再生瀝青膠結(jié)料性能試驗研究

馮 鐸

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

路面在長期交通荷載及環(huán)境因素的交互作用下使用性能逐漸下降，造成路面服務(wù)質(zhì)量低下，每年有大量的路面需要養(yǎng)護維修。截至2019年底，甘肅省公路總里程達(dá)到15.14萬km，其中，高速公路達(dá)到4 453 km，一級公路達(dá)到763 km，二級公路達(dá)到1.05萬km。隨著甘肅省高速公路通車?yán)锍痰目焖僭鲩L、道路服務(wù)年限的增加，高速公路已進入建設(shè)與養(yǎng)護并重的時期。2008年以前建成的高速公路普遍進入正常維修養(yǎng)護期，路面養(yǎng)護將產(chǎn)生大量的廢舊路面材料，將廢舊路面材料再生循環(huán)應(yīng)用于公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和養(yǎng)護，一方面可以減少環(huán)境污染，另一方面對于砂石資源匱乏的甘肅則是變綠色節(jié)能建筑材料利用，降低筑養(yǎng)路成本，有助于實現(xiàn)公路交通可持續(xù)發(fā)展[1]。

廢舊瀝青混合料中廢舊瀝青的性能及老化程度對再生混合料的設(shè)計與路用性能起重要作用[2]。從工程實際出發(fā)，再生瀝青混合料中摻入的新瀝青和礦料性能基本可以保證，但是廢舊瀝青混合料的性能難以準(zhǔn)確評價，這就容易導(dǎo)致再生瀝青混合料的設(shè)計脫離工程實際。

因此，本研究依托甘肅省高速公路不同維修改造段面層銑刨料，分析回收瀝青的基本組分，探討瀝青再生機理，在此基礎(chǔ)上研究不同新瀝青摻量的再生瀝青膠結(jié)料基本性能，為再生瀝青混合料設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 回收瀝青基本性能研究

瀝青材料在運送、加工、施工及使用過程中，因長時間暴露在空氣中，受到風(fēng)吹雨淋、日照、溫度變化等自然環(huán)境及車輛碾壓交互作用下會產(chǎn)生一系列的物理及化學(xué)變化。因此，有必要對廢舊瀝青混合料中的廢舊瀝青性質(zhì)進行研究。本研究采用甘肅不同維修改造段面層銑刨料，使用離心分離法得到含有舊瀝青的三氯乙烯溶液，用阿布森法回收溶液中的舊瀝青，然后分別對回收瀝青和90#克拉瑪依新瀝青進行組分試驗，分析瀝青老化前后化學(xué)組分的變化，新舊瀝青4組分變化如圖1所示。

圖1 新舊瀝青四組分對比分析圖

瀝青4大組分中，瀝青質(zhì)為瀝青強度的來源；膠質(zhì)呈多環(huán)結(jié)構(gòu)，溫度敏感性大，能與油性成分兼容，產(chǎn)生良好的黏附力，作為瀝青質(zhì)與油性成分間的助溶劑，膠質(zhì)含量多，瀝青延度大，韌性高；飽和分、芳香分作為瀝青質(zhì)與膠質(zhì)的稀釋劑，飽和分可增加瀝青低溫延展性和抗老化能力，但含量過多時，容易導(dǎo)致疲勞破壞[3]。由圖1可知新瀝青中瀝青質(zhì)含量較低，膠質(zhì)含量高。回收廢舊混合料中的瀝青組分與新瀝青相比較：瀝青質(zhì)增加了9.84%，膠質(zhì)減小了13.18%。瀝青老化過程中是芳香分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)。在長期老化后產(chǎn)生了高比例的瀝青質(zhì)、飽和分和低比例的芳香分及膠質(zhì)，使得舊瀝青變硬，流動性和可塑性變差[4]。

選取3種不同的銑刨料進行基本性能測試，結(jié)果見表1。舊瀝青混合料中的瀝青由于老化導(dǎo)致其組成發(fā)生變化，軟化點有一定程度的提高，這可以從宏觀上說明老化瀝青的高溫性能得到改善，針入度和延度不同程度下降，說明瀝青經(jīng)過老化，彈性喪失嚴(yán)重，力學(xué)性衰減。美國工程經(jīng)驗表明回收瀝青的針入度在15（0.1 mm）以上就具有可再生性[5]，日本《長拌再生技術(shù)指南》中要求回收瀝青針入度在20（0.1 mm）以上時可進行再生[6]，中國《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求熱再生時回收瀝青的25 ℃針入度在20（0.1 mm）以上[7]，因此，本研究采用的回收瀝青具備可再生性。

表1 新舊瀝青基本性能試驗結(jié)果

2 回收瀝青流變性能研究

SHRP（Strategic Highway Research Program）瀝青PG系統(tǒng)分級可以從流變性能方面說明瀝青的高低溫特性。文章分別對新瀝青和回收瀝青進行動態(tài)剪切流變（DSR）試驗，測得不同溫度（58 ℃，64 ℃和70 ℃）狀態(tài)下瀝青的復(fù)合模量（G*）和相位角（δ），評價瀝青老化性能。試驗結(jié)果見表2。

表2 新舊瀝青動態(tài)剪切試驗結(jié)果

由表2可知，回收瀝青的復(fù)合模量比新瀝青高出很多，特別是低溫部分。隨著溫度的升高，這個差距逐漸縮小。同時，老化瀝青的復(fù)合模量隨溫度升高而降低的斜率要遠(yuǎn)大于新瀝青，相位角隨溫度的變化表現(xiàn)為低于普通瀝青。綜合復(fù)合模量和相位角的變化，可以認(rèn)為瀝青材料的老化引起了彈性組分的明顯增加，這使瀝青的流變性能從偏黏性轉(zhuǎn)化為偏彈性。

3 回收瀝青再生機理及再生膠結(jié)料性能研究

3.1 回收瀝青再生機理

瀝青混合料再生指在廢舊瀝青混合料中摻入新的瀝青膠結(jié)料（或軟化劑、再生劑）發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)形成新的膠結(jié)料，與集料進行裹附后形成具有良好路用性能的再生瀝青混合料[8]。瀝青材料隨著使用時間的增加，各組分的比例及化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，瀝青質(zhì)成分逐漸增加，瀝青組分中作為溶劑的部分較新鮮瀝青減少很多，導(dǎo)致瀝青路用性能變差，瀝青變硬變脆且與礦料間的黏附性變差。老化瀝青的再生，主要在于恢復(fù)老化瀝青的力學(xué)性能及黏附性能，通過提高廢舊瀝青中溶劑的含量，縮小老化瀝青與新鮮瀝青中溶劑的差值，就能恢復(fù)老化瀝青的路用性能[9]。

作以下假設(shè)：（1）采用新鮮瀝青作為基底瀝青，新舊瀝青能產(chǎn)生膠合現(xiàn)象；（2）若給予充分的反應(yīng)時間，新舊瀝青可以均勻拌和在一起。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，瀝青再生的原理就是在老化瀝青材料中添加新瀝青、軟化劑或再生劑，重新調(diào)整瀝青內(nèi)部化學(xué)成分的比例，分散瀝青質(zhì)，補充芳香分，降低瀝青黏度，改善低溫流動性，使老化瀝青恢復(fù)其基本性能，讓再生瀝青混合料的抗車轍、穩(wěn)定性、耐久性能達(dá)到路用性能要求[10]。

3.2 再生瀝青膠結(jié)料基本性能研究

本研究采用克拉瑪依90#新瀝青作為軟化劑進行復(fù)配，將不同比例新瀝青分別加入三種不同回收瀝青中，依次添加10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，在135 ℃加熱混合后形成新的瀝青膠結(jié)料，分別測定各膠結(jié)料的針入度、軟化點、延度基本性能指標(biāo)及黏度和復(fù)合模量，分析不同添加比例的瀝青性能指標(biāo)變化規(guī)律。

（1）再生瀝青針入度試驗結(jié)果分析。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，針入度試驗（25 ℃，100 g，5 s）結(jié)果可作為瀝青軟硬程度的判定并且可用來進行瀝青等級分級。針入度可用來評估回收瀝青添加量的比例，如圖2所示，添加新瀝青對回收老化瀝青的硬化程度有著顯著的影響，針入度值隨著新瀝青添加量的增加而相增加。

圖2 不同比例新瀝青添加量與針入度的關(guān)系

對針入度值與不同新瀝青含量的關(guān)系進行分析可知，針入度為25左右的回收瀝青加入40%的新瀝青進行軟化后，其針入度可提高2.5～3倍。當(dāng)新瀝青摻量達(dá)到50%以上時，再生瀝青膠結(jié)料的針入度性能與新瀝青短期老化后的指標(biāo)值相當(dāng)[10]，且摻量在50%以內(nèi)時，針入度恢復(fù)速率較快，超過50%后，針入度增長率減慢。

（2）再生瀝青軟化點試驗結(jié)果分析。軟化點試驗的目的在于觀察瀝青到達(dá)流動狀態(tài)時所對應(yīng)的溫度，可作為路面高溫變形指標(biāo)。不同種類回收瀝青與軟化點溫度關(guān)系如圖3所示，作為軟化劑的新瀝青軟化點為44 ℃，并隨新瀝青摻量增加而減少，當(dāng)新瀝青摻量為0時，3種回收瀝青的軟化點值分別為65℃、66 ℃及67.5 ℃，由此分析，每增加10%新瀝青，軟化點降低2.22 ℃左右。

圖3 不同比例新瀝青添加量與軟化點的關(guān)系

（3）再生瀝青延度試驗結(jié)果分析。摻加不同比例新瀝青的延度變化見圖4。隨著新瀝青摻量的增加，再生瀝青膠結(jié)料15 ℃延度隨著新瀝青摻量的增大而增大。即隨著新瀝青摻量的增加，再生瀝青膠結(jié)料的低溫延展性逐漸恢復(fù)。當(dāng)新瀝青摻量達(dá)到40%時，再生瀝青膠結(jié)料的延度性能與新瀝青短期老化后的指標(biāo)值相當(dāng)。

圖4 不同比例新瀝青添加量與延度的關(guān)系

綜上，當(dāng)新瀝青摻量在40%～50%時，再生瀝青膠漿的指標(biāo)性能與新瀝青短期老化后的指標(biāo)相近。當(dāng)摻量持續(xù)增大時，有助于提高低溫性能，對高溫性能不利。從性能指標(biāo)恢復(fù)程度要求及經(jīng)濟性考量，新瀝青摻量宜控制在50%左右。摻量過小，再生瀝青膠結(jié)料路用性能得不到保證，路面使用性能較難控制；摻量過大，再生瀝青利用率不高，造成資源浪費，經(jīng)濟效益不顯著。

根據(jù)再生混合料設(shè)計文件的瀝青性能指標(biāo)要求，結(jié)合回收瀝青的性能試驗結(jié)果，可確定廢舊瀝青混合料的最佳添加比例。廢舊瀝青混合料摻量在滿足性能指標(biāo)要求前提下，充分利用廢舊瀝青混合料，更達(dá)到環(huán)保及資源再生的目的。實際應(yīng)用過程中根據(jù)不同回收瀝青老化程度不同、采用的新鮮瀝青、再生劑、軟化劑等不同，應(yīng)結(jié)合實際情況進行試驗確定。

4 結(jié)論

本研究針對回收瀝青的組分進行了檢測與分析，在此基礎(chǔ)上進行了不同回收瀝青摻量的再生瀝青膠結(jié)料性能研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）回收瀝青的組分中瀝青質(zhì)、飽和分增加，膠質(zhì)、芳香分減少，使得舊瀝青變硬，流動性和可塑性變差。

（2）回收瀝青的針入度和15 ℃延度不同程度的下降，軟化點有一定程度的提高，流變參數(shù)復(fù)合模量G*值增大，相位角降低，這可以從宏觀上說明老化使瀝青的高溫性能得到改善。

（3）再生瀝青膠結(jié)料針入度、延度隨新瀝青摻量增加而增加，軟化點隨新瀝青摻量提高而降低，從瀝青性能恢復(fù)角度和經(jīng)濟性角度考慮，新瀝青摻量宜控制在50%左右。