再生瀝青混合料性能的試驗研究

岳宗豪 趙 磊 王 真 連 超

1中石油燃料油有限責任公司研究院 北京 100080

2北京市政路橋建材集團有限公司 北京 100176

1.原材料及配合比設計

再生劑性質如表1所示，其中A、B為中石油燃料油有限公司研究院所開發的不同粘度的再生劑，C為市場上常用再生劑。從表1中數據可以看出，再生劑B閃點為202℃，雖然小于規范要求，但再生瀝青混合料生產過程中，礦料加熱溫度一般小于190℃，因此也可嘗試使用。三種再生劑其他指標均滿足規范要求。

表1 再生劑原料性能試驗結果

對北京地區常用的兩檔回收瀝青路面材料（0-12mm，12-25mm）進行了試驗分析，首先通過抽提試驗將回收瀝青路面材料中的瀝青與礦料分離，確定回收瀝青路面材料的礦料級配及油石比，為目標配合比設計提供依據。結果如表2至表4所示。從試驗結果可以看出舊礦料各項性能優異，具有較高的再生利用價值。

表2 回收瀝青路面材料礦料級配

表3 回收礦料（＞4.75）各項指標檢測結果

表4 回收瀝青路面材料（RAP）性能指標

將抽提出的舊瀝青與抽提溶劑三氯乙烯的混合液放入旋轉蒸發器中分離，獲得回收瀝青，并根據再生瀝青性能的試驗結果，向回收瀝青中加入不同比例的再生劑進行性能恢復，回收瀝青及再生瀝青的性能如下表所示，經試驗確定，A、再生劑B、再生劑C的添加比例分別為15%、8%、12%時，再生瀝青的性能可基本恢復到新瀝青水平，該摻量即作為再生瀝青混合料中再生劑的摻量（與舊瀝青的質量比）。

表5 回收瀝青及再生瀝青性能試驗結果

本文所用礦料及新瀝青各項指標滿足規范要求，新瀝青為凱意70#基質瀝青。再生瀝青混合料級配為AC-20C，舊料添加比例為20%，通過馬歇爾試驗進行再生瀝青混合料配合比設計，級配情況如下圖所示，以再生劑A為例進行配合比設計，最佳油石比為4.4%。當使用再生劑B、C時，調整新瀝青用量以保證再生瀝青混合料油石比不變。

2.高溫穩定性能

道路瀝青及瀝青混合料都是粘彈性材料，其性能與加載時間和溫度密切相關。在高溫條件下，車輪荷載的作用極易出現車轍，造成瀝青路面的永久變形，從而影響行車安全、舒適性和路面壽命。本文通過車轍試驗評價再生瀝青混合料高溫抗車轍性能，試驗結果見表6。

表6 混合料高溫穩定性試驗結果

由表6中可見，添加三種再生劑的再生瀝青混合料動穩定度均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004的性能要求，使用再生劑B時再生瀝青混合料動穩定度略低，這是由于再生瀝青混合料中再生劑與老化瀝青無法完全混合均勻，而再生劑B粘度較低，易導致混合料中出現軟弱層，從而使瀝青混合料動穩定度降低。

3.水穩定性能

評價混合料水穩定性的方法，通常分兩類，第一類是評價瀝青與礦料的粘附性，這是進行礦料選擇和評價的重要內容；第二類是評價瀝青混合料的水穩性，評價方法是采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗兩種試驗方法，試驗結果分別采用浸水馬歇爾試驗殘留穩定度和凍融前后的劈裂強度比雙指標進行評價。本文采用后者進行再生瀝青混合料水穩定性評價，試驗結果如表7所示。

表7 馬歇爾殘留穩定度試驗結果

表8 凍融試驗結果

由以表7及表8中數據可見，添加3種再生劑的再生瀝青混合料殘留馬歇爾穩定度及劈裂強度比均能滿足現行規范《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求。

4.低溫抗裂性能

瀝青混合料的低溫抗裂性主要取決于其中的結合料，結合料的勁度和延度以及溫度敏感性都直接影響混合料的抗裂性，目前國內評價混合料低溫性能的控制指標主要是低溫彎曲試驗的破壞應變。由于再生混合料的性能含有一定量的舊瀝青，其低溫性能更是再生混合料的重要性能指標，對添加不同再生劑的熱再生AC-20混合料進行低溫彎曲試驗，結果如表9所示。

表9 低溫彎曲試驗結果

由表中數據可見，添加三種再生劑的的再生AC-20瀝青混合料均具有良好的低溫抗裂性能，使用再生劑A時再生瀝青混合料低溫抗裂性優于再生劑B、C，低溫彎曲試驗的破壞應變結果滿足現行規范《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求。

5.動態力學性能及疲勞性能研究

（1）再生AC-20瀝青混合料動態函數算法

動態粘彈特性是瀝青混合料的重要性能，動態粘彈特性指標是瀝青混合料結構設計中的重要參數。本文針對添加不同再生劑的再生AC-20瀝青混合料進行動態粘彈特性研究，測試再生瀝青混合料的動態模量及相位角，并繪制主曲線，為再生瀝青混合料的結構設計及實體工程應用打下基礎。

不同溫度下的動態模量水平平移可通過非線性最小二乘擬合實現，使之形成西格摩德（Sigmoid）函數，并同時獲得時溫等效轉換所需的移位因子，如式(1-1)所示。

式中

fr——參考溫度下的荷載頻率，也稱為縮減頻率；

α、β、γ、δ——回歸參數；

δ+α ——動態模量極大值的對數；

β、γ ——描述西格摩德函數形狀的參數。

基于移位因子，動態模量和相位角可在一定的溫度條件下（參考溫度）建立隨頻率變化的主曲線。粘彈性材料的移位因子計算可以通過三種方式：方法一是最常用的WLF方程，NCHRP 1-37A中的Witczak模型采用WLF方程，如式(1-2)所示；方法二是通過Arrhenius模型；方法三基于轉換瀝青膠結料的流變數據公式。

式中

αT——T溫度條件下的移位因子；

C1、C2——常數；

T0——參考溫度；

T——單個試驗的溫度。

將不同溫度下的動態模量基于移位因子平移形成主曲線，移位因子代表各溫度下的動態模量曲線到參考溫度下主曲線的平移距離，可在非線性最小二乘擬合中確定移位因子。

（2）再生AC-20瀝青混合料動態模量

本研究中采用AMPT試驗機，如下表10所示，測試了添加再生劑A、B、C的熱再生AC-20混合料在4℃、20℃、40℃三個不同溫度和0.1Hz、1Hz、10Hz頻率下的動態模量，并根據時間——溫度置換原理（Time-Temperature Superposition principle）利用非線性最小二乘擬合的方法得到了參考溫度下的動態模量主曲線和時間——溫度轉化因子，并進一步確定了相位角主曲線，用以描述瀝青混凝土的粘彈性性質。

圖1 動態模量試驗儀（SPT）

熱再生AC-20瀝青混合料動態模量試驗數據見表10。

表10 熱再生AC-20混合料動態模量試驗結果

注：1Ksi×6.895=1MPa

由上表數據可知，隨著溫度的升高和頻率的降低，動態模量均有下降的趨勢。也就是說在高溫和慢速交通條件下，瀝青混合料的動態模量均有所降低，再生瀝青混合料同樣如此。而低溫和快速交通條件下，瀝青混合料的動態模量均是增加的。

（3）復數動態模量主曲線確定

相對于給定的溫度，頻率水平移動的數量值被定義為移位因子α（T），如下式所示，實際頻率除以移位因子就得到主曲線中的減縮頻率，因此，在繪制主曲線的過程中，必須使用一個參考溫度TR，其它數據均以此為基礎進行平移得到，在參考溫度下，移位因子α（T）=1，對于粘彈性材料，確定移位因子可以采用不同的幾種模型，其中最常用的是W.L.F方程。在得到每個溫度每個頻率下的模量值和相位角后，可以確定不同溫度下的移位因子，將原始數據處理后，便得到了模量主曲線。基于Sigmoid反曲函數采用非線性回歸方法對試驗數據進行擬合，可以繪制出復數模量E*主曲線。添加不同再生劑的再生AC-20瀝青混合料動態模量主曲線回歸參數如表11所示，動態模量主曲線及相位角主曲線如圖2至圖7所示。

表11 動態模量主曲線回歸參數

圖2 添加RA25的再生瀝青混合料動態模量主曲線

圖3 添加RA25的再生瀝青混合料相位角主曲線

圖4 添加再生劑A的再生瀝青混合料動態模量主曲線

圖5 添加再生劑A的再生瀝青混合料相位角主曲線

圖6 添加再生劑B的再生瀝青混合料動態模量主曲線

圖7 添加再生劑B的再生瀝青混合料相位角主曲線

從以上數據可以看出，添加三種再生劑的再生瀝青混合料動態模量較為接近，表明添加所開發再生劑的再生瀝青混合料的動態力學性能達到同類產品的水平。可以看出添加A的回歸參數α絕對值最大，表明該種再生瀝青混合料較其他兩種再生瀝青混合料具有較高的溫度敏感性。

6.疲勞性能研究

目前，世界各國應用現象學法進行疲勞試驗的方法很多，大致分為四類。一是實際路面在真實的汽車荷載作用下進行的疲勞試驗，以美國ASSHO試驗路最為典型；二是模擬汽車荷載對足尺路面結構進行加載，以研究其疲勞性能，主要包括加速加載試驗和環道試驗；第三類是樣板試驗法，有動輪輪跡式、脈沖壓頭式、動板輪跡式等；第四類是室內小型試件的疲勞試驗。由于前三種方法耗資巨大，試驗周期長，試驗結果受特定路面材料以及環境條件限制，不能普遍推廣，因此目前各國大多數采用的還是室內小型試件的疲勞試驗。

疲勞試驗條件匯總如下：

試驗方法：四點彎曲疲勞試驗，也稱三分點加載疲勞試驗；

試件成型方法：用輪碾法成型450mm×300mm×100mm大車轍板試件；

試驗試件尺寸：將車轍板試件切割成長380mm±5mm，寬63.5±5mm，高50±5mm梁式試件；

溫度：15℃±0.5℃；

加載模式：應變控制；

加載波形：偏正弦波；

頻率：10Hz；

試件破壞標準：材料勁度模量下降到初始勁度模量的50%。

表12 熱再生AC-20混合料疲勞壽命

幾種瀝青混合料疲勞壽命由大到小依次為：新拌瀝青混合料＞添加再生劑A的再生瀝青混合料＞添加再生劑B的再生瀝青混合料＞添加再生劑C的再生瀝青混合料。由試驗結果可知，添加所開發再生劑的熱再生AC-20混合料疲勞性能與相同級配及油石比的新拌瀝青混合料疲勞性能相當，優于市場上同類產品。

7.主要研究結論

（1）根據不同的再生劑，完成了三個配合比設計。分別確定了回收瀝青混合料礦料級配，油石比，確定了回收瀝青性質，根據再生瀝青性能規律，確定了再生劑比例，經驗證再生瀝青性能滿足要求。進行回收礦料、新礦料性能檢驗，經驗證，回收礦料及新礦料性能均滿足相關要求，經反復調試，確定了三個再生ZAC-20C瀝青混合料合成級配。

（2）項目驗證減四線油做再生劑再生瀝青混合料路用性能，再生瀝青混合料類型為：ZAC-20，RAP添加比例為：20%。再生瀝青混合料ZAC-20各項性能均滿足規范要求，從混合料角度證明了所開發再生劑的適用性。

（3）以RA25作為再生劑，通過再生瀝青混合料的材料設計及性能研究，證明了添加RA25的再生瀝青混合料性能滿足規范要求，達到市場同類產品水平，具有較為優異的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、力學性能、耐久性等，可以進行實體工程應用。

（4）以減三線油作為再生劑，通過再生瀝青混合料的材料設計及性能研究，證明了添加減三線油的再生瀝青混合料性能滿足規范要求，達到市場同類產品水平，具有較為優異的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性等。

8.創新點

（1）通過車轍試驗評價了熱再生AC-20瀝青混合料的高溫穩定性，通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗評價了再生混合料的水穩定性，通過小梁彎曲試驗評價了再生混合料的低溫抗裂性，驗證添加第一次送樣的減四線油、第二次送樣的RA25、第三次送樣的減三線油的再生瀝青混合料路用性能完全滿足規范要求，從而驗證第一次送樣的減四線油、第二次送樣的RA25、第三次送樣的減三線油可作為再生劑使用。

（2）測試了添加第二次送樣的RA25作再生劑的再生瀝青混合料靜態模量，并在不同溫度和荷載作用頻率下測試了其動態模量，根據時間——溫度轉換原理利用非線性最小二乘擬合的方法得到了參考溫度下的動態模量主曲線，并進一步確定了相位角主曲線，為路面設計提供輸入參數。

（3）檢測了添加第二次送樣的RA25作再生劑的再生瀝青混合料的抗疲勞性能，證明其抗疲勞性能能夠滿足規范要求。

9.取得的主要成果

本文通過混合料路用性能、力學性能、耐久性研究，從再生瀝青混合料分析所開發再生劑的適用性，主要研究結論如下：

（1）本文首先確定了回收瀝青混合料礦料級配，油石比，確定了回收瀝青性質，根據再生瀝青性能規律，確定了再生劑比例，經驗證再生瀝青性能滿足要求。

（2）項目驗證添加再生劑A、B時再生瀝青混合料路用性能，再生瀝青混合料類型為：ZAC-20，RAP添加比例為：20%。再生瀝青混合料ZAC-20各項路用性能均滿足規范要求，使用再生劑B時再生瀝青混合料動穩定度略低，使用再生劑A時再生瀝青混合料低溫抗裂性優于再生劑B、C，從混合料角度證明了所開發再生劑的適用性。

（3）隨著溫度的升高和頻率的降低，動態模量均有下降的趨勢。添加三種再生劑的再生瀝青混合料動態模量較為接近，表明添加所開發再生劑的再生瀝青混合料的動態力學性能達到同類產品的水平。添加再生劑A的再生瀝青混合料較其他兩種再生瀝青混合料具有較高的溫度敏感性。

（4）幾種瀝青混合料疲勞壽命由大到小依次為：新拌瀝青混合料＞添加再生劑A的再生瀝青混合料＞添加再生劑B的再生瀝青混合料＞添加再生劑C的再生瀝青混合料。由試驗結果可知，添加所開發再生劑的熱再生AC-20混合料疲勞性能與相同級配及油石比的新拌瀝青混合料疲勞性能相當，優于市場上同類產品。

（5）從再生瀝青混合料路用性能、力學性能、疲勞性能來看，所開發再生劑達到市場同類產品水平。