低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4小梁低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：二次老化后的RAP性能有所改變，彎拉強(qiáng)度較之前有所上升，與此對(duì)應(yīng)的是彎拉應(yīng)變明顯下降，因此導(dǎo)致勁度模量升高顯著，低溫抗裂降幅明顯。計(jì)算數(shù)值顯示，在二次老化后30%RAP-1試樣，AC-16C型級(jí)配的彎拉應(yīng)變值平均下降18.97%；AC-13型級(jí)配的彎拉應(yīng)變值平均下降14.89%，說(shuō)明AC-13型級(jí)配的彎拉應(yīng)變值小于AC-16C型級(jí)配的，兩種級(jí)配相比，AC-13型級(jí)配再生路面的低溫抗開(kāi)裂能力更好。同時(shí)，二次老化后的RAP+再生劑的彎拉應(yīng)變下降數(shù)值大于未加入再生劑的RAP，其彎拉應(yīng)變數(shù)值也大于未加入再生劑的RAP，這說(shuō)明添加再生劑能有效改善RAP的低溫開(kāi)裂。

3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

勁度模量值增大這一瀝青老化后的特征，雖有利于高溫條件下保持再生瀝青路面的穩(wěn)定性，但在低溫條件下，受行車荷載、水損害、環(huán)境因素的疊加影響，瀝青路面易發(fā)生裂縫病害[12]。裂縫將加速瀝青路面水損害，為消除瀝青路面裂縫的影響，本研究以齡期28d試件，吸水飽和后置于15～20℃反復(fù)凍融循環(huán)，通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)，對(duì)AC-16C與AC-13試件展開(kāi)二次老化前后的凍融循環(huán)對(duì)比研究，結(jié)果顯示在10～100次凍融循環(huán)試驗(yàn)下，經(jīng)二次老化后再生劑的性能雖有明顯退化，但從其長(zhǎng)期抗水損壞方面看，瀝青混合料的水穩(wěn)定性仍很強(qiáng)。凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表5凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：二次老化后的RAP，其凍融循環(huán)殘留強(qiáng)度比10次時(shí)較高，經(jīng)幾十次凍融循環(huán)后殘留強(qiáng)度逐漸減低，這顯示短期內(nèi)RAP經(jīng)二次老化后，其水穩(wěn)定性沒(méi)有較大影響，但在長(zhǎng)期過(guò)程中，其水穩(wěn)定性影響大。經(jīng)計(jì)算得出，二次老化后的AC-13型級(jí)配的多次凍融循環(huán)殘留強(qiáng)度比為8.99%<10.99%的AC-16C型級(jí)配，數(shù)據(jù)顯示二次老化后，經(jīng)多次凍融循環(huán)后AC-13型級(jí)配在長(zhǎng)期水穩(wěn)定性強(qiáng)于AC-16C型級(jí)配。

3.3 試件再生劑的滲透性能評(píng)價(jià)

綜合表4、表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，AC-13和AC-16C 試件再生瀝青混合料其低溫抗裂性能顯著、水穩(wěn)定性能較高，與新拌的瀝青混合料性能基本接近。在長(zhǎng)期抗低溫開(kāi)裂方面、水損壞方面，試件AC-13型級(jí)配的表現(xiàn)抗凍等級(jí)>AC-16C 型級(jí)配。據(jù)此對(duì)小梁裂縫應(yīng)變進(jìn)行評(píng)價(jià)，再生劑摻量為7%～9%時(shí)，其抵抗疲勞性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性等再生劑的再生效果明顯，8%是再生劑的最佳摻量，其瀝青滲透性最大[13]，此時(shí)AC-13型級(jí)配滲透能力優(yōu)于普通瀝青再生劑，其空隙率低再生改良效果尤其明顯，可滿足瀝青路面的低溫抗裂性、水穩(wěn)性的要求。

4 結(jié)論

RAP+舊料的不斷摻入，歷經(jīng)二次老化后，低溫性能呈慢弱化狀態(tài)，水損害在短期內(nèi)表現(xiàn)不明顯，但長(zhǎng)期抵抗水損害能力明顯減弱。再生劑+老化輕質(zhì)的RAP舊料，其長(zhǎng)期抵抗水損壞能力強(qiáng)；再生劑+老化較重的RAP舊料，則低溫抗裂性能較差。試驗(yàn)表明，再生劑摻入8%時(shí)，對(duì)RAP的性能改善突出，瀝青滲透性最大。同時(shí)，在長(zhǎng)期抗低溫開(kāi)裂方面、水損壞方面，AC-13型級(jí)配的表現(xiàn)優(yōu)于AC-16C 型級(jí)配，宜做路面上面層。此外，敏感性再生劑對(duì)瀝青混合料熱拌再生的影響顯著，30%的RAP摻配比例可基本滿足瀝青路面的低溫抗裂性、水穩(wěn)性的要求。