不添加沥青的路面沥青混合料再生新方法＊

舒立恒 葛折圣

（华南理工大学土木与交通学院 广州 510641）

0 引 言

在现有路面的改造工程中，回收的沥青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）常被用作面层的原料，而不是废料丢弃.再生沥青混合料的用量因沥青高价格，集料的稀缺，废料产生的环境问题而大大增长［1］.

过去30年涌现出许多再生方法，例如，厂拌热再生、就地热再生，厂拌冷再生、就地冷再生.对于这2种冷再生，RAP可作为集料被利用，且在生产再生料时不需要额外加热.再生时，在拌和站或现场将RAP与新的乳化沥青或泡沫沥青，再生剂混合搅拌，有时可能还要加入新的集料来改善级配［2－5］.

与热再生相比，冷再生的最大优点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，旧路面的废料可以被完全利用.大量在沥青混合料中使用RAP降低了成本和能源，节省了沥青和集料，降低了生产过程中的废料.冷再生也可以延长施工季节，减少环境污染.

冷再生混合料技术成为道路工程中的热门研究方向，但现有的沥青路面冷再生方法只将RAP当做集料，另外添加沥青作为皎洁料.RAP中的老化沥青固然丧失了许多性能，但它和再生剂混合后也可作为一种有效的胶结料使用.因此，对老化沥青的再生可以进一步促进冷再生技术的发展和应用.

文中提出一种新的沥青混合料常温再生方法，在不添加新沥青的情况下有效再生RAP中的旧沥青；然后用RAP制备了标准的马歇尔芯样和APA试样.随后比较常温乳化再生混合料与乳化沥青冷再生混合料的强度、水稳定性和疲劳性能，分析得出结论.

1 材料与实验方法

1.1 材料

回收沥青路面材料采用某高速公路维修工程的RAP.燃烧试验表明油石比为4.3%.筛分结果见表1.

表1 燃烧试验后的RAP级配

从老化沥青混合料中抽提得到的沥青性能见表2.

表2 从RAP中提取出沥青的性能

水泥选用32.5号的普通硅酸盐水泥，在混合料中质量比为1.5%.

再生剂对石油沥青有很大的溶解能力，且为了不影响再生混合料的性能，再生剂要有很好的挥发性，起到充分溶解老化沥青效果之后，要适时及时挥发完全，在此基础上，还要考虑到环保问题，尽量选择易挥发低毒的有机溶剂.选择的溶剂为二甲苯.

选择W－5型乳化剂，一种阳离子慢裂木质素胺沥青乳化剂.易溶于水和酸溶液，对沥青有很好的乳化效果.

改性剂是一种细粒径的丙烯酸共聚物乳液，呈白色，其具有优良的稳定性和分散性，通过掺入改性剂，提高混合料强度、变形能力和水稳定性.

所以材料RAP配比见表3.

表3 RAP配比 %

1.2 试验方法

1.2.1 试件成型与养生方法

首先，在RAP中加入溶剂，拌和3min，以溶解其中的老化沥青.由图1b）可见，RAP中溶出了一定量的液体沥青.

其次，加入乳化剂和水，拌和2min.由图1c）可见，乳化剂与液体沥青相互作用生成了乳化沥青.

最后加入水泥，拌和1.5min.获得再生混合料如图1d）所示.

采用马歇尔击实仪，双面击实75次成型马歇尔试件.

在60℃烘箱中养生3d，脱模；然后放回60℃烘箱中，养生之恒重.

采用振动压实机成型梁式试件用于浸水疲劳试验，试件尺寸为300mm×125mm×75mm.成型后60℃烘箱养生至质量损失小于2%，然后脱模，继续60℃烘箱养生至恒重，即养生结束.

图1 用新方法制备再生沥青混合料

1.2.2 再生混合料的老化再生方法

室内短期老化和长期老化方法处理经过初次再生的5种配比的混合料.短期老化是将拌好的混合料在搪瓷盘中均匀摊铺，控制松铺厚度约为20kg／m2.混合料放入135℃强制通风的烘箱中，加热4h，每个小时均用铲在装有混合料的搪瓷盘中翻拌一次混合料.待加热时间达4h后，将混合料从烘箱取出，待用.

长期老化是将短期老化的混合料在搪瓷盘中均匀摊铺，放入85℃强制通风的烘箱中，连续加热120h.等到达指定加热时间后取出混合料，在冷却过程中不断翻拌沥青混合料，避免结块，待用.

1.2.3 浸水劈裂试验方法

将养生结束后马歇尔试件放入25℃恒温水箱中养生23h，然后放入15℃恒温水箱中养生1h.在MTS－810试验机上进行劈裂试验.试验温度15℃，加载速率为50mm／min.

1.2.4 劈裂疲劳试验方法

用MTS－810作为试验仪器.研究结果表明，虽然全国各地气温的有很大变化，但就沥青混合料来说，疲劳破坏温度主要集中在13～15℃之间，这个温度刚好是北方春融期及南方地区雨季的温度.这个季节路面结构强度会有很明显的减弱，是其抗疲劳性能最不利时期［6］.“公路沥青路面的设计规范”中采用的是15℃容许拉应力的参考值，因此，劈裂疲劳试验温度为15℃.

加载频率为10Hz；荷载波形为半正矢波；应力比为0.3，0.5，0.7.在进行疲劳试验之前，对表1中5种配比的再生混合料进行15℃劈裂试验，以便能确定在不同的应力水平下所应对试件施加的荷载值.

1.2.5 浸水疲劳试验

采用沥青路面分析仪（asphalt pavement analyzer，APA）进行浸水疲劳试验.

该设备主要由加载系统、温控系统、水浴系统、数据采集系统和操作面板等部分组成.采用APA进行试验时，一次测试3个梁式试件.APA共有左、中、右3个加载轮，在被测试试件和加载轮之间有充气橡胶管，试验时，通过加载凹形轮在充气橡胶管上来回作用来模拟车辆在行驶过程中对沥青路面的作用.加载轮以一定的压力在试验试件上往返运动，传感器自动采集试件表面竖向的位移变形量，然后传送给计算机系统.加载过程见图2.每运行一次加载轮，数据采集系统采集数据一次.

图2 APA试验机的加载装置

浸水疲劳试验过程中将试件和橡胶管都浸入水中，在加载轮来回作用的时候，当其运行至某处，则该处将会因为受到较大的压力而使橡胶管产生较大的变形，这样橡胶管和试件表面的水会被挤走，当加载轮移走之后水又重新涌入.加载轮的往返作用使水不断被挤出和涌入混合料内部，以此形成对沥青混合料的冲刷，从而使得沥青膜剥落、集料松散，最终导致沥青混合料的粘结力下降，强度随之降低.

试验温度为15℃，疲劳试验轮压为1 113N，受力模式为简支梁形式，试件的下半部处于弯拉状态.

疲劳破坏判据：位移传感器第N次测得竖向的位移变形量和在此之前10次测得的竖向位移变形平均值之差达预先设定的位移差值（rate of change，ROC）时，操作系统即认为试件已破坏.在美国ASTM中推荐ROC值为1mm，因为当试件趋近断裂或者挠度很大时的ROC值在1.0 mm左右.当在试验进行过程中测得差值超过1.0 mm时，试验将自动停止［7］.

2 结果及分析

2.1 浸水劈裂试验结果

初始再生的沥青混合料的浸水劈裂强度及破坏时的最大变形量见表4.

表4 初次再生沥青混合料的浸水劈裂强度及最大变形量

由表5可以见，前4组常温溶解乳化再生混合料的浸水劈裂强度是对比组常规乳化沥青冷再生混合料的1.6～2.3倍；随着乳化剂加量的减少，再生混合料的浸水劈裂强度逐渐减小，表明乳化剂对试件浸水劈裂强度贡献较改性剂大；除配比2外，其他各组常温溶解乳化再生混合料的最大变形量均大于对比组常规乳化沥青冷再生混合料；随着改性剂加量增多变形量呈现增大（减小吧）趋势，表明改性剂很好的改善了初次再生混合料的变形性能.

2.2 劈裂疲劳试验结果

各应力水平下初次再生的沥青混合料的疲劳寿命见图3.

图3 不同应力水平下初次再生混合料的疲劳寿命的比较

由图3可知，前4组常温溶解乳化再生混合料的劈裂疲劳性能明显优于 对比组常规乳化沥青冷再生混合料；随着应力比的增加，疲劳寿命逐渐降低，几种再生混合料的疲劳寿命更加接近.

2.3 APA浸水疲劳试验结果

APA疲劳试验过程中，试件呈现的弯拉破坏特征，试件中部变形量最大，底部出现明显裂纹，为有底向上裂纹.

再生混合料的APA浸水疲劳试验结果见表5.

表5 再生混合料APA浸水疲劳试验结果

由表5可知，前4组再生混合料的浸水疲劳寿命是对比组再生混合料的1.3～2.1倍；其中配比2和配比3的疲劳性能更为突出，表明乳化剂和改性剂的共同作用对浸水疲劳性能的贡献较大；前4组再生混合料的浸水疲劳试件的最大变形量为对比组的1.1～1.2倍.结果表明常温溶解乳化再生混合料疲劳性能优于乳化沥青冷再生混合料.

3 结束语

文中提出一种新的沥青混合料常温再生方法，在RAP中添加溶剂和乳化剂，有效再生RAP中的老化沥青，初次再生混合料的劈裂强度、水稳定性和疲劳性能均优于乳化沥青冷再生混合料.其中配比2（1.5%溶剂、0.1%乳化剂、0.05%改性剂）的再生混合料的劈裂强度、水稳定性和疲劳性能损失率较低，表明改性剂和乳化剂的共同作用有利于提高再生混合料的耐久性.在室内试验证明了这种新再生方法的适用性.

其中，配比2再生混合料的劈裂强度2.3倍于现有的乳化沥青冷再生混合料；配比2再生料的疲劳寿命在不同的应力比下均数倍于乳化沥青冷再生混合料，低应力比下疲劳寿命增加的倍数更多；在模拟路面浸水行车的APA中，配比2的混合料性能达到乳化沥青冷再生混合料的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］王旭东，沙爱民，许志鸿.沥青路面材料动力特性与动态参数［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［7］吴 平，崔 鹏，谢 军.APA沥青混合料疲劳性能试验研究［J］.中外公路，2003（1）：86－89.