布敦巖瀝青改性熱再生混合料路用性能研究

程跟成　黃結(jié)友　杜鵬廣

摘要 針對普通熱再生瀝青混合料在我國南方濕熱地區(qū)路面應(yīng)用中容易出現(xiàn)水損破壞、車轍變形、耐久性不足的問題，提出將BRA應(yīng)用于普通熱再生混合料，以實現(xiàn)對熱再生混合料性能的改善。通過室內(nèi)性能試驗發(fā)現(xiàn)BRA對熱再生混合料的高溫性能、抗水損性能具有顯著提高作用，適宜的BRA摻量對熱再生混合料的低溫抗裂性具有改善作用;在高RAP摻量熱再生混合料中推薦BRA外摻用量為2%～3%。

關(guān)鍵詞 道路工程;熱再生瀝青混合料;布敦巖瀝青;路用性能;回收瀝青路面材料

中圖分類號 U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0156-04

引言

瀝青路面廠拌熱再生技術(shù)因其適用性廣、計量精確、操作靈活、施工質(zhì)量能夠得到保證等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為目前我國應(yīng)用最廣泛、最為實用的路面養(yǎng)護(hù)手段。廠拌熱再生混合料在我國公路養(yǎng)護(hù)維修中得到廣泛的推廣應(yīng)用，大量試驗研究與工程實踐表明[1-3]，隨著廢舊瀝青路面材料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）用量的提高，普通熱再生混合料的高溫性能普遍能夠滿足，但其低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及耐久性有不同程度的衰減，并且RAP比例越高性能衰減越嚴(yán)重，大大降低再生瀝青路面的使用壽命。特別在我國南方濕熱地區(qū)，瀝青路面車轍變形、水損壞病害頻發(fā)[4-5]，使高RAP摻量（RAP摻量達(dá)到25%以上）普通熱再生混合料的路用性和耐久性較難滿足工程建設(shè)要求，極大制約了高RAP摻量廠拌熱再生技術(shù)在我國南方濕熱地區(qū)的發(fā)展和應(yīng)用。布敦巖瀝青（Buton Rock Asphalt，BRA）是由海底石油在自然界復(fù)雜綜合作用下形成的天然瀝青類物質(zhì)，具有軟化點(diǎn)高耐高溫、含氮量高抗氧化、抗老化、不含蠟的優(yōu)良特性，并且與基質(zhì)瀝青的配伍性和相容性優(yōu)良。因此，BRA在公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)中應(yīng)用能改善路面使用性能，是一種性能優(yōu)良的改性添加劑。相關(guān)研究與工程實踐表明[6-8]，BRA與熱集料高溫拌和可以激活BRA的特性，對混合料各組分的改性可以使混合料的高溫抗車轍性能、抗水損壞性能及耐疲勞性能得到明顯提高。基于此，為了改善我國南方高溫多雨地區(qū)熱再生混合料的使用性能，該研究將BRA摻入普通熱再生混合料中進(jìn)行改性，對不同BRA摻量下改性熱再生混合料的使用性能進(jìn)行測試分析，從而提高大比例RAP摻量熱再生混合料在南方濕熱氣候條件下的耐候性，減少再生路面病害發(fā)生率，為BRA改性熱再生混合料的推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1.1 BRA

研究用BRA由鹽城布敦道路材料有限公司提供，對其進(jìn)行抽提和質(zhì)量檢驗來保證BRA性能達(dá)標(biāo)，由表1可知其性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

1.2 基質(zhì)瀝青

采用中石化茂名石化生產(chǎn)的A-70道路石油瀝青，經(jīng)檢測其性能符合路用要求。

1.3 RAP

取自江西贛州某高速養(yǎng)護(hù)工程中面層銑刨料，使用離心分離法測定舊瀝青含量并通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器回收抽提液中的舊瀝青。由表2中RAP的技術(shù)指標(biāo)可知舊瀝青老化不嚴(yán)重，可以很好地再生利用。

2 熱再生混合料配合比設(shè)計

2.1 級配設(shè)計

由RAP抽提篩分試驗結(jié)果和路面養(yǎng)護(hù)工程以往經(jīng)驗，確定采用中面層常用的AC—20C型級配進(jìn)行配比設(shè)計，可以實現(xiàn)RAP效益的最大化。由于高RAP摻量會加劇礦料級配的波動和拌和的不均勻性，導(dǎo)致熱再生混合料性能不穩(wěn)定，質(zhì)量甚至無法保證。綜合考慮，確定研究方案為：RAP摻量分別為30%、40%，BRA外摻用量分別為0、2%、4%、6%（BRA用量為再生混合料質(zhì)量的百分比）;并選用新拌SBS改性瀝青混合料作為對比分析。不同瀝青混合料的礦料合成級配見表3，由圖1可知各混合料的合成級配曲線接近，可以避免因級配不同造成的混合料性能差異。

2.2 熱再生混合料拌和工藝控制

RAP表面被老化瀝青砂漿包裹，受熱后老化瀝青融化。提高RAP的預(yù)熱溫度可以促進(jìn)結(jié)團(tuán)RAP的分散和新舊瀝青的充分融合、提升舊瀝青的利用率，但是預(yù)熱溫度超過130 ℃后易導(dǎo)致舊瀝青二次老化、流變性能喪失，因此將RAP預(yù)熱溫度控制在110～120 ℃。新集料的加熱溫度會直接影響拌和效果和出料溫度，通過多次試拌確定為185～195 ℃，BRA不需加熱，常溫添加。

基于各種拌和材料的性質(zhì)功能，確定拌和工藝為：首先同步加入BRA和高溫?zé)峒线M(jìn)行干拌60 s，利用高溫礦料的剪切拌和將BRA熔融分散，釋放BRA中的純?yōu)r青;隨后加入已預(yù)熱的RAP拌和30 s，拌和均勻后加入基質(zhì)瀝青濕拌60 s，最后加入礦粉攪拌30 s，總拌和時間為3 min。

2.3 馬歇爾試驗

采用馬歇爾試驗配合比方法確定不同瀝青混合料的最佳瀝青用量，并檢驗最佳瀝青用量下的馬歇爾指標(biāo)。不同混合料的試驗結(jié)果見表4，表中最佳新瀝青用量為新添加瀝青質(zhì)量與再生混合料總重量的最佳比值。

由表4結(jié)果可知，不同混合料馬歇爾試件的體積指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)均能滿足規(guī)范中相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求。RAP用量增加直接導(dǎo)致舊瀝青提供量增多，由于這些舊瀝青在拌和中得到了再生利用，從而使新瀝青用量減少，穩(wěn)定度值提高;摻加2%BRA熱再生混合料的穩(wěn)定度可以達(dá)到SBS改性瀝青混合料的水平，并且體積指標(biāo)也與SBS改性瀝青混合料相差不大;同一RAP摻量下，BRA用量增多的同時新瀝青用量減少，說明BRA中的純?yōu)r青得到了有效利用，與混合料發(fā)生了有效融合。

3 路用性能分析

3.1 高溫穩(wěn)定性能

采用與路面真實受力狀態(tài)相符合的車轍試驗?zāi)M混合料在高溫下的塑性流動變形過程，以變形趨于穩(wěn)定期的變形速率作為高溫性能評價指標(biāo)。試驗操作方法和數(shù)據(jù)處理嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，相關(guān)試驗結(jié)果見表5。

由表5可知：不同瀝青混合料的動穩(wěn)定度遠(yuǎn)超規(guī)范（≥2 800次/mm）要求，隨著BRA摻量增加，熱再生混合料的動穩(wěn)定度先顯著增大后趨于穩(wěn)定，車轍變形量逐漸減小。與SBS改性瀝青混合料相比，在30%RAP用量下，摻加2%、4%、6%BRA后，熱再生混合料的動穩(wěn)定度分別提高了25.0%、42.1%、55.9%，同時車轍變形量分別減小了9.4%、14.4%、18.3%;當(dāng)RAP用量為40%RAP時，摻加2%、4%、6%BRA后，熱再生混合料的動穩(wěn)定度分別提高了36.4%、53.8%、66.3%，同時車轍變形量分別減小了11.7%、17.7%、22.0%。說明在高RAP摻量或者高BRA摻量情況下，熱再生混合料對荷載產(chǎn)生的剪切變形具有更強(qiáng)的抵抗能力，高溫穩(wěn)定性能更優(yōu)。分析其中原因：一方面是路面長期使用后，舊瀝青油分含量減少而硬組分增多，舊瀝青黏度、勁度增大。再生料中的舊瀝青含量在RAP摻量增加后也隨之增多，從而使瀝青膠結(jié)料變硬、黏度提升，熱再生混合料對荷載引起車轍變形的抵抗力得到增強(qiáng);另一方面是BRA中的純?yōu)r青具有耐高溫、高軟化點(diǎn)的特性，與瀝青高溫融合后使再生瀝青軟化點(diǎn)提高，同時灰分中大量的氮元素和堿性礦物與瀝青高溫融合后使瀝青膠漿的粘附性得到增強(qiáng)。因此，熱再生混合料在荷載作用下的流動變形得以減小，高溫性能得到顯著提升，能夠達(dá)到SBS改性瀝青混合料的高溫水平，這在南方濕熱地區(qū)重載交通下具有較好的適用性。

3.2 低溫抗裂性能

小梁彎曲試驗對瀝青路面低溫開裂狀態(tài)的模擬程度較好，以小梁彎拉破壞時的試驗指標(biāo)評價混合料的低溫抗裂性能，試驗指標(biāo)結(jié)果見表5。

由表5可知：

（1）與普通熱再生混合料相比，BRA改性熱再生混合料的抗彎強(qiáng)度隨BRA摻量的增加而增大，破壞應(yīng)變則是在2%BRA摻量下稍微增大之后不斷減小。原因在于BRA中的灰分等堿性礦物能夠加強(qiáng)礦料瀝青間的黏附性，對低溫環(huán)境中瀝青混合料的延展拉伸有一定增強(qiáng)作用;但是BRA中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量高、純?yōu)r青稠度大，BRA的摻量越大則瀝青膠漿的流動性越差，熱再生瀝青混合料抵抗溫縮開裂所具備的柔性和變形能力衰減更加嚴(yán)重。當(dāng)BRA對混合料低溫抗裂產(chǎn)生的減弱作用超過其增強(qiáng)作用，熱再生混合料的低溫抗裂性能便逐漸下降。

（2）高RAP摻量和BRA摻量的疊加作用很容易會使BRA改性熱再生混合料的低溫破壞應(yīng)變不滿足冬溫區(qū)最低值2 500 με的要求。因此，應(yīng)根據(jù)熱再生混合料應(yīng)用地區(qū)的低溫性能要求確定BRA的適宜摻量，推薦外摻用量為2%～3%。

3.3 水穩(wěn)定性能

浸水馬歇爾試驗在工程建設(shè)中被廣泛使用，凍融劈裂試驗對混合料水損破壞的模擬更加全面苛刻，對瀝青混合料采用這兩種試驗方法檢驗其抗水損害能力，相關(guān)試驗結(jié)果見表5。

由表5可知：

（1）普通熱再生混合料的殘留穩(wěn)定度均大于80%，比較符合我國多雨潮濕區(qū)的水溫性能要求;但是殘留強(qiáng)度比小于80%，較難滿足高溫多雨地區(qū)對混合料的水穩(wěn)性能要求，RAP摻量越高越不容易滿足。說明南方濕熱地區(qū)對瀝青混合料的水穩(wěn)性能要求較高，會限制普通熱再生混合料在該地區(qū)的推廣應(yīng)用。

（2）在摻加2%～6%BRA后，熱再生混合料的殘留穩(wěn)定度均大于90%、殘留強(qiáng)度比均大于85%，增加BRA的用量后這兩個指標(biāo)逐漸變大，熱再生混合料對水損破壞的抵抗能力得到明顯加強(qiáng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性。其中原因在于：BRA粉末在高溫拌和時緊密附著在礦料表面，同時BRA粉末巨大的表面積又能夠大量吸收瀝青，這種特性增強(qiáng)了瀝青與礦料的粘結(jié)強(qiáng)度，能有效減緩瀝青從集料上剝離脫落;并且BRA粉末與基質(zhì)瀝青融合后造成瀝青膠漿黏度增大、不易流動，從而使集料表面油膜增厚，混合料間隙中的水分子很難侵入瀝青集料界面而減弱其剝離作用。這說明BRA對高RAP摻量熱再生混合料的抗水損性能有明顯提高作用，在我國南方濕熱地區(qū)的熱再生混合料生產(chǎn)中摻入BRA來提高再生料的水穩(wěn)定性是可行的，能有效減少水損壞的發(fā)生。

4 結(jié)論

BRA中的純?yōu)r青和灰分在提高混合料的抗剪切變形能力方面發(fā)揮著重要作用，可使熱再生混合料達(dá)到甚至超過SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定效果，可大幅度減少瀝青路面的永久變形。BRA對低溫抗裂性能的影響與其摻量有關(guān)，2%～4%BRA摻量下，熱再生混合料的低溫破壞應(yīng)變滿足我國冬冷區(qū)、冬溫區(qū)對瀝青混合料的破壞應(yīng)變要求。摻加BRA可以減緩瀝青從集料上剝離脫落，進(jìn)而提高熱再生混合料水穩(wěn)性能，克服了普通熱再生混合料水穩(wěn)定性不足的弊端，使再生路面具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性。兼顧生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)效益和使用性能，推薦BRA改性熱再生混合料用于我國南方高溫多雨地區(qū)，最佳BRA外摻用量為2%～3%。

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收稿日期：2022-02-28

作者簡介：程跟成（1995—），男，碩士研究生，研究方向：路面材料。

基金項目：江西省交通運(yùn)輸廳科技計劃項目“基于天然巖瀝青條件下的廢舊瀝青混合料回收利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2020H0004）。