廠拌熱再生瀝青混合料關鍵技術研究

鄭德江 ZHENG De-jiang

（山東康橋交通科技有限公司，濟南 250000）

0 引言

我國進入公路建設高峰期已經有幾十年的時間，公路通車總里程業已躍居全球第一位。隨之而來的是建設初期的瀝青路面陸續來到了服務壽命末期，由此產生了大量的廢舊瀝青混合料。這些混合料中的瀝青及集料均屬于不可再生資源，堆積、填埋或直接作為路基材料使用均會造成資源的浪費。國外發達國家，如美國、日本、英國及韓國等發達國家在瀝青混合料熱再生方面起步較早，已經形成了較為完善的政策、技術及產業鏈，如日本的廢舊瀝青路面材料的利用率達到90%以上[1]。我國在瀝青路面材料的再生利用方面起步相對較晚，從2005年起，才開始了對瀝青混合料再生利用的相關研究工作，但發展速度確十分迅猛，時至今日已經初步形成了再生利用的相關技術體系[2]。其中廠拌熱再生作為性能恢復最佳的一種方式深受業界人員的青睞，不過廢舊瀝青混合料的廠拌再生利用仍然存在許多問題未能的得到有效的解決，一是面對組成相對復雜的再生瀝青混合料（RAP），其性能恢復的方法與恢復效果的評價還不夠成熟；二是廠拌熱再生瀝青混合料的材料組成設計方法基本沿用現行規范，未能充分考慮RAP材料的特殊性；三是廠拌熱再生瀝青混合料的施工工藝套用常規瀝青混合料的施工方法，其適用性尚存在一定的不確定性[3]。針對上述問題，相關學者也開展過部分研究工作，并取得了一定的研究進展，在廢舊瀝青、混合料及集料技術性能的評價、廢舊瀝青的再生性能恢復機理等方面均有相關的報道，目前針對瀝青再生的理論主要有組分調節理論、相容性理論以及橡膠增塑理論等，其中認可度較高的是組分調節理論[4-6]。在工程機械方面，我國已經實現了自主設計自主生產再生機，這為廠拌熱再生的實現奠定了基礎，再生機實現了廢舊瀝青路面材料的獨立存放、溫度控制、摻量控制等。再生機與原生機的相互配合，共同保證了再生后瀝青混合料技術性能的達標。

文章便是在上述研究背景下，采用新舊瀝青融合的方式，探索廠拌熱再生材料性能恢復的關鍵技術，在充分考慮RAP材料的技術特點提出了廠拌熱再生瀝青混合料的材料組成設計方法，在此基礎上研究了廠拌熱再生瀝青混合料的路用性能。旨在為廠拌熱再生技術在公路工程中的進一步推廣提供技術參考。

1 廠拌熱再生材料性能恢復研究

1.1 原材料

文章采用的RAP材料為某二級公路的銑刨料，取代表性的部分RAP試樣進行瀝青抽提，剩余的礦質混合料利用方孔篩（2.36mm）過篩后分為再生粗集料和再生細集料，并對其進行技術檢測，檢測結果見表1。文章采用的新集料為玄武巖材料，其技術指標見表1。

表1顯示，與新集料相比，再生集料的各項指標均存在著一定的降低，表現為軟泥含量偏高，針片狀偏高等，這提示在利用再生集料時，其摻量應該控制在一定的范圍內，防止再生集料和新集料所組成混合集料的技術指標超過相關規范規定的限值。

表1 集料技術指標

對抽提得到的瀝青進行技術性能檢測，檢測結果見表2。另外文章選擇齊魯石化生產的90#道路石油瀝青作為調和瀝青，其技術指標見表2。

表2 瀝青技術指標

表2顯示，再生瀝青的技術性能已經老化嚴重，針入度遠低于50#瀝青的要求，延度指標過低，粘度偏大，這表明瀝青經過老化后，其黏滯性過高，低溫性能幾乎喪失。

1.2 再生理論與方法

目前有多種理論用于對瀝青再生進行解釋，但最為流行的還是組分理論，該理論是基于瀝青老化前后組分變化而提出的，一經提出便得到了相關研究人員的高度認可。RAP中的舊瀝青經過多年的使用，其技術性能有著較大的損失，其根本原因是由于瀝青內部組分的變化。一般而言，瀝青中的芳香分和飽和分均屬于輕質組分，在受到熱氧、光照、荷載等綜合作用下，會發生一定的組分揮發與轉化，造成輕質組分缺失，同時部分膠質轉變為瀝青質，致使瀝青質占比過高。上述組分的變化使得瀝青的針入度和延度顯著降低、軟化點明顯升高，黏滯性急劇增大，從而使得瀝青失去了原有的路用技術性能。基于此，組分調價理論提出，向瀝青中添加輕質組分從而補全缺失芳香分和飽和分，降低瀝青質占比，可以較大程度的提升再生瀝青的技術性能。基于該理論，結合復合材料性能規律模型，文章提出了再生瀝青針入度和軟化點指標恢復模型，如式（1）和式（2）所示。

式中：m1、m2為分別為舊瀝青、新瀝青質量分數；P1、P2、Pi分別為舊瀝青、新瀝青、再生后瀝青的針入度；Ti、T1、T2分別為舊瀝青、新瀝青、再生后瀝青軟化點。

為了驗證上述模型的準確性，文章設計了不同新舊瀝青比例的工況，新舊瀝青比例分別為0:10、1:2、2:1、5:1、10:1及10:0，并進行了相應的技術指標的檢測，檢測結果匯總于圖1中。

圖1 模型準確性驗證結果圖

基于上述結果，文章選擇新舊瀝青比例5:1作為推薦比例，在該比例下，再生之后的瀝青的技術性能如下：針入度為75（0.1mm）、軟化點為50.1（℃）、15℃延度（96.3）、60℃粘度（356.2Pa.s）。不難看出，新瀝青的輕質組分有效的補充到了舊瀝青之中，兩者調和之后的瀝青技術性能與70#基質瀝青相仿。值得注意的是，并非所有RAP與新瀝青的摻配比例均為5:1，這需要根據上文所述計算公式、我國現行施工技術規范等綜合確定。

2 廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

廠拌熱再生瀝青混合料的路用性能的優劣直接決定著其推廣前景，由于RAP材料中瀝青的技術性能較差，所以RAP摻配率必然是影響瀝青混合料配合比設計的主要因素，由于RAP材料級配的不穩定性，文章推薦對不同來源不同路面結構層的RAP分類堆放、分類使用，最大程度的保持RAP材料的性能一致性。文章設計了RAP摻配量分別為0%、10%、20%、30%、40%等五種瀝青混合料，以新集料為補充，以AC-16級配區間為控制，進行礦質混合料配合比設計，如圖2所示。

圖2顯示，不同RAP摻量的瀝青混合料能夠調整到幾乎相同的級配曲線，表明了經過分類使用的RAP材料可以與新集料組成滿足規范要求的各種級配曲線類型。根據公式（1）和公式（2），以及RAP的摻量，分別預估新瀝青的用量，并進行瀝青混合料馬歇爾試件的試打工作，根據不同油石比的毛體積相對密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等試驗結果，按照瀝青混合料最佳油石比的計算方法，確定RAP摻配量為0%、10%、20%、30%、40%時的最佳油石比分別為4.%、4.3%、4.4%、4.5%、以及4.75%。按照該油石比，對不用RAP摻量的路用性能進行了檢測，試驗結果如表3所示。

圖2 設計級配

表3顯示，隨著RAP摻量的不斷增大，瀝青混合料的動穩定度并未出現降低的現象，反而是不斷的增加，出現上述現象的原因，與舊瀝青中瀝青質含量比例的升高有關。根據文章公式（1）和公式（2）所述的規律，隨著舊瀝青比例的提升，再生瀝青中的黏滯性是隨之不斷增大的，具體的表現為針入度的降低以及軟化點的升高，最終造成瀝青模量的提升。于是出現了如表3所示的動穩定度隨RAP摻量的增大而提升的現象。同時該理論也相應的解釋了彎曲進度模量試驗規律。

表3 廠拌熱再生瀝青混合料技術性能

但是廢舊瀝青再生后的力學性能相對較低，特別是與低溫相關的力學指標，如表3所示的最大彎拉應變，RAP摻量40%時的值幾乎為無RAP摻量時的一半左右，說明RAP中的瀝青雖然經過了輕質組分的再生作用，但無法恢復到新瀝青的技術性能，尤其表現在低溫性能上。上述規律提示RAP的摻配比率在冬季溫度較低的地區不應該過高。

廠拌熱再生瀝青混合料的水穩定性指標主要是凍融劈裂強度比和殘穩兩項指標進行評價，表3顯示，隨著RAP摻配率的不斷增加，再生瀝青混合料的殘留穩定度出現了顯著下降的趨勢，凍融劈裂強度比也出現了相應的下降。出現上述規律，提示RAR中舊瀝青抵抗水損害的能力相對較低。這一點可以從瀝青之間的粘結力上進行解釋。一般而言，經過最佳油石比設計后的瀝青混合料，瀝青與石料、瀝青與瀝青之間均是以結構瀝青的形式粘結在一起，部分瀝青可能存在自由瀝青黏結的情況，但整體黏結力較強，特別是結構瀝青其黏結力遠遠超過瀝青材料之間的分子力。而經過老化之后的瀝青，瀝青之間的粘結體系已經遭到破壞，殘存的黏結力相對較小，經過再生補充了部分輕質組分后，其黏結力有所提升，但無法提升到新瀝青的水平，于是造成了再生瀝青混合料水穩定性相對較差的結果，且隨著RAP材料在瀝青混合料中質量占比的提升而愈發的明顯。水穩定性的降低容易造成坑槽、松散、剝落等病害的產生，所以在降水量較多的地區需要限制RAP的含量不宜過高。

總之，廠拌熱再生瀝青混合料的高溫穩定性隨著RAP的摻量的增大而增大，但水穩定性和低溫抗裂性能則隨著RAP摻量的增大而減小。所以對于RAP的使用不應過度的追求高摻量，而應該以基本路用性能為基準。

3 結論

文章針對廠拌熱再生瀝青混合料的兩個關鍵問題展開了研究工作，取得的主要結論如下：

①向舊瀝青中添加輕質組分補全缺失芳香分和飽和分，降低瀝青質占比，可以較大程度的提升再生瀝青的技術性能。

②廠拌熱再生瀝青混合料的高溫穩定性隨著RAP的摻量的增大而增大，但水穩定性和低溫抗裂性能則隨著RAP摻量的增大而減小。