基于甬臺溫大修工程的瀝青再生性能探究

陳舟宇,吳雪柳

(1.浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司，浙江 溫州 325000； 2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400000)

0 引言

甬臺溫高速公路通車運營16 a，近年來，重載、超載現象日益增多，在荷載、雨水、光照等條件耦合作用下，其瀝青路面損壞狀況嚴重，裂縫、松散、坑槽、翻漿等病害頻發，造成路面行駛舒適性差、安全隱患高，現有日常養護維修、中修維修已不能滿足道路使用需求，因此，深度大修處治迫在眉睫。傳統銑刨重鋪工藝，不僅對新石料與瀝青消耗巨大，還易因銑刨舊料的廢棄及長期堆置引起資源浪費、土地侵占及產生環境復合污染等問題，增加治理難度，危害生態環境[1]。為了解決上述問題，同時響應交通運輸部提出的2020年全國公路路面舊料循環利用率要達到90%以上的工作目標[2]，擬使用再生技術對銑刨料進行回收利用。另一方面，研究表明，合理利用瀝青再生技術，可平均節省總材料成本的20%～30%，完全切合節能減排的環保要求[3]。西方發達國家瀝青回收利用率達80%以上，但我國目前只有25%左右。因此，本文基于甬臺溫大修項目，研究瀝青再生料中瀝青的殘留性能及其規律，分析瀝青老化機理及再生機理，通過室內模擬老化試驗及其分析，探究老化瀝青的性能恢復，以期為項目中瀝青再生打下基礎。

1 舊瀝青性能

1.1 回收瀝青的性能

根據JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[4]的要求，通過進行圖1所示的室內抽提離心試驗收集RAP舊料中的瀝青溶液，并通過旋轉蒸發器法回收得到舊瀝青。

將回收舊瀝青進行針入度、軟化點、15 ℃延度等性能指標評價，同時對路段回收瀝青性能的變異性進行分析，試驗結果見表1。

表1 回收舊瀝青混合料中老化瀝青性能

由表1中數據比對可知，舊瀝青溫州南段針入度及延度較樂清段低，而溫州南段軟化點較樂清段軟化點高，因此可以得出溫州南段瀝青老化較樂清段嚴重。圖2為溫州段歷年各斷面流量圖，由圖2可知，各路段車流量均隨年遞增，且同時間段溫州南段車流量明顯較樂清段車流量大。由此說明，車流量大的路段瀝青老化嚴重程度更深，持續增加的荷載加速了瀝青的老化。

1.2 回收舊料瀝青含量分析

采用離心分離法測定舊料瀝青含量，分別從樂清段及溫州南段兩個路段進行瀝青路面取樣，經抽提后得到舊料中瀝青含量測試結果見表2。

表2 不同路段RAP料瀝青含量

由表2可知，舊料瀝青含量的變異系數均小于15%，表明同一路段舊料的瀝青含量變異不大。相比瀝青含量設計值，各個路段舊瀝青含量均有不同程度的降低，樂清段取樣平均值降低約12.3%，而由于交通量增長迅猛，溫州南段瀝青含量降低22.6%。

2 再生瀝青機理

2.1 瀝青老化機理

從微觀老化機理方面分析，瀝青老化主要有組分移行理論及溶液相容性理論。組分移行理論主要是指瀝青老化過程是瀝青中非飽和分由芳香分-膠質-瀝青質方向轉化，飽和組分相對較穩定的各組分移行過程。溶液相容性理論是指瀝青老化過程理解為溶液溶度參數差值增大，組分相容性變差，穩定性降低的過程。

2.2 瀝青再生機理

1)化學組分的恢復。

再生劑的作用機理可分為化學及物理兩種吸附過程。化學吸附主要是再生劑與老化瀝青后發生一系列反應，將極性差異較大的組分膠溶在一起。物理吸附主要通過電荷吸引的方式來降低瀝青溶液中溶質與溶劑的表面引力，形成瀝青的穩定溶液。瀝青再生機理過程見圖3。

2)溶解度參數差值降低。

“溶解度參數”概念認為在一種溶液中，溶質和溶劑的溶解度參數的差值小于某一定值時，便可以形成穩定的溶液。再生劑可讓其成分充當溶劑作用，以減小瀝青質與軟瀝青質之間的溶解度參數差值。再生劑的摻加，一方面降低瀝青質在軟瀝青質中的相對含量，從而提高瀝青質在該溶劑中的溶解度；另一方面又可以提高軟瀝青質對瀝青質的溶解能力，最終使得瀝青質與軟瀝青質的溶解度參數差值降低，從而改善瀝青的相容性，恢復老化瀝青的路用性能。

3 室內瀝青模擬老化試驗分析

通過室內熱老化和壓力老化模擬瀝青老化狀態，測試不同狀態下瀝青的常規性能，通過DSR試驗分析瀝青老化后的流變性質。

3.1 常規性能試驗分析

采用70號基質瀝青，分別進行不同時間段的壓力老化試驗及旋轉薄膜烘箱試驗，得到不同類老化瀝青，將不同類別的老化瀝青分別測試針入度、軟化點、延度以及135 ℃旋轉黏度，得到試驗結果見表3。

表3 不同老化條件下瀝青性能指標

由表3可知，經老化后，瀝青的針入度、延度降低，軟化點、黏度升高，且壓力老化試驗后瀝青性能比旋轉薄膜烘箱試驗后瀝青性能變化大。隨著老化時間的延長，短期老化后各項指標的變化值明顯較長期壓力老化的變化值小。根據上述數據計算各種老化前后瀝青性能指標相對于原樣瀝青的變化率，得到圖4所示變化率圖。

由圖4中從左往右計算得到，不同老化條件下，針入度分別較原樣降低了73.2%,63.9%,60.5%,54.5%,45.8%，軟化點分別較原樣升高了30.6%,27.6%,22.5%,16.1%,12.3%，旋轉黏度分別較原樣升高了121.1%,90.8%,75.2%,58.8%,27.2%。由此表明，相同長期壓力老化試驗條件下，瀝青各項指標均隨著壓力老化時間的延長而呈線性變化。壓力老化時間越長，瀝青針入度越低、軟化點越高、延度越低、黏度越高。綜上說明，在熱氧老化過后，由于瀝青內部輕質組分隨著老化時間的增加而散失，而重組分則隨老化時間的延長而增多，從而引起瀝青內部組成結構發生變化使得瀝青黏度及軟化點升高、針入度及延度降低[5]。

3.2 DSR試驗分析

道路石油瀝青結構多為溶-凝膠類型，在低溫或瞬間荷載作用下表現為彈性性質，在高溫或長時間荷載作用下表現為黏性性質。采用動態力學分析法進行試驗，獲得多個參數用于表征材料的黏彈性質。固定頻率10 rad/s、應變為10%的條件下對試樣進行溫度掃描(范圍為46 ℃～70 ℃)，測試70號基質瀝青在不同溫度下的車轍因子，試驗結果見圖5。

由圖5可知，不同老化條件下瀝青的車轍因子隨著溫度升高逐漸降低。PAV老化后車轍因子比RTFOT老化后車轍因子增加更明顯；且相同溫度條件下，隨著PAV老化時間的增長，車轍因子逐漸升高，由此表明瀝青經PAV老化后，輕質組分減少更明顯，老化程度更高。

根據圖6所示試驗結果發現，通過對車轍因子與老化時間曲線進行數據擬合可知，不同測試溫度下車轍因子與PAV老化時間之間具有良好的對應關系，兩者關系可用式G*/sinθ=A+Bt(G*/sinδ為車轍因子；t為老化時間；A和B均為回歸系數)表示。系數A和B受到車轍因子測試溫度影響，回歸方程，得到不同測試溫度下系數A和B值如表4所示。由表4分析可知，系數A和B與溫度之間具有較好的對應關系，可將系數A和B用測試溫度表示。因此，PAV老化后車轍因子可用老化時間和車轍因子測試溫度表示。基質瀝青PAV老化后車轍因子與老化時間和溫度的函數方程分別如G*/sinθ=(6 471.06e-T/6.129 3+0.018 6)+(25 897.29e-T/6.313 5+0.270 5)t(其中，G*/sinδ為車轍因子；T為車轍因子測試溫度；t為老化時間)所示。

表4 PAV老化后擬合曲線系數A和B與溫度的關系

以上算式及數據說明，瀝青的車轍因子在相同溫度下隨壓力老化時間的延長而逐漸增大。相同溫度條件下，隨著壓力老化時間的增長，車轍因子數據呈現線性上升趨勢，且上升趨勢隨著試驗溫度的上升而降低。由此表明，試驗溫度越高，車轍因子隨壓力老化時間的變化率越小，壓力老化時間在高溫條件下對瀝青車轍因子的影響小。

4 老化瀝青性能恢復試驗分析

選取1種市售再生劑(SZS)和自主研發(YZS)的再生劑對不同瀝青樣品進行試驗，主要比較溫州南段、樂清段回收瀝青以及試驗室模擬老化瀝青主要指標的恢復效果，試驗結果見表5。

表5 不同再生劑對老化指標恢復的試驗結果

由表5可知，兩種再生劑在各自最佳摻量的情況下，對老化瀝青的針入度和延度有較大的改善，但由于再生劑的主要成分是為了補充老化瀝青散失的油分，而這些油分將會稀釋瀝青質，造成軟化點有所降低。

對比兩種再生劑可以看出，在保證瀝青軟化點的基礎上，延長瀝青延度，可有效恢復瀝青性能。再生劑YZS在瀝青延展性方面稍優于SZS，YZS可將RTFOT短期老化后的瀝青延度提升46.0%，將PAV老化后的瀝青延度提升143%。

5 結論

針對甬臺溫高速公路溫州段回收舊瀝青進行性能研究，并進行試驗室模擬瀝青老化試驗及瀝青性能恢復試驗，得到以下結論：

1)樂清段取樣平均值降低約12.3%，而由于交通量增長迅猛，溫州南段瀝青含量(質量分數)降低22.6%。交通量大能加速瀝青老化及其含量的降低，交通量大的溫州南段瀝青含量(質量分數)降低22.6%，樂清段瀝青含量(質量分數)降低12.3%。

2)不同老化條件下瀝青常規性能的變化程度不同，壓力老化試驗后的瀝青比旋轉薄膜烘箱試驗后的試樣在性能指標上的變化更大。

3)PAV老化后車轍因子比RTFOT老化后車轍因子增加明顯，壓力老化時間越長，車轍因子越大。

4)試驗溫度越高，車轍因子隨壓力老化時間的變化率越小，壓力老化時間在高溫條件下對瀝青車轍因子的影響小。

5)再生劑的摻加可使老化瀝青針入度和延度有較大改善，但會造成軟化點小部分降低，自研再生劑YZS在瀝青延展性方面稍優于SZS。