軟粘結劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響研究

摘要：文章為了研究軟粘結劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響，通過制備5種不同比例（質量比為30%、40%、50%、60%和70%）再生骨料的瀝青混合料，并分別添加軟粘結劑或再生劑，測試了混合料的體積特性、強度和剛度、水敏感性、車轍和中溫抗裂性能。結果表明：（1）再生骨料含量的增加和添加再生劑會降低瀝青混合料的體積特性；（2）所有瀝青混合料都達到了最低的抗拉強度比，均不會出現水敏感性問題；（3）瀝青混合料的強度、剛度和抗永久變形能力隨著再生骨料含量的增加而增大，添加再生劑可以減小瀝青混合料的回彈模量和抗車轍性能；（4）在瀝青路面工程施工中，適量添加再生劑能夠使再生骨料的使用比例提升至60%，同時不影響瀝青路面材料的整體性能。

關鍵詞：再生骨料；軟粘結劑；再生劑；再生瀝青混合料

中圖分類號：U416.217" " " 文獻標識碼：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.011

文章編號：1673-4874（2024）11-0034-03

引言

在路面的使用壽命中，隨著路面的老化，路面層熱拌瀝青不斷碎裂，最終無法繼續使用［1］。為了恢復路面的使用功能，現有的路面表面需要更換為新的瀝青路面，這樣就產生了大量的再生瀝青混合料。材料短缺是道路可持續發展的主要障礙，由于缺乏填埋空間來堆放再生瀝青混合料，因此再生瀝青混合料的回收利用在路面建設中變得非常重要。

目前，在瀝青路面中使用再生瀝青混合料已經很普遍，但再生瀝青混合料用量不宜過高［2］。研究表明，在熱拌瀝青中，當再生瀝青混合料的含量在10%～30%時，再生瀝青混合料的性能與傳統混合料相當［3］；當再生瀝青混合料為40%時，會影響瀝青路面的動態模量和破壞應變，降低瀝青路面的疲勞壽命［4］；當再生瀝青混合料含量為50%時，會嚴重影響瀝青路面的動態穩定性和拉伸強度比［5］。

軟粘結劑和再生劑可以改善瀝青路面的性能。添加軟粘結劑的再生瀝青混合料的斷裂性能優于傳統混合料，且可以提高混合料的抗疲勞性能［6］。再生劑能夠恢復再生瀝青混合料中老化粘結劑的流變、熱和化學特性。與使用天然瀝青混合料相比，摻入再生劑可改善再生瀝青混合料的車轍性能和水敏感性，提高混合料的動態穩定性［7］。

在再生瀝青混合料中加入軟粘結劑和再生劑可以提高混合料的性能，但關于軟粘結劑和再生劑對高摻量再生瀝青混合料的影響研究較少。本文在不同摻量再生瀝青混合料中分別加入軟粘結劑和再生劑，研究了混合料的體積特性、間接抗拉強度、水敏感性、抗車轍性能、中溫開裂和回彈模量，旨在分析軟粘結劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1骨料

本文采用的骨料為天然骨料和再生骨料。天然骨料來自本地的采石場，再生骨料來自本地的一個道路修復項目中的瀝青路面廢棄物。天然骨料和再生骨料的物理性能如表1所示。

1.1.2瀝青粘結劑

采用低標號瀝青（30#）作為軟粘結劑，與天然骨料混合制成對照混合料。通過離心萃取器和旋轉蒸發器從廢棄瀝青路面材料中提取再生瀝青。再生瀝青25 ℃時的滲透值為65 mm，軟化點為46 ℃，25 ℃延度為16 cm。軟粘結劑針入度大、稠度小，可以中和再生瀝青，提高再生瀝青混合料性能。

1.1.3再生劑

本研究采用桐油作為再生劑。桐油是將采摘的桐樹果實經機械壓榨、加工提煉制成的工業用植物油，含有大量的油酸和亞油酸，可以恢復再生瀝青的性能。桐油的密度為0.916 g/cm3，比重為0.898，135 ℃時的黏度為39.6 mm2/s，燃點為220 ℃。將再生瀝青在160 ℃的溫度下加熱45 s，加入再生劑并用機械攪拌器攪拌15 s，可以得到再生粘結劑。

1.2瀝青混合料配合比設計

本研究共制備了11組瀝青混合料，5種不同比例（質量比為30%、40%、50%、60%和70%）再生骨料分別加入軟粘結劑和再生劑，1組為對照組。再生骨料分為粗骨料（粒徑＞4.75 mm）和細骨料（粒徑＜4.75 mm），按照合理級配與天然骨料進行混合。瀝青混合料的配合比如表2所示。

1.3試驗方法

本文試驗根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行測試。

1.3.1間接抗拉強度

間接抗拉強度用于確定瀝青的拉伸性能，從而進一步確定路面的開裂性能。間接抗拉強度試驗采用直徑100 mm×高63.5 mm的圓柱體試件，對圓柱體試件進行間接拉伸試驗直至失效。

1.3.2水敏感性

制備直徑100 mm×高63.5 mm的圓柱體試件進行水敏感性試驗，將試件壓實至空隙率約為7%。測試中使用兩組樣本：一組在水中浸泡24 h；另一組無浸泡作為對照試件。以浸泡試件的平均抗拉強度與對照試件的平均抗拉強度的比值來表示瀝青混合料的水敏感性。

1.3.3回彈模量

回彈模量用來表示瀝青混合料在反復壓縮載荷下的特性。本試驗所用試樣的尺寸為直徑100～104.5 mm，厚度為38.2～63.5 mm。在計算回彈模量時考慮了10%～20%的失效載荷。循環加載過程中，固定加載時間為0.1 s，靜止時間為0.9 s。

1.3.4加速車轍試驗

采用試驗室車輪跟蹤裝置來評估瀝青混合料的抗車轍性能。試驗采用滾軸壓實機，在尺寸為長305 mm×寬305 mm×高50 mm，空隙率為7%的試件上進行。車轍深度數據連續收集10 000個周期。

1.3.5中溫開裂試驗

開裂是瀝青路面的主要破壞形式之一，抗裂性是描述路面開裂的一個重要指標。本文采用半圓彎曲試驗評估瀝青混合料的抗斷裂性。試驗采用直徑為150 mm、厚度為57 mm的半圓形試樣，試樣空隙率為7%。

2結果與討論

2.1體積特性

瀝青混合料的體積特性可以通過空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度3個參數來表示。各組瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度測試結果分別如圖1～3所示。

從圖1可以看出，各組瀝青混合料的空隙率均在2%～8%的理想范圍內。瀝青混合料的空隙率隨再生骨料含量的增加而降低，但降低幅度很小。與添加軟粘結劑的混合料相比，添加再生劑的混合料空隙率下降。較低的空隙率會使混合料更為密實，為了使混合料獲得更好的和易性，可以減少瀝青用量。因此，添加再生劑可以節省瀝青的用量。

根據規范要求，瀝青混合料的礦料間隙率應＞13%。從圖2可以看出，各組混合料均滿足規范，與對照組相比，添加軟粘結劑和再生劑的混合料礦料間隙率均有所降低。隨著再生骨料含量的增加，礦料間隙率逐漸降低。此外，在混合料中添加再生劑也會導致礦料間隙率降低。由于每種混合料的壓力是相同的，因此礦料間隙率的變化是由于軟粘結劑黏度的變化引起的。這表明再生劑具有降低黏度的作用，提高了瀝青混合料的和易性。

從圖3可以看出，混合料的有效瀝青飽和度在65%～75%，其變化規律與礦料間隙率相似。對照組的有效瀝青飽和度最高，再生骨料含量的增加和再生劑的添加均會導致有效瀝青飽和度減小。

2.2間接抗拉強度

瀝青混合料在4%空隙率下的間接抗拉強度如圖4所示。由圖4可以看出，添加軟粘結劑時，間接抗拉強度隨再生骨料含量的增加而提高，且優于對照組。隨著老化再生骨料添加量的增加，瀝青混合料的抗變形能力增加。再生骨料含量較低時（30%和40%），添加再生劑導致間接抗拉強度有所降低，這可能是加入再生劑后，再生粘結劑的軟化導致的。再生骨料含量為50%和60%時，添加再生劑的混合料比添加軟粘結劑的混合料表現出更高的強度。再生骨料含量為70%時，添加軟粘結劑的瀝青混合料的間接抗拉強度達到最大值。

2.3回彈模量

各組瀝青混合料的回彈模量如圖5所示。較硬的混合料會產生較高的回彈模量。由圖5可以看出，與對照組相比，隨著再生骨料添加量的提高，混合料的回彈模量明顯增加。由此可以推斷，再生骨料的摻量越高，混合料的剛度越大。隨著再生骨料含量的增加，所有再生瀝青混合料的剛度都增加。然而，僅憑剛度并不能清楚地反映混合料的性能，因為混合料的延展性和脆性也會影響混合料的性能。與含有軟粘結劑的混合料相比，摻入再生劑的混合料的回彈模量更低。

2.4水敏感性

混合料的水敏感性通常用抗拉強度比來表示，抗拉強度比是試件在濕狀態和干狀態下的抗拉強度的比值。較高的抗拉強度比表明混合料具有良好的抗濕破壞性能。瀝青混合料在7%空隙率下的抗拉強度比如圖6所示。由圖6可以看出，所有混合料均滿足最小抗拉強度比（80%）。然而，隨著再生骨料含量的增加，抗拉強度比逐漸下降。含有軟粘結劑混合料的抗拉強度比為83.83%～93.45%，含有再生劑混合料的抗拉強度比為84.31%～92.29%。

從圖6還可以看出，添加再生骨料的混合料抗拉強度比高于對照組，隨著再生骨料含量的增加，抗拉強度比逐漸下降。這可能是由于混合料中存在老化的硬粘合劑，不易受潮；但隨著再生骨料含量的增加，混合料的和易性降低，導致混合料中的有效瀝青飽和度減小，從而導致抗拉強度比降低。與對照組相比，再生混合料對水敏感性的抵抗力更好。

2.5加速車轍試驗

車轍試驗可以評估瀝青混合料的永久變形能力。本研究采用的極限標準是車轍深度為12.5 mm或碾壓20 000次，各組瀝青混合料的平均車轍深度如圖7所示。

由圖7可知，在20 000次碾壓后得到了各組混合料的車轍深度，所有混合料的車轍性能均在臨界值以下（9.5 mm）。可以看出，添加再生骨料可以增強混合料的抗車轍性能，而添加再生劑則降低了混合料的抗車轍性能。這可能是再生骨料對混合料的硬化作用以及再生劑和軟粘結劑的軟化作用導致的。與再生混合料相比，對照組混合料的車轍深度最大。

2.6中溫抗裂性能

半圓彎曲試驗確定的各組混合料的臨界應變能如圖8所示。臨界應變能越高，混合料的抗裂性能越好。根據規范要求，混合料最小臨界應變能為0.5 kJ/m2。從圖8可以看出，除了70%再生骨料（S70和R70）混合料外，其余各組瀝青混合料均通過了上述標準。

從圖8還可以看出，含有30%再生骨料的瀝青混合料具有最高的臨界應變能，臨界應變能隨著再生骨料含量的增加而減小。然而，與對照組相比，含有30%和40%再生骨料的瀝青混合料的臨界應變能更高，這可能是由于硬粘合劑的存在導致混合料的剛度更高。但隨著再生骨料含量增加，再生混合料的和易性降低，導致有效瀝青飽和度降低，使混合料的抗斷裂性能下降。

3結語

本文以低標號瀝青為軟粘結劑，桐油為再生劑，在不同再生骨料含量下，研究了軟粘結劑和再生劑對再生瀝青路面材料性能的影響。研究結果表明：

（1）隨再生骨料含量的增加，瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度均有所降低，但空隙率降低幅度很小。與添加軟粘結劑的混合料相比，添加再生劑的混合料空隙率、礦料間隙率和有效瀝青飽和度均略有降低。

（2）在水敏感性測試中，所有瀝青混合料均滿足規定的最低抗拉強度比要求，因此均能有效避免水敏感性問題的發生。再生骨料含量和再生劑對抗拉強度比無明顯影響。中溫開裂測試中，除了S70和R70兩組混合料外，其余各組混合料的中溫開裂性能均較好，在瀝青混合料中添加再生劑對中溫開裂性能有明顯的改善。

（3）瀝青混合料的強度、剛度和抗永久變形能力隨著再生骨料含量的增加而增大。與添加軟粘結劑的混合料相比，添加再生劑可以減小瀝青混合料的回彈模量和抗車轍性能，但對混合料的強度無明顯影響。

（4）本研究通過試驗測試表明，在瀝青路面工程施工中，適量添加再生劑能夠使再生骨料的使用比例提升至60%，同時不影響瀝青路面材料的整體性能。

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作者簡介：祖民星（1990—），碩士，工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-08