大摻量RAP溫拌瀝青混合料研究及應(yīng)用

彭閔敏,姜傳勇,郭旭東

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概述

隨著城市道路和高速公路的高速發(fā)展，我國即將進(jìn)入道路高維修階段。截至2020年底，我國高速公路的總里程已經(jīng)增長至15.29萬km[1]，位居世界第一。交通運(yùn)輸需求日益增長，道路在其投入使用過程中會(huì)因荷載和環(huán)境作用(日照、雨水及凍融等)發(fā)生各種道路病害，迫使道路維修成本日益增長，且傳統(tǒng)瀝青路面維修方法還會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，因此，舊瀝青混合料的回收再利用受到眾多關(guān)注。再生瀝青混合料是指含有瀝青路面回收料(Reclaimed Asphalt Pavement，簡稱RAP)的混合料，通常會(huì)按比例摻入新瀝青、礦料和再生劑[2]，相比于傳統(tǒng)瀝青混合料可以節(jié)省原材料，實(shí)現(xiàn)資源再生利用?，F(xiàn)階段主要的瀝青路面再生技術(shù)有五種：廠拌熱再生、就地?zé)嵩偕?、廠拌冷再生、就地冷再生和全深式熱再生。其中，應(yīng)用最廣泛且較成熟的為廠拌熱再生方式。然而，廠拌熱再生的施工溫度過高，易引發(fā)RAP中瀝青的二次老化，且廠拌熱再生瀝青混合料中，RAP的利用率普遍不高(20%～30%)，故研究學(xué)者嘗試采用溫拌技術(shù)來解決熱拌存在的問題。

溫拌再生技術(shù)是通過加入適量溫拌劑來實(shí)現(xiàn)再生瀝青混合料拌和施工溫度的有效降低，可達(dá)30 ℃以上[3]，拌和溫度的降低既可防止RAP的二次老化，減少瀝青煙和有毒氣體的排放，又可減少RAP在加熱桶中的加熱黏結(jié)現(xiàn)象，故亦可提高RAP的摻量[4]。針對此技術(shù)，本文主要從溫拌劑、再生劑、RAP摻量及工程應(yīng)用四個(gè)方面對大摻量RAP溫拌瀝青混合料的研究和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

2 大摻量RAP溫拌再生瀝青混合料研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 溫拌劑

溫拌劑主要通過降低瀝青的黏度，使再生瀝青混合料能夠在較低的溫度下進(jìn)行拌和施工。國內(nèi)外使用的溫拌劑主要分為三類[5]：

1)表面活性劑。

表面活性劑的加入可以使再生瀝青混合料表面形成結(jié)構(gòu)性的水膜，進(jìn)而短暫抵消瀝青的黏結(jié)作用，讓瀝青混合料在更低的溫度下拌和成型。查閱的文獻(xiàn)中，Evotherm型表面活性溫拌劑的應(yīng)用最為廣泛。尚海龍等[6-7]對摻入Evotherm的再生混合料進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明Evotherm的加入有效的降低溫拌再生瀝青混合料的黏度，提高再生瀝青混合料和易性，同時(shí)當(dāng)RAP摻量到40%時(shí)，溫拌再生瀝青的低溫性能明顯優(yōu)于熱拌再生瀝青。張玉杰[8]使用兩種表面活性劑(Evotherm-DAT和保利同S-I)進(jìn)行對比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)RAP摻量增加時(shí)，成型溫度都隨之增加；當(dāng)RAP摻量小于40%，加入保利同S-I溫拌劑比Evotherm-DAT溫拌劑的成型溫度更低，具有更好的降溫壓實(shí)效果；當(dāng)RAP摻量接近50%，加入Evotherm-DAT溫拌劑的降溫效果更好，其壓實(shí)目標(biāo)更容易實(shí)現(xiàn)。李子豪[9]分析了摻配比為0.3%～0.9%的Evotherm對瀝青性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)適量溫拌劑對瀝青的針入度和軟化點(diǎn)影響均很小，不會(huì)阻礙再生瀝青的路用性能。

2)有機(jī)添加劑。

有機(jī)添加劑主要通過減少瀝青之間的黏度，保證再生瀝青混合料性能的同時(shí)降低拌和溫度。使用最常見的有機(jī)添加劑為合成蠟類(Sasobit)，其熔點(diǎn)更低，面對高溫時(shí)可以有效降低瀝青膠結(jié)料間的黏度，提高骨料和瀝青的黏結(jié)度。王玄同[10]對比了不同溫度下分別摻入合成蠟類溫拌劑A和表面活性溫拌劑B的再生瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)黏度，實(shí)驗(yàn)表明溫拌劑B對黏度降低不明顯，相反溫拌劑A能夠使黏度降低25%，并且在高摻量下其降黏效果更佳。DI WANG等[11]研究摻入Sasobit溫拌劑對再生瀝青混合料的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫拌再生瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

3)瀝青發(fā)泡劑。

瀝青發(fā)泡劑主要包含人工合成沸石和天然沸石，Aspha-min型人工合成沸石溫拌劑應(yīng)用最為廣泛。其作用機(jī)理是通過向?yàn)r青混合料中加入含水性材料，兩者產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)在其接觸面上形成泡沫，從而降低再生瀝青混合料的黏度。同時(shí)泡沫瀝青由于其體積膨脹，對集料具有更好的裹附作用，改善了較低溫度下拌和再生瀝青集料的和易性。G.VALDES-VIDAL等[12]研究天然沸石是否能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)表面活性溫拌劑，試驗(yàn)使用斜發(fā)沸石型的天然沸石，研究發(fā)現(xiàn)斜發(fā)沸石的加入使拌和溫度和成型溫度降低了20 ℃，達(dá)到了與表面活性劑相同的降溫效果。WEIMIN SONG等[13]通過對比分析摻入發(fā)泡溫拌劑和未摻入溫拌劑的50%RAP再生瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)溫拌瀝青混合料降低約20%能源消耗。

三類溫拌劑對溫拌再生瀝青混合料性能都有明顯的提升，并有效的降低了拌和施工溫度。在瀝青路用性能試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)工程情況選擇溫拌劑種類，進(jìn)而最大程度提升溫拌再生瀝青混合料的路用性能。

2.2 再生劑

再生劑作為一種具有溶解和分散瀝青質(zhì)的化學(xué)試劑。傳統(tǒng)瀝青老化后瀝青的成分發(fā)生改變，油分蒸發(fā)減少、瀝青質(zhì)則增多使得瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化表現(xiàn)為硬脆性，各項(xiàng)性能指標(biāo)(針入度、軟化點(diǎn)、延度)均可能達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[14]。再生劑的加入可以降低舊瀝青的黏度，調(diào)節(jié)針入度和軟化點(diǎn)，使舊瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)都能夠恢復(fù)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[15]。

對于高摻量再生瀝青混合料，再生劑的使用可以有效提高舊瀝青基本性能。HESAMADDIN NABIZADEH等[16]使用RAP摻量為65%的瀝青混凝土和細(xì)骨料基質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，選取基于不同生產(chǎn)技術(shù)的三種不同類型再生劑：R1(基于石油技術(shù))、R2(基于綠色技術(shù))和R3(基于農(nóng)業(yè)技術(shù))對再生瀝青混合料的黏彈性剛度、疲勞開裂行為和永久變形的性能進(jìn)行測試分析，研究表明再生劑降低了大摻量RAP再生瀝青混合料的黏彈性勁度并提高了其耐疲勞性。MARISA DINIS-ALMEIDA等[17]針對100%摻量溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行研究，使用含有多胺添加劑的瀝青乳液黏合劑，實(shí)現(xiàn)了100%RAP再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，試驗(yàn)表明WM244和WM346(100%RAP再生瀝青混合料)混合料中分別加入2%瀝青乳液和3%瀝青乳液時(shí)，溫拌再生瀝青混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均可以滿足要求。王玄同主要對100%高摻量下再生瀝青混合料的各項(xiàng)性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)采用4%的ZGSB再生劑和3%的合成蠟類溫拌劑時(shí)，摻入100%RAP的再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能均接近于基準(zhǔn)值，且能滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

不同種類再生劑對于舊瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度的提升效果略有區(qū)別，應(yīng)根據(jù)溫拌再生瀝青混合料的路用性能要求選擇再生劑的種類和最佳摻量，再生劑加入溫拌再生瀝青混合料后提高了新舊瀝青融合后的路用性能和溫拌再生瀝青混合料中RAP利用率。

2.3 對溫拌再生瀝青混合料性能的影響

RAP摻量對溫拌再生瀝青混合料性能的影響研究主要集中在三個(gè)方面：

1)高溫穩(wěn)定性。在日照下，瀝青路面會(huì)吸收大量的熱，夏季高溫時(shí)，路面溫度可達(dá)到70 ℃以上，瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，從而影響瀝青路面的使用壽命。李佳坤[18]通過車轍試驗(yàn)評定溫拌再生瀝青混合料的高溫性能，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著RAP摻量(0%～50%)增大再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也隨之增大，高溫穩(wěn)定性能有明顯的提高，其原因在于RAP摻量的增加，瀝青中的穩(wěn)定組分——地瀝青質(zhì)含量增多，抗高溫性能明顯提升。朱小剛[19]通過試驗(yàn)分析溫拌劑的加入對大摻量RAP(65%～85%)瀝青混合料高溫性能的影響，對比加入Sasobit，Defuron和無溫拌劑三種情況下的動(dòng)穩(wěn)定度，結(jié)果表明加入Sasobit溫拌劑對高溫性能有所提升，而加入Defuron溫拌劑的動(dòng)穩(wěn)定度低于無溫拌劑下的基準(zhǔn)值。WEIMIN SONG等研究了再生劑對RAP摻量為50%的溫拌再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)再生劑的加入使再生瀝青混合料發(fā)生軟化效應(yīng)導(dǎo)致其抗車轍能力下降。由此可見，溫拌再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會(huì)隨著RAP摻量的提升而有一定的改善，再生劑和溫拌劑的使用會(huì)在一定程度上產(chǎn)生影響，使用時(shí)應(yīng)該選用合適的品種和摻量。

2)低溫抗裂性。低溫抗裂性的研究主要針對我國北方地區(qū)冬季溫度極低，容易導(dǎo)致瀝青路面嚴(yán)重脆性開裂等病害。徐世法等[20]對比分析了30%，45%，60%摻量下溫拌再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)隨著摻量增大，最大彎拉應(yīng)變呈減小趨勢；當(dāng)摻量達(dá)到60%時(shí)，再生瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變已低于規(guī)范要求。同樣，劉自若[21]對比了30%，40%和50%摻量下再生瀝青混合料的低溫抗裂性能，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)摻量最低即為30%時(shí)，低溫最大彎拉應(yīng)變最高，勁度模量最低，抗低溫性能最佳。陳靜云等[22]采用彎曲梁流變試驗(yàn)對比普通再生瀝青混合料和溫拌再生瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入降黏型溫拌劑使其再生瀝青混合料的抗疲勞性能和低溫性能分別提升了30%和7%，表面活性劑的加入使其再生瀝青混合料抗疲勞性能和低溫性能分別提升了10%和2%，由此可見，降黏型溫拌劑相比于表面活性溫拌劑，對再生瀝青混合料的抗疲勞性能和低溫性能提升更加明顯。

3)水穩(wěn)定性。水穩(wěn)定性不足是指水分侵入瀝青路面，降低了瀝青與礦料之間的黏結(jié)力，導(dǎo)致再生瀝青混合料的強(qiáng)度受到嚴(yán)重削弱。韓永強(qiáng)等[23]通過浸水馬歇爾試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著RAP摻量在0%～50%范圍內(nèi)，再生瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均呈逐漸下降趨勢，當(dāng)摻量超過50%，再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低幅度增大，無法滿足再生瀝青混合料的路用性能要求。王維營同樣使用浸水馬歇爾試驗(yàn)，分別測試了合成蠟類溫拌劑和表面活性溫拌劑對不同RAP摻量再生瀝青混合料的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著RAP摻量增大，殘留穩(wěn)定度都逐漸降低，試驗(yàn)表明兩種溫拌劑的加入對再生瀝青的水穩(wěn)定性都有削弱影響。綜上所述，隨著RAP摻量增大，溫拌再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性會(huì)有一定程度地提高，而低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均有所降低。

2.4 工程應(yīng)用

郭鵬[24]將AC-20C溫拌再生瀝青混合料(RAP摻量為20%)應(yīng)用于成渝高速公路K55～K66路段的路面中面層，現(xiàn)場工作流動(dòng)性良好，碾壓后，通過高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及路面滲水等試驗(yàn)檢測，結(jié)果表明各性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求；且通過新建段和已有普通熱拌瀝青混合料路面段有害氣體排放量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)溫拌現(xiàn)場煙氣少，對施工人員健康威脅小，可提高環(huán)境效益，改善施工環(huán)境；同時(shí)，該作者還對比了不同RAP摻量下的經(jīng)濟(jì)成本，表明摻入RAP的溫拌瀝青混合料有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。劉自若在江蘇某公路段進(jìn)行了AC-16溫拌再生瀝青混合料(RAP摻量為40%)的應(yīng)用探索，對其兩年后的路面綜合使用情況進(jìn)行測試，其路面動(dòng)穩(wěn)定度DS、最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂比測試結(jié)果均優(yōu)于規(guī)范設(shè)計(jì)值，表明溫拌再生瀝青路面仍然具有良好的路用性能。王淼[25]依托于順義區(qū)天北路大修工程，對比45%RAP摻量下使用Evotherm溫拌劑的WAC-20C再生瀝青混合料和RAP摻量為30%的熱拌再生瀝青混合料的鋪筑效果，發(fā)現(xiàn)溫拌再生瀝青混合料的凍融試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于熱拌再生混合料；并且溫拌再生方式的施工溫度降低了30 ℃，達(dá)到了節(jié)約能源和降低有害氣體排放的目的。許湛成[26]依托廣東省惠州博羅段進(jìn)行現(xiàn)場攤鋪研究，達(dá)到工程驗(yàn)收要求后，通過鉆芯取樣方式對瀝青路面路用性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果都符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。由上可知，高摻量RAP溫拌再生瀝青混合料已經(jīng)在工程上得到了一定的應(yīng)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[27]。

3 結(jié)論與展望

1)溫拌再生技術(shù)的使用，可將瀝青混合料拌和施工溫度降低20 ℃～30 ℃，RAP用量可提高至40%以上。

2)隨著RAP摻量的增加，溫拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性得到提升，低溫性能會(huì)明顯降低，水穩(wěn)定性能受到削弱影響。

3)再生劑與溫拌劑的種類和摻量對大摻量再生瀝青混合料的抗車轍能力和低溫抗裂性能影響較大，可通過復(fù)合設(shè)計(jì)，開發(fā)適用于大摻量RAP瀝青混合料的再生溫拌劑。

4)目前大摻量RAP溫拌再生瀝青混合料的工程應(yīng)用尚不多，應(yīng)在加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，對相關(guān)規(guī)范進(jìn)行完善，以推進(jìn)大摻量RAP溫拌再生瀝青混合料的應(yīng)用[28-34]。