廢舊瀝青路面材料的再生利用研究

劉 歡，林 杰

（1.湖北交投高速公路運營集團有限公司，武漢 430074；2.湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢 430100）

中國經濟飛速發展離不開我國道路的不斷建設。根據交通運輸部發布的《2020年交通運輸行業發展統計公報》顯示，截至2020年底，我國公路總里程已經達到519.81萬km，其中高速公路里程達到16.10萬km，里程數穩居世界第一。公路養護里程也達514.40萬km，占公路總里程99.0%。有些道路經過多年的使用已經到了大中修階段，不可避免地產生了大量廢舊瀝青路面材料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）[1]，這使得我國不得不面對巨量RAP處理的問題。巨量RAP如果得不到妥善處理，會造成一系列的資源浪費和環境破壞問題。因此如何開展RAP的再生利用是我國道路領域需迫切解決的重點任務之一。

實際上，歐美和日本等發達國家早在20世紀80年代就開展了RAP的再生利用研究。1981年美國就出版了《路面廢料再生指南》，大力發展路面再生技術，使得再生瀝青路面成為應用最廣泛的再生產品之一[2]。后續日本也大力推動RAP再生技術的發展，現階段日本的RAP利用率已經高達70%[3]。我國相關研究起步較晚，但也于2008年出版了JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規范》[4]。研究人員也針對RAP開展了廣泛研究，陳龍等[5]研究了新瀝青與舊瀝青相互融合的問題；郭乃勝等[6]開展了再生劑對溫拌再生瀝青混凝土工程性能的影響，發現再生劑對瀝青路面低溫抗裂性能和水穩定性有明顯改善作用；也有學者開展了RAP摻量對再生瀝青混凝土工程性能的影響研究[7]。經過多年的發展，我國在2019年重新修訂了規范，新出版了JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術規范》，旨在進一步提高RAP的利用率[8]。在實際工程中，RAP摻量一般控制在30%以下，這主要是因為RAP摻量的提高會顯著削弱再生瀝青混凝土的抗疲勞性能、抗水損害性能等。因此提高RAP摻量的同時保證再生瀝青混凝土的工程性能是推動其高效利用的關鍵。

本研究分析了在再生劑作用下RAP摻量對再生瀝青混凝土主要工程性能的影響，使用車轍試驗、四點彎曲疲勞試驗及水穩定性試驗分別表征了再生瀝青混凝土的高溫性能、疲勞性能及水穩定性能。旨在突破RAP在瀝青混凝土中的常規摻量，提高RAP的利用效率。

1 原材料性能

相關試驗所用的粗集料和細集料均為天然石灰巖，填料為采用石灰巖粉磨的礦粉，瀝青為AH-70號基質石油瀝青，RAP為從湖北某高速公路面層銑刨的廢料。再生劑為江蘇某化工廠生產的高性能瀝青再生劑，其性能參數見表1。再生劑摻量為老化瀝青質量的7%（廠家推薦值）。

表1 再生劑性能指標

2 試驗方法

按照馬歇爾方法設計不同RAP摻量的再生瀝青混凝土。RAP的顆粒級配見表2，將RAP與新集料、礦粉及新瀝青等材料組合使用，設計再生瀝青混凝土。RAP的摻量分別設定為35%、40%、45%、50%、55%。每種RAP摻量的再生瀝青混凝土均分為添加再生劑和未添加再生劑2種情況。對設計出的再生瀝青混凝土進行車轍試驗、四點彎曲疲勞試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。

表2 RAP的級配

3 結果與討論

3.1 高溫性能

由圖1車轍試驗結果可知，相比于35%的RAP摻量，當RAP摻量為40%、45%、50%、55%時，未加再生劑的瀝青混凝土動穩定度分別增加了4.7%、11.2%、15.2%、27.8%；加再生劑后的瀝青混凝土動穩定度則分別增加了6.7%、11.7%、16.0%、34.0%。說明無論添加還是不添加再生劑，再生瀝青混凝土的動穩定度都隨著RAP摻量的增加而增加。說明RAP的摻入有利于提高瀝青路面的高溫性能，同時表明再生劑的加入也一定程度上提高了路面的抗車轍能力。

圖1 車轍試驗結果

這可能主要受RAP表面舊瀝青的影響，舊瀝青在路面服役過程中已經嚴重老化，基本性質發生了顯著改變：流變性能變弱，變硬、彈性增強。這將導致再生瀝青混凝土在高溫環境下不易軟化，路面具有較好的高溫穩定性。當引入再生劑后，雖然RAP表面舊瀝青發生一定程度的軟化，但軟化的舊瀝青得以與新瀝青相互融合，使得RAP與新瀝青的黏附狀態向再生體系中新集料與新瀝青的黏附狀態轉變。因而，整個再生瀝青混凝土體系不同成分的配伍性得到改善，作用的均一性得到提高，因而再生瀝青混凝土的整體抗變形能力有所提高。

3.2 疲勞性能

采用四點彎曲疲勞試驗對再生瀝青混凝土的疲勞性能進行評價。試驗采用應變為400 με，頻率為10 Hz，試驗溫度為15℃，將試件彎曲勁度模量降低到初始值50%時對應的荷載循環加載次數作為疲勞壽命。疲勞試驗結果如圖2所示。由圖2可知，隨著RAP摻量的增加，未加入再生劑和加入再生劑的再生瀝青混凝土疲勞壽命都逐漸減小，抗疲勞破壞能力逐漸下降，其中前者下降更為明顯。具體來看，在RAP摻量為35%時，加入和未加入再生劑的試件疲勞壽命分別為14.1萬次和12.3萬次，當RAP摻量從35%逐步提高至55%時，前者疲勞壽命分別下降了6.4%、16.3%、40.7%、57.4%；后者疲勞壽命則分別下降了17.1%、30.1%、60.2%、78.9%。說明再生劑能顯著提高再生瀝青混凝土的抗疲勞破壞性能。

出現圖2所示結果，可能主要有以下原因。一是RAP表面老化瀝青韌性差，RAP的摻入導致瀝青混凝土變硬，且RAP摻量越多，影響越明顯。此外，在長期服役過程中，RAP中舊集料的強度、表面粗糙度等性能均發生了改變。因而RAP的摻入使瀝青混凝土的疲勞性能有所下降，且隨著RAP摻量的增加下降越來越明顯。另一方面，再生劑的加入使老化瀝青發生部分軟化，舊瀝青韌性得到提高，從而再生瀝青混凝土的抗疲勞破壞性能有所改善，但再生劑無法改善舊集料強度、表面粗糙度等性能問題。因而，隨著RAP摻量的增加，含再生劑的瀝青混凝土疲勞壽命依然出現不同程度的下降。

圖2 疲勞試驗結果

3.3 水穩定性能

水穩定性試驗結果如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，無論加入再生劑與否，殘留穩定度和劈裂強度比都隨著RAP摻量的增加而下降。對于未加入再生劑的再生瀝青混凝土，RAP摻量為35%時，浸水殘留穩定度為82.9%，凍融劈裂強度比為75.8%，隨著摻量的增加兩者均快速下降，在RAP摻量達到55%時，殘留穩定度僅為64.9%，劈裂強度比為60.2%。可以看出水穩定性是限制RAP摻量的重要原因。JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術規范》對普通瀝青混凝土水穩定性指標有較嚴格的要求：殘留穩定度大于80%，劈裂強度比大于75%。可見，RAP摻量即便只有35%，不含再生劑的再生瀝青混凝土劈裂強度比也僅勉強滿足規范要求。對于加入再生劑的再生瀝青混凝土，水穩定性則有了明顯改善，RAP摻量為35%時，殘留穩定度為90.3%，劈裂強度比為84.4%，但隨著RAP摻量增加，水穩定性指標也逐漸下降，在摻量為50%時，殘留穩定度和劈裂強度比已經分別降至79.9%和74.5%。已經很難再滿足JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。因此，根據水穩定性指標的變化來看，大摻量RAP再生瀝青混凝土中需加入再生劑；即使加入再生劑，RAP摻量也應控制在45%以內，以免水穩定性不符合規范要求。

圖3 浸水馬歇爾試驗結果

圖4 凍融劈裂試驗結果

大摻量RAP再生瀝青混凝土后，水穩定性之所以會出現明顯下降，同樣和RAP的性質密不可分。一方面，隨著RAP摻量的提高，舊瀝青含量逐漸增加，而老化瀝青較硬、較脆，導致舊瀝青與再生體系新材料間的黏結作用較差，在凍融和浸水環境中容易發生水損害。且隨著RAP摻量的增加，更易發生水損害，水穩定性下降更加明顯。而再生劑含有輕質組分，輕質組分的增加會降低老化瀝青的黏度，同時降低瀝青質和膠質含量，使得瀝青有更好的極性，進而提高了老化瀝青與再生體系中其他材料之間的黏附性，這將使得RAP再生混凝土的水穩定性得到明顯提高，但再生劑摻量提高水穩定能力有限，因此建議RAP摻量控制在45%以內。

4 結束語

本研究旨在采用再生劑提高大摻量RAP瀝青混凝土的工程性能，在保證再生瀝青混凝土工程性能的前提下，達到提高RAP利用效率的目的。通過研究發現，隨RAP摻量的增加，再生瀝青混凝土的高溫穩定性逐漸提高，疲勞性能和水穩定性逐漸下降。采用再生劑可以改善再生瀝青混凝土的工程性能。對于大摻量RAP的再生瀝青混凝土，即使在加入再生劑的基礎上，也建議將其摻量控制在45%以內，以確保水穩定性指標滿足規范要求。