微波加熱改善再生瀝青混合料路用性能

張永健，康愛紅，李 波，肖 鵬，寇長江

(1.揚州大學 a.建筑科學與工程學院；b.城市規劃與發展研究院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省玄武巖纖維復合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著瀝青路面再生技術的發展，國內外學者對其進行了深入研究。文獻[1]采用不同類型的外摻劑制備了AC-13混合料試件，發現外摻劑能夠提高試件的抗老化性能，但抗開裂性能有所降低。文獻[2-3]摻入不同纖維制備混合料試件，發現纖維對試件的抗裂性有一定程度的改善，但對纖維的摻量及其他路用性能缺少研究。文獻[4-5]認為：纖維能夠有效穩定混合料內部的集料分布，纖維被加熱后可以使瀝青混合料均勻升溫，使得水穩性能增強。文獻[6-7]研究發現：摻加鋼棉纖維可以使混合料的四點彎曲疲勞壽命延長2倍以上，但高溫性能會有所降低。文獻[8-9]研究表明：外摻劑的加入明顯改善了瀝青混合料初期的力學性能，對于提高混合料的耐久性能等有直接影響，但外摻劑在不同級配下的改善效果差異明顯。以上研究說明：外摻劑可以提高銑刨料(recycling asphalt pavement, RAP)的利用率，并且提高路用性能[10-11]。文獻[12]認為微波熱再生能夠實現RAP的快速加熱，但熱傳導不均勻，石料微波加熱的效果不理想。文獻[13-14]研究發現：微波加熱可使混合料受熱均勻，升溫較快。傳統加熱會導致RAP內外受熱效果不均勻，導致性能劣化。微波加熱與傳統輻射加熱不同，可以在較大深度范圍內對混合料整體進行加熱，有效避免傳統加熱方式在不同深度范圍內受熱不均的弊端。傳統熱再生過程中，混合料試件中的瀝青融合效果不理想[15]，本文將微波加熱用于RAP熱再生，研究混合料性能演變規律。

1 原材料

1.1 瀝青

本文選取江陰寶利生產的SBS改性瀝青，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[16]對瀝青的技術指標進行測試。SBS改性瀝青性能指標及試驗結果如表1所示。

1.2 集料

選用的粗細集料均產自鎮江，材料質地均勻，無雜質，針片狀含量較少，根據JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術規范》[17]對集料密度進行測定，粗、細集料的毛體積相對密度分別為2.698和2.618。

表1 SBS改性瀝青性能指標及試驗結果

1.3 銑刨料

表2 回收RAP的檢測指標和結果

本文采用的RAP為江蘇沿海高速養護工程中銑刨、破碎產生的回收料，該路段瀝青路面已服役6年，部分點位出現裂縫開展及車轍變形等病害。對回收的RAP進行瀝青老化等級測試，檢測指標和結果如表2所示。

由表2可知：瀝青處于中等老化等級，RAP粒徑分布較為均勻，部分細料裹附在瀝青膠結料表層。采用添加新瀝青的方式實現老化瀝青的再生，其本質是通過低黏度的瀝青來融合新老瀝青，降低瀝青黏聚特性的同時，調整老化瀝青中膠質組分的分布。

1.4 填料

本文采用的填料為安徽產的礦粉，材料均勻，細度較好，與瀝青有效融合而成的瀝青膠漿黏聚性較強，其視密度為2.714 g/cm3，滿足JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術規范》[17]的要求。

1.5 鋼棉纖維

鋼棉纖維能夠改善瀝青混合料的抗彎拉能力、吸波效率，使受熱更加均勻。為改善微波加熱的發熱效率，本文采用鋼棉纖維作為外摻微波填料，鋼棉纖維密度為7.85 g/cm3，平均長度為4.2 mm，平均直徑為0.3 mm。

1.6 炭黑

炭黑能夠提高瀝青的加熱效率和高溫穩定性。炭黑的升溫速率高于鋼棉纖維，吸油性高，需更多的瀝青膠質穩定炭黑的分布，炭黑的加入能夠實現微波加熱條件下混合料內部的快速升溫。本文選取的炭黑密度為1.8 g/cm3，吸油值為104 mL/kg。

圖1 再生瀝青混合料AC-13級配曲線

2 試驗方案

試驗級配選用AC-13，為探究混合料技術性能隨RAP摻量的變化規律，分別制備了0%、30%、40%和50% RAP摻量下的再生瀝青混合料，級配參照JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術規范》的標準。再生瀝青混合料AC-13級配曲線如圖1所示。

采用普通熱再生和微波熱再生兩類不同再生技術進行試驗，微波熱再生與普通熱再生的主要區別在于：微波熱再生中RAP需先進行微波加熱，并且在混合料成型前再次通過微波加熱保溫。兩種加熱方式的試件成型過程分別如圖2和圖3所示。采用標準馬歇爾試驗設計方法，確定了不同RAP摻量混合料各級配的最佳油石比，結果如表3所示。

圖2 普通加熱方式成型再生瀝青混合料制備過程

圖3 微波加熱方式成型再生瀝青混合料制備過程

表3 不同RAP摻量下混合料最佳油石比

3 再生瀝青混合料路用性能

3.1 高溫穩定性

圖4 再生瀝青混合料貫入強度

本文采用了中度老化的RAP，再生瀝青混合料內部各材料組分的交融與分散排列是較為復雜的。試驗選擇3種RAP摻量，分別添加鋼棉纖維和炭黑，制備普通熱再生/微波熱再生瀝青混合料。所采用的單軸貫入試驗參照現行T 0713—2000《瀝青及瀝青混合料試驗規程》操作，評價混合料試件的高溫穩定性，并與天然瀝青混合料(0% RAP)進行性能對比。再生瀝青混合料貫入強度如圖4所示。

對于鋼棉纖維混合料試件而言，RAP的摻入使得貫入強度有所提升。其中，RAP摻量為40%時，微波熱再生試件和普通熱再生試件的貫入強度均最大，分別為1.264 MPa和1.236 MPa，相較于0% RAP的貫入強度分別提升了71.04%和67.25%。其主要原因是RAP表層裹附老化瀝青形成“黑色集料”，材料的貫入強度和耐久性提升，在荷載作用下產生的骨料嵌擠更加密實，產生變形的風險減小。此外，隨著RAP摻量的提升，再生瀝青混合料的貫入強度先升高后降低，微波熱再生瀝青混合料的貫入強度整體大于普通熱再生貫入強度，貫入強度提升了2.9%～13.1%，說明微波熱再生可以有效提高混合料的高溫性能。其主要原因是微波加熱使得RAP中的老化瀝青快速析出，與新瀝青的融合再生效果更明顯，混合料內部結構狀態更加穩定。對比兩種外摻劑對再生瀝青混合料高溫性能的影響，當RAP摻量為40%和50%時，鋼棉纖維試件貫入強度提升的幅度明顯超過炭黑，因為鋼棉纖維不僅起到了熱傳導混合料升溫和保溫作用，還通過纖維與瀝青膠漿的交織實現整體強度的提升，這與鋼棉纖維材料本身的彈性模量較高有關。

圖5 再生瀝青混合料CTindex試驗結果

圖6 再生瀝青混合料Wfb試驗結果

3.2 抗裂性能

本文選用理想開裂試驗(IDEAL-CT)，可有效評價瀝青混合料的抗裂性能。采用裂縫生長速率CTindex和開裂量Wfb兩個指標來評價再生瀝青混合料試件抗裂性能的變化，試驗結果如圖5和圖6所示。

由圖5可知：隨著RAP摻量的增加，CTindex值逐漸降低，說明試件的抗開裂水平下降，混合料的中溫抗裂性能不斷下降。RAP摻量為30%、40%和50%的鋼棉纖維微波熱再生瀝青混合料試件的抗裂縫擴展速度CTindex值與普通熱再生試件相比均有所提高，抗裂性能提升了9.6%～15.4%，這說明微波加熱可以有效改善瀝青混合料的抗裂性。隨著RAP摻量的不斷增加，試件中裂縫開展速度降低，抗裂性提升效果越來越好。微波熱再生瀝青混合料在成型過程中，分子之間的激烈碰撞促進各原材料緊密融合，高摻量RAP試件的改善效果更顯著。RAP摻量為30%、40%和50%的微波熱再生炭黑混合料試件與鋼棉纖維混合料試件相比，CTindex提升幅度更大，由此，可以看出炭黑作為微波填料比鋼棉纖維對抗裂性能的提升效果更好。

由圖6可知：RAP摻量為30%、40%和50%的鋼棉纖維微波熱再生瀝青混合料試件Wfb值與普通熱再生試件相比均有明顯提高，隨著RAP摻量的增加，開裂能Wfp也隨之增加。這說明微波加熱可以有效提升混合料試件的抗裂性能，抗裂效果更好。RAP摻量為30%、40%和50%的微波熱再生炭黑混合料試件與鋼棉纖維混合料試件相比，Wfb提升幅度更大，可以看出炭黑作為微波填料相對于鋼棉纖維，對中溫抗裂性的提升效果更好。

3.3 抗疲勞性能

四點彎曲疲勞試驗采用T 0739—2011《瀝青及瀝青混合料試驗規程》來評價摻加鋼棉纖維和炭黑的再生瀝青混合料的疲勞性能。本文選擇了3個應變水平，疲勞壽命涵蓋的范圍從幾千次到上百萬次，從而充分模擬瀝青混合料的疲勞特性。選用450×10-6ε、650×10-6ε和850×10-6ε這3個微應變控制水平，以勁度模量下降至初始勁度模量50%時作為疲勞失效的判據。

30%RAP摻量瀝青混合料在3種應變條件下的疲勞壽命如圖7所示。由圖7可知：相較于普通熱再生，不同RAP摻量下的微波熱再生瀝青混合料的疲勞壽命均有所提高，疲勞壽命提升20%以上，說明微波加熱可有效改善瀝青試件的疲勞性能。混合料試件的疲勞壽命隨著RAP摻量的提高而不斷降低，

圖7 不同類型瀝青混合料的疲勞壽命

這是因為RAP本質是廢舊瀝青混合料，集料在長期的服役過程中已產生內部損傷，在疲勞作用下易導致RAP的開裂破壞。摻加炭黑的再生瀝青混合料，其疲勞壽命比鋼棉纖維試件提升近90%，其主要原因是炭黑的升溫速率比鋼棉纖維高，炭黑在混合料中能夠有效增強混合料的微波加熱效率，促使新舊瀝青有效融合，瀝青的流動性和黏聚特性增強會使得混合料嵌擠更加密實，同樣可改善瀝青混合料的疲勞性能。

不同RAP摻量下，中應變水平時微波熱再生瀝青混合料試件的疲勞壽命與低應變相比明顯降低，但提升趨勢基本相同。摻加炭黑的混合料試件，其疲勞壽命仍明顯超過鋼棉纖維混合料試件，但提升幅度與低應變水平相比有所降低。

不同RAP摻量下，高應變時的微波熱再生瀝青混合料試件的疲勞壽命提升趨勢與其他應變相同。隨著應變增加，試件疲勞壽命逐漸降低。炭黑混合料試件疲勞壽命相較于鋼棉纖維混合料試件提升約50%，提升幅度隨著應變增加而降低，說明炭黑在低應變水平更有利于瀝青混合料疲勞性能的改善。

4 結論

(1)隨著RAP摻量的提升，再生瀝青混合料的高溫性能表現為先升高再降低，40% RAP摻量的再生瀝青混合料高溫穩定性最好，且微波加熱能夠進一步提高再生瀝青混合料的高溫穩定性。

(2)隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的開裂指數CTindex不斷降低，開裂量Wfb隨之增加，表明高RAP摻量下，再生瀝青混合料產生裂縫需要更大的荷載，抵抗裂縫產生的能力越強。微波加熱能夠提高再生瀝青混合料的初始開裂能并且降低裂縫擴展速率。

(3)隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的疲勞性能不斷下降。微波加熱能夠顯著提高再生瀝青混合料的抗疲勞性能。炭黑作為微波填料與鋼棉纖維相比，對于再生瀝青混合料在微波加熱作用下的中溫抗裂性能和抗疲勞性能提升效果更加顯著。

(4)對比普通熱再生，微波熱再生瀝青混合料具有更好的高溫穩定性、抗裂性能和抗疲勞性能。