基于甬臺溫大修工程的瀝青再生性能探究

陳舟宇,吳雪柳

(1.浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司，浙江 溫州 325000； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400000)

0 引言

甬臺溫高速公路通車運營16 a，近年來，重載、超載現(xiàn)象日益增多，在荷載、雨水、光照等條件耦合作用下，其瀝青路面損壞狀況嚴重，裂縫、松散、坑槽、翻漿等病害頻發(fā)，造成路面行駛舒適性差、安全隱患高，現(xiàn)有日常養(yǎng)護維修、中修維修已不能滿足道路使用需求，因此，深度大修處治迫在眉睫。傳統(tǒng)銑刨重鋪工藝，不僅對新石料與瀝青消耗巨大，還易因銑刨舊料的廢棄及長期堆置引起資源浪費、土地侵占及產(chǎn)生環(huán)境復合污染等問題，增加治理難度，危害生態(tài)環(huán)境[1]。為了解決上述問題，同時響應交通運輸部提出的2020年全國公路路面舊料循環(huán)利用率要達到90%以上的工作目標[2]，擬使用再生技術(shù)對銑刨料進行回收利用。另一方面，研究表明，合理利用瀝青再生技術(shù)，可平均節(jié)省總材料成本的20%～30%，完全切合節(jié)能減排的環(huán)保要求[3]。西方發(fā)達國家瀝青回收利用率達80%以上，但我國目前只有25%左右。因此，本文基于甬臺溫大修項目，研究瀝青再生料中瀝青的殘留性能及其規(guī)律，分析瀝青老化機理及再生機理，通過室內(nèi)模擬老化試驗及其分析，探究老化瀝青的性能恢復，以期為項目中瀝青再生打下基礎。

1 舊瀝青性能

1.1 回收瀝青的性能

根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[4]的要求，通過進行圖1所示的室內(nèi)抽提離心試驗收集RAP舊料中的瀝青溶液，并通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收得到舊瀝青。

將回收舊瀝青進行針入度、軟化點、15 ℃延度等性能指標評價，同時對路段回收瀝青性能的變異性進行分析，試驗結(jié)果見表1。

表1 回收舊瀝青混合料中老化瀝青性能

由表1中數(shù)據(jù)比對可知，舊瀝青溫州南段針入度及延度較樂清段低，而溫州南段軟化點較樂清段軟化點高，因此可以得出溫州南段瀝青老化較樂清段嚴重。圖2為溫州段歷年各斷面流量圖，由圖2可知，各路段車流量均隨年遞增，且同時間段溫州南段車流量明顯較樂清段車流量大。由此說明，車流量大的路段瀝青老化嚴重程度更深，持續(xù)增加的荷載加速了瀝青的老化。

1.2 回收舊料瀝青含量分析

采用離心分離法測定舊料瀝青含量，分別從樂清段及溫州南段兩個路段進行瀝青路面取樣，經(jīng)抽提后得到舊料中瀝青含量測試結(jié)果見表2。

表2 不同路段RAP料瀝青含量

由表2可知，舊料瀝青含量的變異系數(shù)均小于15%，表明同一路段舊料的瀝青含量變異不大。相比瀝青含量設計值，各個路段舊瀝青含量均有不同程度的降低，樂清段取樣平均值降低約12.3%，而由于交通量增長迅猛，溫州南段瀝青含量降低22.6%。

2 再生瀝青機理

2.1 瀝青老化機理

從微觀老化機理方面分析，瀝青老化主要有組分移行理論及溶液相容性理論。組分移行理論主要是指瀝青老化過程是瀝青中非飽和分由芳香分-膠質(zhì)-瀝青質(zhì)方向轉(zhuǎn)化，飽和組分相對較穩(wěn)定的各組分移行過程。溶液相容性理論是指瀝青老化過程理解為溶液溶度參數(shù)差值增大，組分相容性變差，穩(wěn)定性降低的過程。

2.2 瀝青再生機理

1)化學組分的恢復。

再生劑的作用機理可分為化學及物理兩種吸附過程?；瘜W吸附主要是再生劑與老化瀝青后發(fā)生一系列反應，將極性差異較大的組分膠溶在一起。物理吸附主要通過電荷吸引的方式來降低瀝青溶液中溶質(zhì)與溶劑的表面引力，形成瀝青的穩(wěn)定溶液。瀝青再生機理過程見圖3。

2)溶解度參數(shù)差值降低。

“溶解度參數(shù)”概念認為在一種溶液中，溶質(zhì)和溶劑的溶解度參數(shù)的差值小于某一定值時，便可以形成穩(wěn)定的溶液。再生劑可讓其成分充當溶劑作用，以減小瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)之間的溶解度參數(shù)差值。再生劑的摻加，一方面降低瀝青質(zhì)在軟瀝青質(zhì)中的相對含量，從而提高瀝青質(zhì)在該溶劑中的溶解度；另一方面又可以提高軟瀝青質(zhì)對瀝青質(zhì)的溶解能力，最終使得瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)的溶解度參數(shù)差值降低，從而改善瀝青的相容性，恢復老化瀝青的路用性能。

3 室內(nèi)瀝青模擬老化試驗分析

通過室內(nèi)熱老化和壓力老化模擬瀝青老化狀態(tài)，測試不同狀態(tài)下瀝青的常規(guī)性能，通過DSR試驗分析瀝青老化后的流變性質(zhì)。

3.1 常規(guī)性能試驗分析

采用70號基質(zhì)瀝青，分別進行不同時間段的壓力老化試驗及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗，得到不同類老化瀝青，將不同類別的老化瀝青分別測試針入度、軟化點、延度以及135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度，得到試驗結(jié)果見表3。

表3 不同老化條件下瀝青性能指標

由表3可知，經(jīng)老化后，瀝青的針入度、延度降低，軟化點、黏度升高，且壓力老化試驗后瀝青性能比旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗后瀝青性能變化大。隨著老化時間的延長，短期老化后各項指標的變化值明顯較長期壓力老化的變化值小。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算各種老化前后瀝青性能指標相對于原樣瀝青的變化率，得到圖4所示變化率圖。

由圖4中從左往右計算得到，不同老化條件下，針入度分別較原樣降低了73.2%,63.9%,60.5%,54.5%,45.8%，軟化點分別較原樣升高了30.6%,27.6%,22.5%,16.1%,12.3%，旋轉(zhuǎn)黏度分別較原樣升高了121.1%,90.8%,75.2%,58.8%,27.2%。由此表明，相同長期壓力老化試驗條件下，瀝青各項指標均隨著壓力老化時間的延長而呈線性變化。壓力老化時間越長，瀝青針入度越低、軟化點越高、延度越低、黏度越高。綜上說明，在熱氧老化過后，由于瀝青內(nèi)部輕質(zhì)組分隨著老化時間的增加而散失，而重組分則隨老化時間的延長而增多，從而引起瀝青內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化使得瀝青黏度及軟化點升高、針入度及延度降低[5]。

3.2 DSR試驗分析

道路石油瀝青結(jié)構(gòu)多為溶-凝膠類型，在低溫或瞬間荷載作用下表現(xiàn)為彈性性質(zhì)，在高溫或長時間荷載作用下表現(xiàn)為黏性性質(zhì)。采用動態(tài)力學分析法進行試驗，獲得多個參數(shù)用于表征材料的黏彈性質(zhì)。固定頻率10 rad/s、應變?yōu)?0%的條件下對試樣進行溫度掃描(范圍為46 ℃～70 ℃)，測試70號基質(zhì)瀝青在不同溫度下的車轍因子，試驗結(jié)果見圖5。

由圖5可知，不同老化條件下瀝青的車轍因子隨著溫度升高逐漸降低。PAV老化后車轍因子比RTFOT老化后車轍因子增加更明顯；且相同溫度條件下，隨著PAV老化時間的增長，車轍因子逐漸升高，由此表明瀝青經(jīng)PAV老化后，輕質(zhì)組分減少更明顯，老化程度更高。

根據(jù)圖6所示試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過對車轍因子與老化時間曲線進行數(shù)據(jù)擬合可知，不同測試溫度下車轍因子與PAV老化時間之間具有良好的對應關(guān)系，兩者關(guān)系可用式G*/sinθ=A+Bt(G*/sinδ為車轍因子；t為老化時間；A和B均為回歸系數(shù))表示。系數(shù)A和B受到車轍因子測試溫度影響，回歸方程，得到不同測試溫度下系數(shù)A和B值如表4所示。由表4分析可知，系數(shù)A和B與溫度之間具有較好的對應關(guān)系，可將系數(shù)A和B用測試溫度表示。因此，PAV老化后車轍因子可用老化時間和車轍因子測試溫度表示?；|(zhì)瀝青PAV老化后車轍因子與老化時間和溫度的函數(shù)方程分別如G*/sinθ=(6 471.06e-T/6.129 3+0.018 6)+(25 897.29e-T/6.313 5+0.270 5)t(其中，G*/sinδ為車轍因子；T為車轍因子測試溫度；t為老化時間)所示。

表4 PAV老化后擬合曲線系數(shù)A和B與溫度的關(guān)系

以上算式及數(shù)據(jù)說明，瀝青的車轍因子在相同溫度下隨壓力老化時間的延長而逐漸增大。相同溫度條件下，隨著壓力老化時間的增長，車轍因子數(shù)據(jù)呈現(xiàn)線性上升趨勢，且上升趨勢隨著試驗溫度的上升而降低。由此表明，試驗溫度越高，車轍因子隨壓力老化時間的變化率越小，壓力老化時間在高溫條件下對瀝青車轍因子的影響小。

4 老化瀝青性能恢復試驗分析

選取1種市售再生劑(SZS)和自主研發(fā)(YZS)的再生劑對不同瀝青樣品進行試驗，主要比較溫州南段、樂清段回收瀝青以及試驗室模擬老化瀝青主要指標的恢復效果，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同再生劑對老化指標恢復的試驗結(jié)果

由表5可知，兩種再生劑在各自最佳摻量的情況下，對老化瀝青的針入度和延度有較大的改善，但由于再生劑的主要成分是為了補充老化瀝青散失的油分，而這些油分將會稀釋瀝青質(zhì)，造成軟化點有所降低。

對比兩種再生劑可以看出，在保證瀝青軟化點的基礎上，延長瀝青延度，可有效恢復瀝青性能。再生劑YZS在瀝青延展性方面稍優(yōu)于SZS，YZS可將RTFOT短期老化后的瀝青延度提升46.0%，將PAV老化后的瀝青延度提升143%。

5 結(jié)論

針對甬臺溫高速公路溫州段回收舊瀝青進行性能研究，并進行試驗室模擬瀝青老化試驗及瀝青性能恢復試驗，得到以下結(jié)論：

1)樂清段取樣平均值降低約12.3%，而由于交通量增長迅猛，溫州南段瀝青含量(質(zhì)量分數(shù))降低22.6%。交通量大能加速瀝青老化及其含量的降低，交通量大的溫州南段瀝青含量(質(zhì)量分數(shù))降低22.6%，樂清段瀝青含量(質(zhì)量分數(shù))降低12.3%。

2)不同老化條件下瀝青常規(guī)性能的變化程度不同，壓力老化試驗后的瀝青比旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗后的試樣在性能指標上的變化更大。

3)PAV老化后車轍因子比RTFOT老化后車轍因子增加明顯，壓力老化時間越長，車轍因子越大。

4)試驗溫度越高，車轍因子隨壓力老化時間的變化率越小，壓力老化時間在高溫條件下對瀝青車轍因子的影響小。

5)再生劑的摻加可使老化瀝青針入度和延度有較大改善，但會造成軟化點小部分降低，自研再生劑YZS在瀝青延展性方面稍優(yōu)于SZS。