高摻量溫拌再生瀝青混合料設計及性能研究

熊文濤1 梁艷峰 肖振江

（1.蘇交科集團股份有限公司，南京 211112；2.云南交投集團投資有限公司，昆明 650000）

截止2018年底，我國公路總里程達到484.65×104km，其中高速公路里程14.26×104km。交通運輸部《“十三五”公路養護管理發展綱要》指出：十三五期間是我國公路由過去以基礎設施建設為主向建設、養護、管理、服務并重轉變，更加突出養護、管理、服務工作的重要轉型期。隨著交通流量的迅速增長及早期修建的公路陸續達到服務年限，養護工作量將越來越大。按照平均10 a 一次大修、5 a 一次中修測算，我國公路每年大中修里程將達到80×104km，其中高速公路將超過1.4×104 km。據統計，每年翻修開挖出來的舊瀝青混合料在1 000×104t 以上[1]，每年產生的路面廢料對環境、資源、能源產生了巨大的壓力，已成為必須面對和亟需解決的問題。

目前公路瀝青路面的再生技術主要有五種類型[2]。廠拌熱再生是應用最為廣泛的瀝青路面再生技術，且再生混合料性能最為優良。然而在廠拌熱再生過程中，受到輸送功率以及舊料拌和溫度的限制，舊料添加比例一般很難超過25%。劉唐志[3]等人通過對不同RAP 料摻量（0、30%、40%、50%）下Evotherm 溫拌再生瀝青混合料路用性能的研究，得出該溫拌再生瀝青混合料的最佳RAP 料摻量為40%。秦永春、黃頌昌等[4]研究表明，改性和未改性的溫拌瀝青混合料可分別比相應的熱拌瀝青混合料節約能耗28.7%和22.9 %。Graham C.Hurley 和Brian D.Prowel[5]等人研究表明，添加Evotherm 的瀝青混合料回彈模量增大，抗車轍能力增強且抗水損壞能力較強。譚憶秋等[6]采用四點彎曲疲勞試驗對溫拌再生混合料的疲勞性能進行評價，研究結果表明，溫拌再生混合料的耐久性能優異，且RAP 摻量可增加至45%。李佳坤等[7]研究了RAP 摻量對基于DTA 溫拌劑的溫拌生混合料的路用性能影響。已有研究表明，RAP 摻量增加可有效提高瀝青混合料的抗車轍性能[8]。

溫拌和再生技術的結合應用，一方面可以減少有害氣體的排放和減輕再生混合料在生產拌制過程中的老化和二次老化，提升施工環境的舒適性，提高對舊瀝青的再生恢復效果[9]，另一方面在現有工藝條件和能耗水平下，可提高舊料利用比例，應用潛力巨大，具有突出的社會和經濟意義。因此，本試驗針對基于溫拌的高摻量廠拌熱再生混合料進行了研究。

1 試驗研究方案

（1）RAP 摻加比例

溫拌再生瀝青混合料的性能很大程度上與舊料的摻配比例有關。相關研究表明，為保證廠拌熱再生瀝青混合料的各項使用性能，其中RAP的摻量不宜大于20%[10]。為了盡可能地利用舊瀝青混合料，研究溫拌技術提高RAP 摻量的可行性，本次試驗舊料RAP 的使用比例分別選擇為20%和40%。

（2）新瀝青的選擇

新添加的瀝青性質直接關系到再生瀝青混合料的性質。McDaniel 和Shah[11]引用Bonaquist 的方法對不同 RAP 摻量的混合料進行試驗，發現當 RAP 摻量低于15%時，新舊瀝青的混溶程度將近100%，當RAP 摻量高于40%時，新舊瀝青則達不到100%混溶。參照美國的AASHTO 標準，高摻量RAP（＞20%）的再生瀝青混合料，需要改變新瀝青等級。因此，針對RAP 比例分別為20%和40%的再生瀝青混合料，需要選擇適宜的新瀝青的標號，并測試新舊瀝青融和后的PG等級，研究老化瀝青的性能恢復情況。

（3）溫拌劑的選擇與應用

采用溫拌技術，能降低施工拌和、碾壓溫度30 ℃以上，降低舊瀝青在混合過程中的二次老化。本文使用美國生產的表面活性類溫拌技術Evotherm，研究高摻量溫拌再生混合料的路用性能，室內試驗40%RAP 的再生混合料，Evotherm摻加比例為添加劑∶瀝青=10 ∶90。

對于添加溫拌劑的溫拌再生瀝青混合料，溫度是一個十分重要的參數。結合已有研究成果，試驗前，將稱量好的新集料、舊瀝青混合料、新瀝青及礦粉進行加熱，試驗溫度選擇如表1所示。

表1 溫度控制 ℃

拌和時先添加新集料，然后添加舊瀝青混合料，再添加新瀝青，最后添加溫拌劑Evotherm，溫拌劑添加在新瀝青和舊瀝青混合料表面，避免與新集料直接接觸，Evotherm 與瀝青反應過程見圖1。所有的瀝青混合料在相應的溫度下拌和，采用旋轉壓實成型。

圖1 添加溫拌劑Evotherm 反應照片

2 高摻量溫拌再生瀝青混合料設計

2.1 高摻量溫拌再生混合料級配設計

依據Superpave 設計方法，以2.36 mm 篩孔為控制點。在選擇20%和40%RAP 的Sup20 混合料結構時，設計了2.36 mm 篩孔通過率分別為23.8%（20%RAP）和26.4%（40%RAP）的級配曲線。20%和40%RAP 的Sup20 試驗級配的試驗級配曲線見圖2。

圖2 試驗級配曲線

2.2 新瀝青選擇及瀝青含量的確定

（1）新瀝青的選擇

新添加的瀝青性質直接關系到再生瀝青混合料的性質。我國JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規范》[12]中關于瀝青等級的選擇主要參照了美國的方法，根據舊瀝青的針入度、舊瀝青混合料的摻量來確定。具體的要求如表2。

如果要根據新舊瀝青調合法則確定新瀝青的標號，按照下面公式確定新瀝青的黏度。

式中：ηmin——混合后瀝青的60 ℃黏度（Pa·s）；

ηold——混合前舊瀝青的60 ℃黏度（Pa·s）；

ηnew——混合前新瀝青或再生劑的60 ℃黏度（Pa·s）；

α——新瀝青的比例。

表2 再生混合料新瀝青的選擇

本研究中采用的舊瀝青混合料回收瀝青以及70 號、90 號瀝青的試驗結果如表3所示，RAP回收瀝青針入度為38 1/10 mm，摻配比例為20%時，所以選用70 號瀝青，瀝青等級不需要變化。摻配比例為40%時，根據新舊瀝青調合法則確定新瀝青的標號，需改變瀝青等級，選用90 號瀝青。

表3 RAP 回收老化瀝青及70 號、90 號瀝青測試結果

（2）瀝青含量的計算。

本研究的集料級配，根據集料的性質（密度和吸水率）進行計算，20%和40%RAP 的Sup-20 混合料的估算瀝青用量見表4。

表4 估算瀝青用量匯總表

表4中：Gsb——總集料的毛體積相對密度（總集料有粗集料、細集料及填料組成）；

Gsa——總集料表觀相對密度；

Gse——集料有效相對密度；

Vba——吸收進集料的瀝青膠結料體積，cm3；

Vbe——有效瀝青膠結料的體積，cm3；

Ws——每立方厘米混合料中集料質量，g；

Pbi——估算瀝青用量，%。

3 溫拌再生瀝青的PG 研究

瀝青的老化是路面再生技術研究的重要方面。本研究采用動態剪切流變儀DSR（如圖3所示）和低溫彎曲流變儀BBR（如圖4所示），檢測70 號原樣瀝青、20%RAP 再生混合料Sup-20回收瀝青、40%RAP+Evotherm 的溫拌再生混合料Sup-20 回收瀝青的PG 等級，分析老化瀝青性能恢復情況，其PG 等級情況如表5所示。

表5 溫拌和熱拌再生瀝青的PG 等級

從表5可以看出：

（1）20%RAP 再生混合料回收的瀝青，與70號原樣瀝青相比，瀝青的高溫等級提高8 ℃，低溫等級增加4 ℃。試驗表明，混入一定數量的RAP 使瀝青的剛度增加，與以往研究成果一致。

（2）40%RAP+Evotherm 高摻量溫拌再生混合料回收的瀝青，較20%RAP 再生混合料高溫等級降低2 ℃。以往研究成果，隨著RAP 使用比例增加，瀝青高溫等級預計會進一步提高。因此，溫拌劑的摻入有利于恢復老化瀝青的性能。

圖3 動態剪切流變儀DSR

圖4 低溫彎曲流變儀BBR

4 高摻量溫拌再生瀝青混合料路用性能評價

4.1 動態模量試驗

采用基本性能試驗機（SPT）進行單軸壓縮動態模量試驗（圖5），測試在不同溫度（低溫5 ℃、常溫25 ℃、高溫55 ℃）和荷載作用頻率（25 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.1 Hz）下混合料的動態模量│E*│，用于評價溫拌再生瀝青混合料的勁度。選定參考溫度為20 ℃，采用時溫等效原理，繪制20%RAP 與40%RAP+Evotherm再生混合料Sup-20 的主曲線如圖6所示。

從圖6可以看出：

（1）瀝青混合料的動態模量受溫度和加載頻率的影響顯著，兩種混合料表現出相同的規律，隨著溫度的升高，混合料的動態模量會明顯降低。

（2）瀝青混合料的動態模量與加載頻率呈雙對數關系，高模量發生在低溫、高頻率，處在圖的右邊；低模量發生在高溫、低頻率。在低溫、高頻荷載作用下，20%RAP 與40%RAP+Evotherm 再生混合料Sup-20 的動態模量比較接近；而在高溫、低頻荷載作用下，40%RAP+Evotherm 再生混合料Sup-20的動態模量比20%RAP 再生混合料高。表明高摻量溫再生瀝青混合料的抗車轍永久變形能力更強。

圖5 基本性能試驗機（SPT）

圖6 20%與40%RAP 再生混合料Sup-20 動態模量對比

4.2 高溫車轍試驗

采用60 ℃車轍試驗對20%RAP 和40%RAP再生混合料Sup-20 的高溫穩定性能的驗證，試驗結果分別見表6。

瀝青路面的車轍問題是隨著社會發展，交通量及重載車輛增加后，路面破壞的一個重點問題。通過車轍試驗可以確定瀝青混合料的高溫穩定性，這也是瀝青混合料性能檢測中最主要的指標。從表6可以看出，20%RAP 和40%RAP 摻量的再生混合料Sup-20，動穩定度均滿足≥1 000 次/mm的規范要求，具有較好的高溫穩定性。

表6 車轍試驗結果匯總表

4.3 低溫小梁彎曲試驗

采用小梁彎曲試驗來評價再生混合料的低溫抗裂性能。試驗條件：溫度-10 ℃，速率50 mm/min，試驗結果如表7和表8所示。

表7 20%RAP 再生混合料Sup-20 小梁彎曲試驗結果

表8 40%RAP 再生混合料Sup-20（+Evotherm）小梁彎曲試驗結果

從表7和表8可以看出，20%RAP 和40%RAP的再生混合料Sup-20，其破壞應變均滿足≥2 000με的技術要求。且摻加溫拌劑Evotherm 的40%RAP 的再生混合料Sup-20，其最大破壞荷載、跨中撓度、抗彎拉強度及破壞應變等指標均高于20%RAP 摻量的Sup-20，說明摻加溫拌劑Evotherm 能夠有效提升高摻量再生混合料的低溫性能。

4.4 水穩定性試驗

采用AASHTO T283 試驗，檢驗20%RAP 和40%RAP 再生混合料Sup-20 的抗水損害能力，試驗結果分別見表9。

從表9可以看出，20%RAP 和40%RAP 的再生混合料Sup-20，其凍融劈裂強度比TSR均滿足≥80%的技術要求，具有較好的水穩定性。

5 實體工程驗證

S325 省道起于淮安境內丁集東與237 省道相交處，止于宿遷境內本路和324 省道交叉處，連接了淮安、宿遷兩大地級市，是一條東西向的快速干線。項目路段通車多年，目前已出現了不同程度的路面病害，以裂縫、龜裂為主，并伴有較為少量的唧漿，路面使用狀況一般。

考慮到材料的循壞利用以及環境友好的要求，按照前文設計配合比及瀝青用量，鋪筑高摻量溫拌廠拌熱再生Sup-20 混合料的試驗段，RAP的摻配比例達到40%，實現了廢舊路面材料的高效再生利用。

對再生后的路面鉆芯取樣，芯樣壓實度檢測，結果如表10所示。實施后的再生路面狀況如圖7所示。根據現場檢測結果表明，試驗段鋪筑后外觀表面平整密實，壓實度均滿足技術要求。

表9 AASHTO T283 試驗結果

表10 試驗段路面芯樣高度及壓實度

圖7 施工后的再生路面

6 結論

從配合比設計、膠結料PG 研究、混合料的性能試驗等方面，對溫拌用于高摻量再生混合料的可行性進行研究，并應用于實體工程施工，取得了良好的效果。主要結論如下：

（1）溫拌技術用于高摻量廠拌熱再生，一方面可恢復老化瀝青的性能，另一方面可提高RAP料的摻加比例。

（2）瀝青膠結料PG 結果表明，40%RAP+Evotherm高摻量溫拌再生混合料回收的瀝青，高溫等級降低2 ℃，溫拌劑的摻入有利于改善老化瀝青的性能。

（3）混合料路用性能試驗結果表明，高摻量溫拌再生混合料的各項路用性能符合技術要求，且40%RAP+Evotherm 再生混合料Sup-20 表現出更好的高溫抗車轍變形能力。

（4）S325 省道實體工程應用結果表明，溫拌技術用于廠拌熱再生，RAP 的摻配比例達到40%，實現了廢舊路面材料的高效再生利用。