不添加瀝青的路面瀝青混合料再生新方法＊

舒立恒 葛折圣

（華南理工大學土木與交通學院 廣州 510641）

0 引 言

在現有路面的改造工程中，回收的瀝青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）常被用作面層的原料，而不是廢料丟棄.再生瀝青混合料的用量因瀝青高價格，集料的稀缺，廢料產生的環境問題而大大增長［1］.

過去30年涌現出許多再生方法，例如，廠拌熱再生、就地熱再生，廠拌冷再生、就地冷再生.對于這2種冷再生，RAP可作為集料被利用，且在生產再生料時不需要額外加熱.再生時，在拌和站或現場將RAP與新的乳化瀝青或泡沫瀝青，再生劑混合攪拌，有時可能還要加入新的集料來改善級配［2－5］.

與熱再生相比，冷再生的最大優點在于原有的路面材料RAP能被完全利用，以一定的比例混合RAP和新料，舊路面的廢料可以被完全利用.大量在瀝青混合料中使用RAP降低了成本和能源，節省了瀝青和集料，降低了生產過程中的廢料.冷再生也可以延長施工季節，減少環境污染.

冷再生混合料技術成為道路工程中的熱門研究方向，但現有的瀝青路面冷再生方法只將RAP當做集料，另外添加瀝青作為皎潔料.RAP中的老化瀝青固然喪失了許多性能，但它和再生劑混合后也可作為一種有效的膠結料使用.因此，對老化瀝青的再生可以進一步促進冷再生技術的發展和應用.

文中提出一種新的瀝青混合料常溫再生方法，在不添加新瀝青的情況下有效再生RAP中的舊瀝青；然后用RAP制備了標準的馬歇爾芯樣和APA試樣.隨后比較常溫乳化再生混合料與乳化瀝青冷再生混合料的強度、水穩定性和疲勞性能，分析得出結論.

1 材料與實驗方法

1.1 材料

回收瀝青路面材料采用某高速公路維修工程的RAP.燃燒試驗表明油石比為4.3%.篩分結果見表1.

表1 燃燒試驗后的RAP級配

從老化瀝青混合料中抽提得到的瀝青性能見表2.

表2 從RAP中提取出瀝青的性能

水泥選用32.5號的普通硅酸鹽水泥，在混合料中質量比為1.5%.

再生劑對石油瀝青有很大的溶解能力，且為了不影響再生混合料的性能，再生劑要有很好的揮發性，起到充分溶解老化瀝青效果之后，要適時及時揮發完全，在此基礎上，還要考慮到環保問題，盡量選擇易揮發低毒的有機溶劑.選擇的溶劑為二甲苯.

選擇W－5型乳化劑，一種陽離子慢裂木質素胺瀝青乳化劑.易溶于水和酸溶液，對瀝青有很好的乳化效果.

改性劑是一種細粒徑的丙烯酸共聚物乳液，呈白色，其具有優良的穩定性和分散性，通過摻入改性劑，提高混合料強度、變形能力和水穩定性.

所以材料RAP配比見表3.

表3 RAP配比 %

1.2 試驗方法

1.2.1 試件成型與養生方法

首先，在RAP中加入溶劑，拌和3min，以溶解其中的老化瀝青.由圖1b）可見，RAP中溶出了一定量的液體瀝青.

其次，加入乳化劑和水，拌和2min.由圖1c）可見，乳化劑與液體瀝青相互作用生成了乳化瀝青.

最后加入水泥，拌和1.5min.獲得再生混合料如圖1d）所示.

采用馬歇爾擊實儀，雙面擊實75次成型馬歇爾試件.

在60℃烘箱中養生3d，脫模；然后放回60℃烘箱中，養生之恒重.

采用振動壓實機成型梁式試件用于浸水疲勞試驗，試件尺寸為300mm×125mm×75mm.成型后60℃烘箱養生至質量損失小于2%，然后脫模，繼續60℃烘箱養生至恒重，即養生結束.

圖1 用新方法制備再生瀝青混合料

1.2.2 再生混合料的老化再生方法

室內短期老化和長期老化方法處理經過初次再生的5種配比的混合料.短期老化是將拌好的混合料在搪瓷盤中均勻攤鋪，控制松鋪厚度約為20kg／m2.混合料放入135℃強制通風的烘箱中，加熱4h，每個小時均用鏟在裝有混合料的搪瓷盤中翻拌一次混合料.待加熱時間達4h后，將混合料從烘箱取出，待用.

長期老化是將短期老化的混合料在搪瓷盤中均勻攤鋪，放入85℃強制通風的烘箱中，連續加熱120h.等到達指定加熱時間后取出混合料，在冷卻過程中不斷翻拌瀝青混合料，避免結塊，待用.

1.2.3 浸水劈裂試驗方法

將養生結束后馬歇爾試件放入25℃恒溫水箱中養生23h，然后放入15℃恒溫水箱中養生1h.在MTS－810試驗機上進行劈裂試驗.試驗溫度15℃，加載速率為50mm／min.

1.2.4 劈裂疲勞試驗方法

用MTS－810作為試驗儀器.研究結果表明，雖然全國各地氣溫的有很大變化，但就瀝青混合料來說，疲勞破壞溫度主要集中在13～15℃之間，這個溫度剛好是北方春融期及南方地區雨季的溫度.這個季節路面結構強度會有很明顯的減弱，是其抗疲勞性能最不利時期［6］.“公路瀝青路面的設計規范”中采用的是15℃容許拉應力的參考值，因此，劈裂疲勞試驗溫度為15℃.

加載頻率為10Hz；荷載波形為半正矢波；應力比為0.3，0.5，0.7.在進行疲勞試驗之前，對表1中5種配比的再生混合料進行15℃劈裂試驗，以便能確定在不同的應力水平下所應對試件施加的荷載值.

1.2.5 浸水疲勞試驗

采用瀝青路面分析儀（asphalt pavement analyzer，APA）進行浸水疲勞試驗.

該設備主要由加載系統、溫控系統、水浴系統、數據采集系統和操作面板等部分組成.采用APA進行試驗時，一次測試3個梁式試件.APA共有左、中、右3個加載輪，在被測試試件和加載輪之間有充氣橡膠管，試驗時，通過加載凹形輪在充氣橡膠管上來回作用來模擬車輛在行駛過程中對瀝青路面的作用.加載輪以一定的壓力在試驗試件上往返運動，傳感器自動采集試件表面豎向的位移變形量，然后傳送給計算機系統.加載過程見圖2.每運行一次加載輪，數據采集系統采集數據一次.

圖2 APA試驗機的加載裝置

浸水疲勞試驗過程中將試件和橡膠管都浸入水中，在加載輪來回作用的時候，當其運行至某處，則該處將會因為受到較大的壓力而使橡膠管產生較大的變形，這樣橡膠管和試件表面的水會被擠走，當加載輪移走之后水又重新涌入.加載輪的往返作用使水不斷被擠出和涌入混合料內部，以此形成對瀝青混合料的沖刷，從而使得瀝青膜剝落、集料松散，最終導致瀝青混合料的粘結力下降，強度隨之降低.

試驗溫度為15℃，疲勞試驗輪壓為1 113N，受力模式為簡支梁形式，試件的下半部處于彎拉狀態.

疲勞破壞判據：位移傳感器第N次測得豎向的位移變形量和在此之前10次測得的豎向位移變形平均值之差達預先設定的位移差值（rate of change，ROC）時，操作系統即認為試件已破壞.在美國ASTM中推薦ROC值為1mm，因為當試件趨近斷裂或者撓度很大時的ROC值在1.0 mm左右.當在試驗進行過程中測得差值超過1.0 mm時，試驗將自動停止［7］.

2 結果及分析

2.1 浸水劈裂試驗結果

初始再生的瀝青混合料的浸水劈裂強度及破壞時的最大變形量見表4.

表4 初次再生瀝青混合料的浸水劈裂強度及最大變形量

由表5可以見，前4組常溫溶解乳化再生混合料的浸水劈裂強度是對比組常規乳化瀝青冷再生混合料的1.6～2.3倍；隨著乳化劑加量的減少，再生混合料的浸水劈裂強度逐漸減小，表明乳化劑對試件浸水劈裂強度貢獻較改性劑大；除配比2外，其他各組常溫溶解乳化再生混合料的最大變形量均大于對比組常規乳化瀝青冷再生混合料；隨著改性劑加量增多變形量呈現增大（減小吧）趨勢，表明改性劑很好的改善了初次再生混合料的變形性能.

2.2 劈裂疲勞試驗結果

各應力水平下初次再生的瀝青混合料的疲勞壽命見圖3.

圖3 不同應力水平下初次再生混合料的疲勞壽命的比較

由圖3可知，前4組常溫溶解乳化再生混合料的劈裂疲勞性能明顯優于 對比組常規乳化瀝青冷再生混合料；隨著應力比的增加，疲勞壽命逐漸降低，幾種再生混合料的疲勞壽命更加接近.

2.3 APA浸水疲勞試驗結果

APA疲勞試驗過程中，試件呈現的彎拉破壞特征，試件中部變形量最大，底部出現明顯裂紋，為有底向上裂紋.

再生混合料的APA浸水疲勞試驗結果見表5.

表5 再生混合料APA浸水疲勞試驗結果

由表5可知，前4組再生混合料的浸水疲勞壽命是對比組再生混合料的1.3～2.1倍；其中配比2和配比3的疲勞性能更為突出，表明乳化劑和改性劑的共同作用對浸水疲勞性能的貢獻較大；前4組再生混合料的浸水疲勞試件的最大變形量為對比組的1.1～1.2倍.結果表明常溫溶解乳化再生混合料疲勞性能優于乳化瀝青冷再生混合料.

3 結束語

文中提出一種新的瀝青混合料常溫再生方法，在RAP中添加溶劑和乳化劑，有效再生RAP中的老化瀝青，初次再生混合料的劈裂強度、水穩定性和疲勞性能均優于乳化瀝青冷再生混合料.其中配比2（1.5%溶劑、0.1%乳化劑、0.05%改性劑）的再生混合料的劈裂強度、水穩定性和疲勞性能損失率較低，表明改性劑和乳化劑的共同作用有利于提高再生混合料的耐久性.在室內試驗證明了這種新再生方法的適用性.

其中，配比2再生混合料的劈裂強度2.3倍于現有的乳化瀝青冷再生混合料；配比2再生料的疲勞壽命在不同的應力比下均數倍于乳化瀝青冷再生混合料，低應力比下疲勞壽命增加的倍數更多；在模擬路面浸水行車的APA中，配比2的混合料性能達到乳化瀝青冷再生混合料的1.2倍.

［1］LANE B，KAZMIEROWSKI T.Implementation of cold in－place recycling with expanded asphalt technology in Canada［J］.Transportation Research Record，2005，1905：17－24.

［2］SEBAALY P E，BAZI G.Performance of Cold In－Place Recycling in Nevada［J］.Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2004，1896：162－169.

［3］HILBRICH S L，SCULLION T.Evaluation of laboratory mix design and field performance of asphalt emulsion and cement stabilized full－depth reclamation project in Texas［C］.Transportation Research Board，Washington D.C.，2008.

［4］BERTHELOT C，HAICHERT R，PODBOROCHYNSKI D.Mechanistic laboratory evaluation and field construction of recycled concrete materials for use in road substructures［J］.Transportation Research Record，2010，2167：41－52.

［5］PETER E.Performance of cold In－place recycling in Nevada［J］Transportation Research Record，2004，1896：162－169.

［6］王旭東，沙愛民，許志鴻.瀝青路面材料動力特性與動態參數［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［7］吳 平，崔 鵬，謝 軍.APA瀝青混合料疲勞性能試驗研究［J］.中外公路，2003（1）：86－89.