溫拌再生瀝青混合料二次老化性能研究

趙 強，王立軍，張崢瑋，張 雨

(東北林業(yè)大學土木與交通學院，黑龍江哈爾濱 150040)

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，瀝青路面因施工便利、路用性能優(yōu)良以及行車舒適等優(yōu)點被廣泛鋪筑于我國各級公路[1]。截至目前，早期攤鋪的瀝青道路許多已經(jīng)進入大修或改擴建階段，由此產生的大量瀝青路面銑刨料無處處理、堆積占地，并且對環(huán)境也會造成一定的污染[2]。因此，我國對于廢舊瀝青路面的再生利用越來越重視，但傳統(tǒng)熱再生技術加熱溫度過高，導致產生有毒氣體的產生，不利于保護環(huán)境[3]。廠拌熱再生對于RAP舊料的利用率較低，而就地熱再生會因為局部溫度過高造成部分混合料老化，裂化路面的性能[4]。綜合考量，溫拌再生技術的研究就顯得尤為重要，溫拌劑的添加可以降低再生瀝青混合料的拌和溫度，減少有毒有害氣體的排放，既節(jié)約能源又保護環(huán)境[5]。溫拌再生技術還提高了RAP的利用率，并減輕了短期老化，讓再生路面擁有良好的路用性能[6]。

RAP中的老化舊瀝青經(jīng)過長期老化失去了部分輕質組分，并且瀝青變硬變脆，流變性能顯著減弱[7]。溫拌再生技術雖然會加入一定量的再生劑、溫拌劑以及新瀝青，但對再生瀝青混合料的低溫、水穩(wěn)以及疲勞性能改善有限[8]。溫拌再生瀝青混合料中的老化舊瀝青已經(jīng)歷過一次老化，在鋪筑使用過程中仍然會出現(xiàn)二次老化的情況[9]。溫拌再生路面的二次老化對于其路用性能有何影響、與新路面的首次老化有何不同以及對比二者老化后路用性能的衰減情況目前尚不明確，因此有必要對溫拌再生瀝青混合料二次老化后的性能進行研究。

為研究溫拌再生瀝青混合料二次老化路用性能，采用高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及半圓彎曲疲勞試驗對未老化瀝青混合料和溫拌再生瀝青混合料進行性能試驗，結合試驗數(shù)據(jù)評價二次老化對溫拌再生瀝青混合料的影響。

1 原料及老化方法

1.1 原材料

研究選用SBS（I-C）聚合物改性瀝青作為新瀝青，性能指標見表1。為將新舊瀝青各組分平衡，恢復RAP中舊瀝青性能指標，對舊瀝青使用再生劑進行再生處理，其摻量為RAP中老化舊瀝青質量的4%，再生劑性能指標見表2。

表1 SBS I-C 改性瀝青性能Table 1 Properties of SBS I-C modified asphalt

表2 再生劑技術指標Table 2 Technical indicators of regenerant

溫拌劑可以降低瀝青混合料的拌和和壓實溫度，大大減少能源的消耗，有利于保護環(huán)境。研究采用Evotherm 3G溫拌劑，它是一種由降黏劑、抗剝落劑和乳化劑組合的化學添加劑，外觀呈現(xiàn)為暗褐色液體，摻量為瀝青用量的4%。本研究經(jīng)過瀝青旋轉黏度試驗可知，Evotherm 3G溫拌劑將瀝青混合料拌和溫度從170℃降為137℃。

研究選用SBR（丁苯橡膠）作為改性劑，其外觀呈白色顆粒粉末，細度為30～40，伸長率為300%，抗拉強度為28MPa，摻量為瀝青用量的4%。

試驗所用的RAP取自某市政道路改建工程，混合料類型為AC-16，銑刨破碎之后分為5～10 mm和10～20 mm兩檔，詳細篩分結果見表3。

表3 RAP銑刨料規(guī)格Table 3 Specifications of RAP milling material

RAP摻量分別選用0%、20%、30%、40%和50%，為減小因礦料級配造成的差異，瀝青混合料選擇連續(xù)型密集配AC-16的級配中值作為合成級配。混合料配合比設計采用馬歇爾設計方法設計，最終瀝青混合料空隙率控制在4%±0.5%，RAP舊料摻量為0%、20%、30%、40%和50%時的最佳瀝青用量分別為5.0%、4.8%、4.5%、4.3%和4.0%。

1.2 老化

以往研究中將瀝青混合料放入135℃的通風烘箱中恒溫4h模擬混合料短期老化，本研究采用溫拌方法，已經(jīng)大大降低了瀝青混合料的施工溫度，所以本次試驗不考慮運輸拌和途中的短期老化過程，僅考慮瀝青混合料作為路面的長期老化過程。將成型的瀝青混合料試件立刻放入85℃通風烘箱中恒溫120h，取出后靜置冷卻12h完成長期老化過程。

1.3 混合料分類

本研究將瀝青混合料分為4大類：（1）R0：無RAP瀝青混合料；（2）R1：RAP+再生劑；（3）R2：RAP+再生劑+ Evotherm 3G；（4）R3：RAP+再生劑+ Evotherm 3G+SBR；

本研究模擬了8種瀝青混合料，其分類指標包括是否使用再生劑、溫拌劑、SBR改性劑以及RAP摻量，具體分類見表4。

表4 溫拌再生瀝青混合料分類Table 4 Classification of warm mix recycled asphalt mixture

表4中，混合料類型0、1、2和3代表混合料大類，數(shù)字20、30、40及50代表RAP舊料摻量百分比。

2 路用性能研究

為研究溫拌再生瀝青混合料二次老化后的路用性能，對8種瀝青混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)定性以及疲勞性能進行研究。

2.1 高溫性能

瀝青混合料受溫拌技術、RAP摻量、再生劑用量和老化等影響[10]。通過瀝青混合料車轍試驗，以車轍動穩(wěn)定度作為高溫性能評價指標，對溫拌再生瀝青混合料高溫性能進行評價。試件為輪碾成型的300mm×300mm×50mm車轍板，在車轍試驗機上以試驗溫度60℃、輪速42次/min、輪壓0.7MPa進行車轍試驗，以試驗時間45～60min的車轍深度計算車轍動穩(wěn)定度。試驗結果如圖1所示。

圖1 溫拌再生瀝青混合料二次老化前后車轍動穩(wěn)定度Fig.1 Rutting dynamic stability of warm-mix recycled asphalt mixture before and after secondary aging

圖1（a）列出了隨著再生劑、溫拌劑和SBR改性劑的摻加，瀝青混合料二次老化前后的車轍試驗結果。其中，摻加RAP的瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度提高，摻加再生劑會使瀝青混合料的高溫性能降低。究其原因，再生劑的摻加使得原本的較硬的舊料老化瀝青軟化，使其黏性增加，從而降低了高溫性能；由于溫拌劑的摻加使得瀝青黏度下降，所以溫拌再生瀝青混合料高溫抗車轍變形能力上升；SBR改性劑對于瀝青混合料的車轍性能并無明顯影響。二次老化后的再生瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度高于新瀝青混合料，說明摻加了再生劑的再生瀝青混合料并不能完全將混合料性能還原為原本瀝青性能，僅能保證未二次老化時瀝青黏度接近，老化后黏度不能得到保證。

圖1（b）為隨著RAP摻量的增加，溫拌再生瀝青混合料二次老化前后車轍試驗結果。瀝青混合料動穩(wěn)定度隨RAP的增多而逐漸增大，二次老化后規(guī)律與老化之前一致，但老化后的車轍動穩(wěn)定度增長幅度更大。圖1顯示出二次老化后溫拌再生瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度明顯提高，這是由于混合料老化之后瀝青的硬度變高、流變性能變差，使得其老化后高溫抗車轍變形能力提高。

2.2 低溫性能

RAP用量以及老化均會對瀝青混合料的低溫抗裂性能產生影響，為研究二者對溫拌再生瀝青混合料低溫性能的影響，采用低溫彎曲試驗對溫拌再生瀝青混合料進行試驗，以最大彎曲應變?yōu)闉r青混合料低溫性能評價指標，試驗溫度為-10℃，試件為車轍板切割而成的尺寸為250mm×30mm×35mm的小梁。試驗結果如圖2所示。

圖2 拌再生瀝青混合料二次老化前后最大彎曲應變Fig.2 Maximum bending strain of warm-mix recycled asphalt mixture before and after secondary aging

根據(jù)圖2（a）可得，與新瀝青混合料（R0-0）相比，摻加RAP的瀝青混合料（R0-30）低溫性能顯著降低，而摻加再生劑的混合料（R1-30）最大彎曲應變得到提升；雖然Evotherm 3G溫拌劑的摻加使再生瀝青混合料的最大彎曲應變有所下降，但還是高于冬寒區(qū)最大彎曲應變2800με的技術要求；SBR改性劑的添加使溫拌再生瀝青混合料低溫性能得到較大提升。究其原因，RAP中的老化舊瀝青缺少輕質組分，硬度偏大而低溫延展性不足，而再生劑中輕質成分和活化官能團補充并活化了舊料瀝青，使混合料低溫性能得到提高；Evotherm 3G溫拌劑降低瀝青黏度，降低了瀝青的低溫延展性，使得混合料低溫性能下降，SBR與瀝青相容性較好，4%摻量下的SBR與瀝青呈互穿網(wǎng)絡狀分布，增強了瀝青的韌性，提升了瀝青混合料的低溫性能。觀察圖2（b）可知，隨著溫拌再生瀝青混合料中RAP的增多，其低溫性能不斷下降。

二次老化后的瀝青混合料低溫性能明顯下降，長期老化的新瀝青混合料最大彎曲應變約下降12.8%，而摻加RAP的瀝青混合料彎曲應變降幅最大為22.8%（R0-30），其次為RAP摻量為50%使用再生劑和溫拌劑的R2-50，降幅約為21.2%，結合圖2可得，再生劑、溫拌劑和SBR改性劑的使用減緩了二次老化后混合料低溫性能的下降。

2.3 水穩(wěn)定性

為研究RAP摻量和老化對于溫拌再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對混合料進行檢驗。馬歇爾殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強度比作為溫拌再生瀝青混合料水穩(wěn)定性評價指標。試驗結果見表5。

表5 混合料水穩(wěn)定性試驗結果Table 5 Mixture water stability test results

由表5可以看出，摻加RAP對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有很大影響，R0-30在二次老化前的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均不滿足規(guī)范要求（85%和80%）；隨著RAP摻量的增加，溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性不斷減小；摻加再生劑之后的混合料水穩(wěn)定性有了較大提升，再生劑軟化瀝青提高了舊料瀝青的粘附能力，使得再生瀝青混合料水穩(wěn)定性增強；摻加Evotherm 3G溫拌劑之后的瀝青混合料水穩(wěn)定性進一步增強，這是因為Evotherm 3G中含有的抗剝落劑成分阻礙了瀝青和集料在水作用下的剝落，提高了其水穩(wěn)定性；加入SBR后的溫拌再生瀝青混合料水穩(wěn)定性進一步提升，其老化前后的殘留穩(wěn)定度91.9%和89.2%甚至高于新瀝青混合料的90.8%和87.3%，凍融劈裂強度比也與新瀝青混合料接近，其老化前后的下降幅度也低于新瀝青混合料，說明SBR對于溫拌再生瀝青混合料水穩(wěn)定性提升有著較大影響。

對比二次老化前后溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性數(shù)據(jù)可知，老化之后的水穩(wěn)定性有所降低。除R3-30之外的溫拌再生瀝青混合料二次老化前后的水穩(wěn)定性均低于新瀝青混合料，但由于再生劑和Evotherm 3G溫拌劑的作用，混合料二次老化前后水穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的降幅均低于新瀝青混合料，也就是說再生劑和Evotherm 3G溫拌劑的添加提升了溫拌再生瀝青混合料抗水損害方面的耐久性。

2.4 疲勞壽命

為研究RAP摻量及二次老化對于溫拌再生瀝青混合料疲勞開裂的影響，本文采用IPC Global UTM-30伺服試驗儀對溫拌再生瀝青混合料進行半圓彎曲疲勞試驗，采用應力控制模式，使用尺寸為直徑100mm、厚度50mm的半圓試件，在應力比為0.2和0.3、頻率10Hz、溫度15℃的條件下進行半正弦波加載，當試件徹底斷裂時試驗終止，記錄加載次數(shù)為混合料疲勞壽命。試驗結果見表6。

表6 混合料二次老化前后疲勞壽命Table 6 Fatigue life of the mixtures before and after secondary aging

表6使用老化保留率表征二次老化對混合料疲勞壽命的衰減削弱，老化保留率越小，疲勞壽命衰減越大。老化保留率為二次老化后的疲勞壽命與老化前的疲勞壽命之比。未經(jīng)二次老化的瀝青混合料疲勞加載次數(shù)為老化前疲勞壽命；二次老化后的瀝青混合料疲勞加載次數(shù)為二次老化后的疲勞壽命。

表6列出了通過半圓彎曲疲勞試驗測得的不同瀝青混合料的疲勞壽命。在0.2和0.3應力比下，含有30%RAP舊料且無外摻劑的R0-30的疲勞壽命明顯小于新混合料R0-0，且R0-30的疲勞衰減最大；由于再生劑的軟化，含有再生劑的R1-30疲勞壽命得到顯著改善，但其老化后的疲勞壽命保留率表現(xiàn)不如新瀝青混合料，說明再生劑也不能很好地將舊料瀝青性能恢復。

摻加了Evotherm 3G溫拌劑的溫拌再生瀝青混合料相比于不摻溫拌劑的混合料，疲勞壽命有所下降，但疲勞壽命的衰減得到改善，說明Evotherm 3G溫拌劑的摻加降低了混合料的疲勞壽命但增強了抗老化能力；SBR在瀝青中形成的致密絲狀結構可以修復瀝青性能并抑制其開裂，因此添加了SBR改性劑的R3-30疲勞壽命得到提高，彌補了溫拌劑造成的疲勞性能損失，并且改善了二次老化后疲勞壽命的衰減；隨著RAP舊料摻量的增加，其疲勞壽命降低且疲勞衰減的表現(xiàn)也變差，這表明即使使用了改性劑，對于RAP的摻量也要謹慎選擇。

3 結論

（1）對于溫拌再生瀝青混合料高溫抗車轍能力，僅有再生劑的摻加會降低其車轍動穩(wěn)定度，其余如RAP、溫拌劑和二次老化都會提高混合料抗車轍能力。

（2）RAP摻量對溫拌再生瀝青混合料的性能有著很大影響，RAP摻量越大混合料的低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能下降越大，且二次老化后的性能衰減越大，所以即使采用溫拌再生技術，也要謹慎選擇RAP摻量。

（3）SBR改性劑對于溫拌再生瀝青混合料低溫抗裂、水穩(wěn)定性和疲勞開裂均有提升作用，且SBR對與抗老化性能的提高也有所貢獻。對于溫拌再生瀝青混合料的使用，建議摻加SBR來提高其路用性能。

（4）二次老化過后的溫拌再生瀝青混合料低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能均有所損失，且損失幅度高于新瀝青混合料。對于溫拌再生瀝青混合料，不僅要關注其剛制備完成時的性能，還要注意老化后的性能衰減。