高模量再生瀝青混合料性能研究

陳健俠，祝譚雍，李　偉，黃曉明

（1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳　518035；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

高模量再生瀝青混合料性能研究

陳健俠1，祝譚雍2，李偉2，黃曉明2

（1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳518035；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

為了研究熱再生高模量瀝青混合料的路用性能，通過(guò)將普通瀝青和不同摻量的布墩巖瀝青（BRA）配制成改性瀝青，分析了BRA摻量對(duì)改性瀝青性能的影響規(guī)律，并以改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量為指標(biāo)確定了BRA的合理?yè)搅俊Ｍㄟ^(guò)測(cè)試不同舊料摻量下的再生混合料的動(dòng)態(tài)模量、高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和疲勞性能，提出熱再生高模量瀝青混合料的舊料合理?yè)搅?。結(jié)果表明：隨著BRA摻量的提高，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性有所提升，BRA的合理?yè)搅繛?0%。舊料摻量的提升對(duì)于再生混合料的模量提高影響不大；舊料摻量的提升有益于改善再生混合料的抗車轍性，但會(huì)影響其低溫穩(wěn)定性；在舊料摻量小于60%時(shí)，對(duì)高模量再生混合料水穩(wěn)定性影響不大；舊料摻量過(guò)高不利于高模量再生混合料的疲勞性能。

再生瀝青混合料；高模量；路用性能

0　引言

瀝青混合料的舊料再生技術(shù)自1915年誕生于美國(guó)以來(lái)，已經(jīng)出現(xiàn)了近一個(gè)世紀(jì)。該技術(shù)初期并未在美國(guó)的大規(guī)模公路建設(shè)中得到應(yīng)用。直至20世紀(jì)70年代石油危機(jī)的爆發(fā)，工程人員開始重視對(duì)瀝青混合料再生技術(shù)的研究[1-4]。目前，美國(guó)大部分州回收瀝青路面材料（RAP）在再生瀝青混合料中的摻量不到25%，我國(guó)對(duì)于再生瀝青混合料中的舊料摻量也控制得非常保守[5]。隨著瀝青的熱氧老化，瀝青質(zhì)含量升高，飽和分含量降低，其硬度變大，軟化點(diǎn)升高，黏度增大[6]。因此，再生混合料的高溫穩(wěn)定性能一般較為優(yōu)異且具有較高的模量。本文通過(guò)將巖瀝青改性瀝青應(yīng)用于瀝青混合料再生技術(shù)當(dāng)中并加大舊料摻量，制備了高模量再生瀝青混合料，并對(duì)不同舊料摻量的再生混合料路用性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，提出合理的舊料摻量范圍。

1　再生混合料制備

1.1改性瀝青的制備

研究表明，布墩巖瀝青（BRA）具有四大優(yōu)點(diǎn)：（1）含氮量高；（2）具有“半聚合”作用；（3）具有很好的耐候性；（4）含蠟量不高[7，8]。以上優(yōu)點(diǎn)使得巖瀝青具有優(yōu)良的集料黏附性和抗老化性能。本研究中向基質(zhì)瀝青中摻入巖瀝青以制備巖瀝青改性瀝青，巖瀝青基本性能見表1。基質(zhì)瀝青采用韓國(guó)SK-70瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見表2。

表1　巖瀝青基本性能

表2　SK-70瀝青基本性能

該研究采用的布敦巖瀝青產(chǎn)自于印尼布頓島，巖瀝青中瀝青含量較其他硬質(zhì)瀝青相比較少，約含有70%灰分。外觀呈黑灰色顆粒，易于儲(chǔ)存且不易結(jié)塊。由于巖瀝青中的瀝青質(zhì)含量高，飽和分含量相對(duì)較低，具有軟化點(diǎn)高，黏度大的特點(diǎn)，在道路使用中能夠有效改善路面的抗高溫變形以及抗水損壞性能，提升道路耐久性，延長(zhǎng)路面使用壽命。

分別向SK-70基質(zhì)瀝青中摻加20%～80%摻量的巖瀝青制備BRA改性瀝青，測(cè)試不同BRA摻量改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量。BRA改性瀝青制備過(guò)程如下：將SK-70基質(zhì)瀝青加熱至135℃，分別按照所設(shè)計(jì)的摻量加入巖瀝青，保持溫度不變，人工攪拌5～10 min，使巖瀝青均勻分布于改性瀝青中，再將改性瀝青放入160℃的烘箱中培育1 h，取出后在150℃～170℃溫度下高速剪切15 min，在改性瀝青制備過(guò)程中的溫度不能超過(guò)170℃，防止基質(zhì)瀝青的老化。由于BRA巖瀝青中含有較多顆粒物，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易引起離析，在實(shí)驗(yàn)澆模過(guò)程中應(yīng)注意攪拌均勻，避免實(shí)驗(yàn)誤差。

1.2高模量再生瀝青混合料制備

再生混合料所采用的集料為石灰?guī)r，集料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3　集料技術(shù)指標(biāo)

對(duì)銑刨下的路面回收材料進(jìn)行取樣研究，按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)要求，取樣前去除粗料料堆表面15～25 cm深度范圍內(nèi)舊料，將所取的舊料放置在空白場(chǎng)地并拌合均勻，按照四分法取樣方法，從對(duì)角方向?qū)εf料料堆進(jìn)行取樣并拌合均勻。

將舊料放入60℃烘箱中烘干，并在60℃下采用干篩法測(cè)定舊料級(jí)配。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，在舊料中加入三氯乙烯并采用離心分離法抽提出瀝青溶液，采用阿布森法對(duì)瀝青溶液中的瀝青進(jìn)行回收，并對(duì)老化瀝青的各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。舊瀝青的各項(xiàng)性能見表4。

表4　各種瀝青性能指標(biāo)

瀝青路面在經(jīng)受行車荷載作用下，集料被壓碎而變細(xì)，同時(shí)由于舊料在銑刨過(guò)程中會(huì)被粉碎而進(jìn)一步變細(xì)，這會(huì)使得舊料與設(shè)計(jì)之初的級(jí)配發(fā)生較大變化[10]。舊料經(jīng)60℃預(yù)熱后采用人工將結(jié)團(tuán)舊料分散，在加熱后結(jié)團(tuán)的塊狀物逐漸消除，與實(shí)際的級(jí)配更加接近。將舊料經(jīng)過(guò)三氯乙烯溶解，去除表面瀝青并在烘箱中烘干，通過(guò)振動(dòng)篩得其抽提后級(jí)配（見表5）。

表5　舊料級(jí)配

瀝青混凝土中面層模量對(duì)于夏季高溫車轍的產(chǎn)生具有重大影響，提高瀝青混合料中面層模量和抗剪強(qiáng)度能夠有效減少車轍的產(chǎn)生。通過(guò)參考我國(guó)AC-20瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的中值，提出高模量再生混合料合成級(jí)配（見表6），再生混合料的最佳油石比確定為4.8%。

表6　再生混合料合成級(jí)配

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1BRA改性瀝青性能

通過(guò)對(duì)不同巖瀝青摻量下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行分析研究，從而最終確定巖瀝青摻量。分別向SK-70基質(zhì)瀝青中摻加20%～80%摻量的巖瀝青制備BRA改性瀝青。

BRA改性瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)見表7。

由圖1可知，巖瀝青的加入使得BRA改性瀝青各項(xiàng)性能較基質(zhì)瀝青有不同程度的提升。隨著巖瀝青摻量的增加，改性瀝青軟化點(diǎn)逐漸減小，15℃軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青分別減少11.7%、30.7%、70.9%和84.3%，25℃針入度和30℃針入度也分別有不同程度的下降，表明巖瀝青使改性瀝青變硬，黏度增大，能夠提升瀝青膠結(jié)料與集料黏附性。隨著巖瀝青摻量的增加，軟化點(diǎn)也有不同程度提升，20%～60%巖瀝青摻量軟化點(diǎn)均未得到顯著提升。當(dāng)BRA摻量為80%時(shí)，軟化點(diǎn)由51℃提升至90℃，較基質(zhì)瀝青提升了76.5%。由于巖瀝青中含有天然瀝青，該部分天然瀝青由于含有較低成分的飽和分和較高成分的瀝青質(zhì)，提升改性瀝青溫度敏感性，使瀝青膠結(jié)料在高溫條件下具有良好的抗變形能力，從而減少車轍、擁抱等高溫病害的產(chǎn)生。巖瀝青的摻加使得延度得到迅速降低，巖瀝青摻量增至20%時(shí)延度減小幅度最大，20%摻量時(shí)改性瀝青延度為基質(zhì)瀝青的18.4%。這一方面是由于BRA屬于硬質(zhì)瀝青，其所含的天然瀝青具有硬度大、黏度高、抗低溫變形能力弱的特點(diǎn)；另一方面是因?yàn)閹r瀝青是由礦物顆粒外裹覆一層天然瀝青所形成的混合物質(zhì)，在加熱攪拌過(guò)程中表面的天然瀝青與基質(zhì)瀝青相互融合，剩余的礦物顆粒分布于改性瀝青內(nèi)，阻斷了瀝青分子之間的連續(xù)性，瀝青分子間的連接力減小甚至消失，從而致使在受到外部拉力過(guò)程中極易產(chǎn)生斷裂，甚至發(fā)生脆性斷裂，因此BRA改性瀝青延度值不能夠作為膠結(jié)料低溫性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)BRA摻量為80%時(shí)，混合瀝青中含有大量礦物顆粒，基質(zhì)瀝青無(wú)法將礦物顆粒有效黏結(jié)成為整體，試驗(yàn)過(guò)程中未考慮80%巖瀝青摻量時(shí)延度。圖2為不同巖瀝青摻量下延度。

表7　改性瀝青性能指標(biāo)

圖1　不同巖瀝青摻量下BRA改性瀝青性能

圖2　不同巖瀝青摻量下延度

根據(jù)以上研究結(jié)果，摻加巖瀝青后，瀝青膠結(jié)料變硬，黏度增大，軟化點(diǎn)升高，感溫性能下降，提升了高溫抗變形能力。法國(guó)高模量瀝青混合料研究表明，高模量瀝青混合料具有良好的抗高溫變形能力。本研究中瀝青混合料級(jí)配統(tǒng)一采用AC-20中值級(jí)配，在固定的油石比和4種BRA摻量下，BRA改性瀝青混合料分別成型，在15℃下進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)模量變化規(guī)律見圖3。

圖3　不同BRA改性瀝青混合料15℃動(dòng)態(tài)模量

由圖3可知，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量隨著荷載頻率的增加不斷增長(zhǎng)，在較低荷載頻率時(shí)，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量均低于10 000 MPa，此時(shí)其抗高溫變形能力較弱。瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量隨著BRA摻量的增加不斷增加，當(dāng)BRA摻量為20%時(shí)，15℃、10 Hz條件下動(dòng)態(tài)模量為13 246 MPa；當(dāng)摻量增至40%時(shí)，15℃、10 Hz動(dòng)態(tài)模量增至14 507 MPa，較20%摻量提高9.5%，滿足法國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于高模量瀝青混合料 (15℃、10 Hz≥14 000 MPa)的要求；BRA摻量為60%，15℃、10 Hz時(shí)動(dòng)態(tài)模量為17 365 MPa，較20%摻量下提高約31%?？紤]《布敦天然巖瀝青改性瀝青路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DBJ/CT 085—2010）參考標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)濟(jì)因素，最終確定巖瀝青摻量為40%。

2.2再生瀝青混合料路用性能研究

2.2.1動(dòng)態(tài)模量

在15℃下對(duì)不同舊料摻量下混合料動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行研究（見表8）。

由圖4可知，摻加舊料后混合料15℃下動(dòng)態(tài)模量均高于未摻舊料下的動(dòng)態(tài)模量，15℃、10 Hz下動(dòng)態(tài)模量均超過(guò)20 000 MPa，RAP摻量為20%時(shí)動(dòng)態(tài)模量達(dá)到最大，當(dāng)摻量為40%～80%時(shí)，混合料動(dòng)態(tài)模量隨著舊料摻量的增加不斷增加。20%舊料摻量下在15℃、10 Hz時(shí)動(dòng)態(tài)模量達(dá)到24 605 Hz，較新料提升17%，表明動(dòng)態(tài)模量隨舊料的摻加未產(chǎn)生明顯的提升。主要是由于在未摻加舊料時(shí)混合料動(dòng)態(tài)模量已達(dá)到較高水平，舊料的摻加對(duì)動(dòng)態(tài)模量很難起到明顯的改善作用。

表8　不同舊料摻量下動(dòng)態(tài)模量

圖4　不同RAP摻量下動(dòng)態(tài)模量

2.2.2高溫性能

對(duì)不同舊料摻量下瀝青混合料高溫性能進(jìn)行研究，如圖5所示。瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨著舊料摻量的增加不斷提升，當(dāng)舊料摻量不超過(guò)40%時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定度沒有明顯改善；當(dāng)舊料摻量達(dá)到60%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度由4 667次/mm提升到7 000次/mm；當(dāng)舊料摻量增加到80%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提升到7 700次/mm。動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)上述情況主要是由于：（1）當(dāng)舊料摻量較少時(shí)混合料中的瀝青主要源自新拌改性瀝青，瀝青混合料的性能與新料的新能相接近，當(dāng)舊料摻量增至60%及以上時(shí)，混合料中瀝青主要取自老化瀝青，在相同實(shí)驗(yàn)條件下導(dǎo)致混合料高溫性能得到明顯提升。（2）摻加舊料后，在拌合過(guò)程中舊料表面瀝青未能與基質(zhì)瀝青充分融合，部分瀝青仍然留在集料表面形成“黑石”，從而導(dǎo)致混合料中發(fā)揮粘結(jié)作用的瀝青減少，出現(xiàn)在高舊料摻量下混合料動(dòng)穩(wěn)定度有明顯提升。

圖5　不同舊料摻量下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

2.2.3低溫性能

在-10℃下對(duì)不同舊料摻量下高模量瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見表9）。

表9　不同舊料摻量下高模量瀝青混合料低溫性能

由表9可知，摻加舊料后混合料彎拉強(qiáng)度與舊料摻量成正比，加入舊料后瀝青混合料變硬，在相同瀝青含量下老化的舊料導(dǎo)致混合料剛度變大；破壞彎拉應(yīng)變則隨舊料摻量的增加不斷減小，由初始2 587 με減小至最終1 563 με，減小幅度達(dá)39.6%，加入舊料后的最大彎拉應(yīng)變均低于2 500 με，不符合規(guī)范中對(duì)于改性瀝青混合料的規(guī)定。摻加舊料后，混合料在低溫下承受荷載變形能力減弱，導(dǎo)致路面在寒冷條件下經(jīng)受車輛及溫度荷載時(shí)，極易產(chǎn)生低溫開裂。彎曲勁度模量隨舊料摻量增加不斷增大，未摻加舊料時(shí)勁度模量為3 289 MPa，但當(dāng)舊料摻配率達(dá)到80%時(shí)，混合料勁度模量為7 908 MPa，舊料的加入導(dǎo)致混合料在低溫下變形能力減弱，低溫性能逐漸變差。

2.2.4水穩(wěn)定性能

當(dāng)再生瀝青混合料分別摻加20%～80%舊料，通過(guò)采用凍融劈裂實(shí)驗(yàn)對(duì)混合料抗水損害性能進(jìn)行研究（見表10、圖6）。

表10　不同舊料摻量下水穩(wěn)定性

圖6　不同舊料摻量下凍融劈裂強(qiáng)度比

由表10可知，當(dāng)摻入舊料后，混合料在凍融前劈裂強(qiáng)度逐漸升高，凍融劈裂強(qiáng)度比不斷減小，舊料摻量不超過(guò)60%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比超過(guò)80%均能滿足規(guī)范要求；摻量達(dá)到80%時(shí)，抗水損害性能已不能滿足規(guī)范要求。摻加舊料后，新舊瀝青不能充分融合，部分集料表面未能被瀝青完全裹覆，導(dǎo)致混合料空隙率逐漸增大，同時(shí)舊料經(jīng)受荷載老化后在經(jīng)受凍融等反復(fù)循環(huán)后，瀝青不能與集料很好黏結(jié)，導(dǎo)致抗水損害性能變差。

2.2.5不同舊料摻量下疲勞性能

在15℃下在瀝青混合料中摻加不同比例舊料，分別在0.2、0.3及0.4應(yīng)力比下進(jìn)行混合料疲勞試驗(yàn)（見表11）。

表11　不同應(yīng)力比下疲勞壽命

由表12可知，未摻加舊料混合料具有較大的k值及最小的n，表明在應(yīng)力較小情況下，混合料具有較高疲勞壽命，隨著荷載應(yīng)力的增加疲勞壽命減小速度較慢。當(dāng)RAP摻量增加后，k值和n值均呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，k值隨舊料摻量的增加不斷減小，RAP摻量為20%時(shí)達(dá)到最大，但此時(shí)的n值也最大，疲勞壽命隨荷載應(yīng)力的增加減小速度最快，n值隨RAP摻量的增加先減小后變大，在舊料摻量為60%時(shí)達(dá)到最小值，但由于此時(shí)的k值也最小，在該舊料摻量下的疲勞壽命也未達(dá)到最佳狀態(tài)。舊料摻量為40%時(shí)，k值較大，n值較小，混合料疲勞性能為各舊料摻量下最優(yōu)。

表12　不同RAP摻量下瀝青混合料疲勞方程

3　結(jié)　論

向基質(zhì)瀝青中摻加不同摻量的布墩巖瀝青，測(cè)試BRA改性瀝青三大指標(biāo)，得到針入度與延度隨BRA摻量增加而減小，軟化點(diǎn)隨BRA摻量增加而提升；對(duì)不同巖瀝青摻量下混合料15℃動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行分析，最終確定巖瀝青合理?yè)搅繛?0%。對(duì)BRA改性再生瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)研究表明，瀝青路面回收材料的加入未對(duì)動(dòng)態(tài)模量產(chǎn)生明顯影響；再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨舊料摻量增加變大，舊料摻量低于40%時(shí)，高溫性能變化不大，舊料摻量達(dá)到60%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度顯著增加；舊料的加入使混合料低溫性能逐漸變差，舊料摻量為80%時(shí)，極限彎拉應(yīng)變減少40%，舊料摻量低于60%時(shí)，混合料抗水損害性能未有明顯變化，均能滿足我國(guó)規(guī)范要求；混合料疲勞性能隨舊料摻量增加逐漸變差，當(dāng)舊料摻量為40%和60%時(shí)混合料k值較大、n值較小，疲勞性能較其他摻量相比較優(yōu)。

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U414

A

1009-7716（2016）03-0169-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.049

2015-12-15

陳健俠（1963-），男，廣東汕頭人，高級(jí)工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。