生物質再生劑對再生瀝青混合料性能影響研究

蔣恒 茍宏偉 陳致遠 張明月

摘要：為探究生物質再生劑對再生瀝青混合料陛能的影響，本研究運用顆粒裹覆率、馬歇爾模數、殘留穩定度及抗壓強度四個指標，評價不同摻量生物質再生劑和RAP對再生瀝青混合料性能的影響，同時對生物質再生劑的應用效果進行探究。結果表明：生物質再生劑可有效提高再生瀝青混合料的拌和均勻性、高溫性能、水穩定性、力學性能，同時提高RAP摻量時，其各項性能呈現下降趨勢，但RAP摻量超過30%時，再生混合料水穩定性能下降放緩。通過對生物質再生劑混合料試驗段壓實度及滲水系數進行檢測，壓實度及滲水系數均滿足規范要求，生物質再生劑應用效果良好。

關鍵詞：道路工程;生物質再生劑;再生瀝青混合料;RAP;性能試驗

中圖分類號：U414文獻標志碼：A

0引言

瀝青路面憑借優良的行車舒適性、路用性能，而被廣泛應用于高速公路。自1984年第一條瀝青高速公路——京津塘高速公路建成通車以來，瀝青高速公路經歷了三十多年發展，瀝青路面在高速公路中的占比已超過90%。瀝青高速公路在運營過程中會因氧氣、光照、水等因素產生老化，使其功能不斷降低，我國大量瀝青路面已進入大修期。舊瀝青路面維修過程中將產生大量廢舊瀝青混合料，這會引發惡劣的環境問題及能源浪費。為此，道路研究者們率先開展對廢舊瀝青混合料再瀝青用的研究。

目前廢舊瀝青混合料（RAP）的再利用率較低，相關研究人員將瀝青銑刨料應用于密級配瀝青穩定碎石中，但可摻配率不超過20%。因此，如何提高RAP利用率是再生混合料研究的重點。Nahar等研究表明，在RAP中摻入再生劑可軟化老化瀝青，加速新舊瀝青融合，分散結團舊料，從而提高RAP利用率。

生物質再生劑是近年來興起的一種新型再生劑，Raouf研究了三種不同類型的生物油再生劑對瀝青結合料的影響;Fini對基于豬肥料轉化獲得的生物膠結料的特性及其在瀝青膠結料中的應用展開研究，發現該類生物再生劑可改變瀝青低溫性能但降低瀝青高溫性能;龔明輝通過對生物乙醇類、生物柴油類及環氧植物油類基質油分比選，最終研發了一種環氧植物油基生物油再生劑，并分析其對瀝青與瀝青混合料的影響;肖慶一等研究表明，廢機油再生劑可恢復RAP中老化瀝青粘彈性和高溫性能，但對其水敏感性不利，同時可改善高舊料含量熱拌再生瀝青混合料低溫抗裂性能;廖曉峰通過試驗表明生物結合料強度及高溫穩定性不足，但可顯著改善瀝青混合料低溫性能;宋昭睿的研究卻表明生物質再生劑自身具有較優良的高溫穩定性，對瀝青再生后，可軟化瀝青同時提高瀝青粘度及延度。本研究采用室內性能試驗研究生物質再生劑對再生瀝青混合料性能影響，并基于對其實際應用效果展開探究。

1原材料

1.1RAP

本試驗中的RAP取自廣東某高速公路銑刨料，為保證后續再生瀝青混合料級配穩定，本試驗將RAP過篩分為0-5mm、5-10mm、10-20mm，并利用抽提法測定各檔RAP篩分結果，見表1所列。

1.2再生劑

本試驗再生劑采用基于菜籽油制備的生物質再生劑，主要性能見表2所列。

1.3瀝青

本試驗新瀝青采用90號基質瀝青，其性能指標見表3所列。

2再生混合料設計

2.1再生混合料級配

本試驗再生混合料級配選用AC-20型級配，不同RAP摻量再生混合料根據表1篩分結果，摻入新集料配制，AC-20設計級配見表4所列，級配曲線如圖1所示。

2.2油石比

參考《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），針對本AC-20型級配選取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%制備馬歇試件，測試計算其毛體積密度、空隙率（vv）、穩定度、流值、礦料間隙率（vMA）、瀝青飽和度（VFA）六項指標，如表5。

通過馬歇爾試驗方法，測得不摻RAP的瀝青混合料最佳油石比為4.3%，20%、25%、30%、35%和40%RAP摻量最佳油石比則分別為3.7%、3.4%、3.2%、3.1%和2.9%。

3試驗設計與結果分析

3.1試驗設計

本室內性能試驗主要針對再生劑對不同RAP摻量再生瀝青混合料，再生劑摻量選擇為最佳瀝青用量的4%、5%、6%、7%、8%，RAP摻量分別選取混合料總質量的20%、25%、30%、35%和40%。

3.1.1顆粒裹覆率試驗

本試驗采用顆粒裹覆率試驗對瀝青混合料拌和均勻性進行評價，具體試驗參數為：于120℃下拌和瀝青混合料，拌和均勻后過9.5mm篩孔篩分出500g粗顆粒，清點顆粒數量，并檢查其表面裹覆程度，若顆粒表面有細微未裹覆斑點視為“部分裹覆”，無斑點則為“完全裹覆”，二者之比即為顆粒裹覆率。

3.1.2馬歇爾穩定試驗

本試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行馬歇爾穩定度測定試件殘留穩定度和馬歇爾模數。

3.1.360℃單軸壓縮試驗

單軸壓縮試驗參照ASTM D1074-09試驗方法，具體試驗參數為：將標準馬歇爾試件置于60℃烘箱24h，而后于室溫冷卻2h，并于25℃養生4h。試驗過程中UTM機施加應力為20.7MPa，加載速率為5.08mm/min，于90℃試驗溫度下加載2min測定試件60℃抗壓強度。

3.2結果分析

3.2.1拌和均勻性

以9.5mm以上粒徑顆粒裹覆率作為瀝青混合料拌和均勻性評價指標，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知：

（1）提高RAP摻量會降低瀝青混合料顆粒裹覆率。圖2中未摻再生劑時，20%RAP摻量混合料顆粒裹覆率達到了94.3%，相比之下，25%RAP摻量時混合料顆粒裹覆率僅為93.3%，繼續摻入RAP，混合料顆粒裹覆率持續下降，40%RAP摻量混合料顆粒裹覆率僅為89.8%，這是由于老化瀝青含量過高導致瀝青與集料間粘附性不足，在拌和過程中瀝青較易從集料表面脫落，“部分裹覆”顆粒數量增多，從而造成混合料顆粒裹覆率降低、拌和不充分。

（2）摻人生物質再生劑可顯著提高瀝青混合料顆粒裹覆率。對于20%RAP混合料，當生物質再生劑摻量由0%增加至8%時，顆粒裹覆率由94.3%增大至98.5%，增幅為3.2%;繼續提高再生劑摻量，顆粒裹覆率增幅放緩，8%摻量時裹覆率為98.5%。由此可見，再生劑可有效軟化RAP中老化瀝青，增大瀝青與集料間粘結作用，從而提高瀝青混合料拌和均勻性。

3.2.2高溫性能

瀝青混合料馬歇爾模數與抗車轍性能間有較好相關性，可以用于評價其高溫性能，馬歇爾模數計算結果如圖3所示。

由圖3可知：

（1）隨著RAP摻量增加，瀝青混合料馬歇爾模數逐漸增大。在未摻入再生劑時，RAP摻量達25%時，混合料馬歇爾模數超過5kN/mm，不滿足要求;繼續摻加RAP至40%，其馬歇爾模數可高達7.4kN/mm，這主要是由于RAP摻量增加后瀝青混合料中硬質老化瀝青比例增大，使得混合料高溫下抗塑性變形能力增強，從而其流值快速降低、馬歇爾模數增大，但老化瀝青比例增大也會導致混合料承載力降低，于抗車轍性能不利。

（2）瀝青混合料馬歇爾模數隨著再生劑摻量增加呈現下降趨勢。圖3中，不摻人再生劑情況下，混合料馬歇爾模數均不低于5kN/mm，摻入4%再生劑后，各摻量下混合料的馬歇爾模量均大幅下降;繼續摻入再生劑至8%，降幅放緩，說明4%生物質再生摻量下混合料具有較高的技術經濟效益。

3.2.3水穩定性

殘留穩定度是表征混合料水穩定性的主要指標之一，殘留穩定度越大表示瀝青混合料的抗水損害能力越強，通常認為瀝青路面殘留穩定度不低于80%時，則其具備較好的抗水損害能力，不同摻量再生劑及RAP再生混合料的殘留穩定度測試結果如圖4所示。

由圖4可知：

（1）提高RAP摻量會顯著降低混合料抗水損害能力。隨RAP摻量增加，再生混合料的殘留穩定度降低，不摻再生劑情況，當RAP摻量達到25%時，混合料便表現出較低的水穩定性。但隨著再生劑摻量達到30%時，殘留穩定度降幅放緩，這可能由于老化瀝青對集料具有較好的裹覆性，水分難以侵入結構瀝青內部。

（2）摻入生物質再生劑后，混合料的殘留穩定度稍有提高。混合料的水穩定性隨再生劑摻量增加而提高，呈現先增加迅速后緩慢的趨勢，如25%RAP摻量再生混合料，再生劑摻量從4%提高至5%及5%摻量提高至6%兩階段，殘留穩定度分別提高了7.1%及1.7%。這是由于再生劑可顯著恢復舊瀝青的粘結性能，提高其與集料裹覆性，從而提高混合料水穩定性。

3.2.4力學性能

單軸壓縮試驗操作簡便，試驗指標也較為直觀，可用于評價瀝青混合料力學性能，60°C單軸壓縮試驗結果如圖5所示。

由圖5可知：

（1）提高RAP摻量會顯著降低瀝青混合料抗壓強度。瀝青混合料抗壓強度隨著RAP摻量的增加而降低，未摻再生劑時，低摻量20%及25%時混合料力學性能較為相近，繼續摻入RAP至40%，抗壓強度下降了1.5kPa，可見高RAP摻量對瀝青混合料力學性能影響較大。

（2）摻人生物質再生劑后瀝青混合料抗壓強度有顯著改善。圖5中，摻入再生劑后瀝青混合料抗壓強度隨著RAP摻量增大而降低的趨勢有所緩解。不摻加再生劑時，當RAP摻量從20%提高Zi～40%，混合料抗壓強度下降了1.5kPa;當摻入8%再生劑后，RAP摻量從20%提高至40%時其抗壓強度由1.76kPa降低至1.07kPa，僅降低了0.7kPa，可見摻人生物質再生劑可顯著改善瀝青混合料力學性能。

4再生混合料應用性能檢驗

為檢驗生物質再生混合料的應用效果，參考《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008）對采用該生物再生劑的鋪筑試驗段（RAP摻量為30%、再生劑摻量為5%）進行壓實度、滲水系數檢測。

4.1壓實度

壓實度采用無核密度儀檢測，其測試原理為通過高頻無線電波測試瀝青路面介電常數，再通過轉換器將電場信號轉換為密度，該設備具有高效、快速、無損及對檢測人員無輻射傷害等優點。壓實度檢測每組測試13個點，取平均值進行壓實度計算，計算公式見（1）。壓實度檢測結果見表6所列。

其中K為壓實度，單位%;p1為無核密度儀測試的路面壓實瀝青混合料實際密度，單位g/cm³;po為瀝青混合料標準密度。

由表6可知，壓實度均值為98.9%，各點壓實度測試值均滿足《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F801-2012）對于試驗段壓實度大于98%的要求，說明生物質再生劑具有良好的應用效果。

4.2滲水系數

滲水系數是評價路面滲水性能的主要指標，指在規定水壓下，水在單位時間內在規定面積路面滲入路面的水量，其一定程度上反映混合料抗水損害能力，路面封水性能好，水分難以侵蝕到瀝青路面內部而造成水損害。滲水系數采用滲水儀檢測，檢測過程中若量筒中的水面下降較慢，記錄3min中的滲水量，若下降較快則記錄水面達到500mL刻度線的時間，并按照下式計算滲水系數。

現場檢測過程中，每次測試5個點，計算平均值作為測試結果，滲水系數檢測結果見表7所列。

由表7可知，再生瀝青混合料路面滲水系數均值為7.19mL/min，各點測試結果均滿足規范要求，滲水系數較小，瀝青路面基本不滲水，具備較好的抗水損害能力，說明生物質再生劑具有良好的應用效果。

5結論

生物質瀝青再生劑是近幾年一種新興起的摻人生物質再生劑。本研究對基于菜籽油制備的再生劑對老化瀝青混合料的再生效果展開研究，并探究該生物質再生劑的實際應用效果。結果發現，生物質再生劑可顯著改善瀝青混合料拌和均勻性、高溫性能、力學性能和水穩定性，這是因為生物質再生劑的摻人可恢復老化瀝青性能;提高RAP摻量降低再生混合料各項性能，但高摻時水穩定性能降幅放緩，這可能是由于水分難以侵入老化瀝青與集料粘結緊密的界面中;通過試驗檢測結果發現生物質再生劑的應用效果良好，壓實度及滲水系數均能滿足規范要求。