生物质再生剂对再生沥青混合料性能影响研究

蒋恒 苟宏伟 陈致远 张明月

摘要：为探究生物质再生剂对再生沥青混合料陛能的影响，本研究运用颗粒裹覆率、马歇尔模数、残留稳定度及抗压强度四个指标，评价不同掺量生物质再生剂和RAP对再生沥青混合料性能的影响，同时对生物质再生剂的应用效果进行探究。结果表明：生物质再生剂可有效提高再生沥青混合料的拌和均匀性、高温性能、水稳定性、力学性能，同时提高RAP掺量时，其各项性能呈现下降趋势，但RAP掺量超过30%时，再生混合料水稳定性能下降放缓。通过对生物质再生剂混合料试验段压实度及渗水系数进行检测，压实度及渗水系数均满足规范要求，生物质再生剂应用效果良好。

关键词：道路工程;生物质再生剂;再生沥青混合料;RAP;性能試验

中图分类号：U414文献标志码：A

0引言

沥青路面凭借优良的行车舒适性、路用性能，而被广泛应用于高速公路。自1984年第一条沥青高速公路——京津塘高速公路建成通车以来，沥青高速公路经历了三十多年发展，沥青路面在高速公路中的占比已超过90%。沥青高速公路在运营过程中会因氧气、光照、水等因素产生老化，使其功能不断降低，我国大量沥青路面已进入大修期。旧沥青路面维修过程中将产生大量废旧沥青混合料，这会引发恶劣的环境问题及能源浪费。为此，道路研究者们率先开展对废旧沥青混合料再沥青用的研究。

目前废旧沥青混合料（RAP）的再利用率较低，相关研究人员将沥青铣刨料应用于密级配沥青稳定碎石中，但可掺配率不超过20%。因此，如何提高RAP利用率是再生混合料研究的重点。Nahar等研究表明，在RAP中掺入再生剂可软化老化沥青，加速新旧沥青融合，分散结团旧料，从而提高RAP利用率。

生物质再生剂是近年来兴起的一种新型再生剂，Raouf研究了三种不同类型的生物油再生剂对沥青结合料的影响;Fini对基于猪肥料转化获得的生物胶结料的特性及其在沥青胶结料中的应用展开研究，发现该类生物再生剂可改变沥青低温性能但降低沥青高温性能;龚明辉通过对生物乙醇类、生物柴油类及环氧植物油类基质油分比选，最终研发了一种环氧植物油基生物油再生剂，并分析其对沥青与沥青混合料的影响;肖庆一等研究表明，废机油再生剂可恢复RAP中老化沥青粘弹性和高温性能，但对其水敏感性不利，同时可改善高旧料含量热拌再生沥青混合料低温抗裂性能;廖晓峰通过试验表明生物结合料强度及高温稳定性不足，但可显著改善沥青混合料低温性能;宋昭睿的研究却表明生物质再生剂自身具有较优良的高温稳定性，对沥青再生后，可软化沥青同时提高沥青粘度及延度。本研究采用室内性能试验研究生物质再生剂对再生沥青混合料性能影响，并基于对其实际应用效果展开探究。

1原材料

1.1RAP

本试验中的RAP取自广东某高速公路铣刨料，为保证后续再生沥青混合料级配稳定，本试验将RAP过筛分为0-5mm、5-10mm、10-20mm，并利用抽提法测定各档RAP筛分结果，见表1所列。

1.2再生剂

本试验再生剂采用基于菜籽油制备的生物质再生剂，主要性能见表2所列。

1.3沥青

本试验新沥青采用90号基质沥青，其性能指标见表3所列。

2再生混合料设计

2.1再生混合料级配

本试验再生混合料级配选用AC-20型级配，不同RAP掺量再生混合料根据表1筛分结果，掺入新集料配制，AC-20设计级配见表4所列，级配曲线如图1所示。

2.2油石比

参考《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），针对本AC-20型级配选取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%制备马歇试件，测试计算其毛体积密度、空隙率（vv）、稳定度、流值、矿料间隙率（vMA）、沥青饱和度（VFA）六项指标，如表5。

通过马歇尔试验方法，测得不掺RAP的沥青混合料最佳油石比为4.3%，20%、25%、30%、35%和40%RAP掺量最佳油石比则分别为3.7%、3.4%、3.2%、3.1%和2.9%。

3试验设计与结果分析

3.1试验设计

本室内性能试验主要针对再生剂对不同RAP掺量再生沥青混合料，再生剂掺量选择为最佳沥青用量的4%、5%、6%、7%、8%，RAP掺量分别选取混合料总质量的20%、25%、30%、35%和40%。

3.1.1颗粒裹覆率试验

本试验采用颗粒裹覆率试验对沥青混合料拌和均匀性进行评价，具体试验参数为：于120℃下拌和沥青混合料，拌和均匀后过9.5mm筛孔筛分出500g粗颗粒，清点颗粒数量，并检查其表面裹覆程度，若颗粒表面有细微未裹覆斑点视为“部分裹覆”，无斑点则为“完全裹覆”，二者之比即为颗粒裹覆率。

3.1.2马歇尔稳定试验

本试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行马歇尔稳定度测定试件残留稳定度和马歇尔模数。

3.1.360℃单轴压缩试验

单轴压缩试验参照ASTM D1074-09试验方法，具体试验参数为：将标准马歇尔试件置于60℃烘箱24h，而后于室温冷却2h，并于25℃养生4h。试验过程中UTM机施加应力为20.7MPa，加载速率为5.08mm/min，于90℃试验温度下加载2min测定试件60℃抗压强度。

3.2结果分析

3.2.1拌和均匀性

以9.5mm以上粒径颗粒裹覆率作为沥青混合料拌和均匀性评价指标，试验结果如图2所示。

由图2可知：

（1）提高RAP掺量会降低沥青混合料颗粒裹覆率。图2中未掺再生剂时，20%RAP掺量混合料颗粒裹覆率达到了94.3%，相比之下，25%RAP掺量时混合料颗粒裹覆率仅为93.3%，继续掺入RAP，混合料颗粒裹覆率持续下降，40%RAP掺量混合料颗粒裹覆率仅为89.8%，这是由于老化沥青含量过高导致沥青与集料间粘附性不足，在拌和过程中沥青较易从集料表面脱落，“部分裹覆”颗粒数量增多，从而造成混合料颗粒裹覆率降低、拌和不充分。

（2）掺人生物质再生剂可显著提高沥青混合料颗粒裹覆率。对于20%RAP混合料，当生物质再生剂掺量由0%增加至8%时，颗粒裹覆率由94.3%增大至98.5%，增幅为3.2%;继续提高再生剂掺量，颗粒裹覆率增幅放缓，8%掺量时裹覆率为98.5%。由此可见，再生剂可有效软化RAP中老化沥青，增大沥青与集料间粘结作用，从而提高沥青混合料拌和均匀性。

3.2.2高温性能

沥青混合料马歇尔模数与抗车辙性能间有较好相关性，可以用于评价其高温性能，马歇尔模数计算结果如图3所示。

由图3可知：

（1）随着RAP掺量增加，沥青混合料马歇尔模數逐渐增大。在未掺入再生剂时，RAP掺量达25%时，混合料马歇尔模数超过5kN/mm，不满足要求;继续掺加RAP至40%，其马歇尔模数可高达7.4kN/mm，这主要是由于RAP掺量增加后沥青混合料中硬质老化沥青比例增大，使得混合料高温下抗塑性变形能力增强，从而其流值快速降低、马歇尔模数增大，但老化沥青比例增大也会导致混合料承载力降低，于抗车辙性能不利。

（2）沥青混合料马歇尔模数随着再生剂掺量增加呈现下降趋势。图3中，不掺人再生剂情况下，混合料马歇尔模数均不低于5kN/mm，掺入4%再生剂后，各掺量下混合料的马歇尔模量均大幅下降;继续掺入再生剂至8%，降幅放缓，说明4%生物质再生掺量下混合料具有较高的技术经济效益。

3.2.3水稳定性

残留稳定度是表征混合料水稳定性的主要指标之一，残留稳定度越大表示沥青混合料的抗水损害能力越强，通常认为沥青路面残留稳定度不低于80%时，则其具备较好的抗水损害能力，不同掺量再生剂及RAP再生混合料的残留稳定度测试结果如图4所示。

由图4可知：

（1）提高RAP掺量会显著降低混合料抗水损害能力。随RAP掺量增加，再生混合料的残留稳定度降低，不掺再生剂情况，当RAP掺量达到25%时，混合料便表现出较低的水稳定性。但随着再生剂掺量达到30%时，残留稳定度降幅放缓，这可能由于老化沥青对集料具有较好的裹覆性，水分难以侵入结构沥青内部。

（2）掺入生物质再生剂后，混合料的残留稳定度稍有提高。混合料的水稳定性随再生剂掺量增加而提高，呈现先增加迅速后缓慢的趋势，如25%RAP掺量再生混合料，再生剂掺量从4%提高至5%及5%掺量提高至6%两阶段，残留稳定度分别提高了7.1%及1.7%。这是由于再生剂可显著恢复旧沥青的粘结性能，提高其与集料裹覆性，从而提高混合料水稳定性。

3.2.4力学性能

单轴压缩试验操作简便，试验指标也较为直观，可用于评价沥青混合料力学性能，60°C单轴压缩试验结果如图5所示。

由图5可知：

（1）提高RAP掺量会显著降低沥青混合料抗压强度。沥青混合料抗压强度随着RAP掺量的增加而降低，未掺再生剂时，低掺量20%及25%时混合料力学性能较为相近，继续掺入RAP至40%，抗压强度下降了1.5kPa，可见高RAP掺量对沥青混合料力学性能影响较大。

（2）掺人生物质再生剂后沥青混合料抗压强度有显著改善。图5中，掺入再生剂后沥青混合料抗压强度随着RAP掺量增大而降低的趋势有所缓解。不掺加再生剂时，当RAP掺量从20%提高Zi～40%，混合料抗压强度下降了1.5kPa;当掺入8%再生剂后，RAP掺量从20%提高至40%时其抗压强度由1.76kPa降低至1.07kPa，仅降低了0.7kPa，可见掺人生物质再生剂可显著改善沥青混合料力学性能。

4再生混合料应用性能检验

为检验生物质再生混合料的应用效果，参考《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）对采用该生物再生剂的铺筑试验段（RAP掺量为30%、再生剂掺量为5%）进行压实度、渗水系数检测。

4.1压实度

压实度采用无核密度仪检测，其测试原理为通过高频无线电波测试沥青路面介电常数，再通过转换器将电场信号转换为密度，该设备具有高效、快速、无损及对检测人员无辐射伤害等优点。压实度检测每组测试13个点，取平均值进行压实度计算，计算公式见（1）。压实度检测结果见表6所列。

其中K为压实度，单位%;p1为无核密度仪测试的路面压实沥青混合料实际密度，单位g/cm³;po为沥青混合料标准密度。

由表6可知，压实度均值为98.9%，各点压实度测试值均满足《公路工程质量检验评定标准》（JTG F801-2012）对于试验段压实度大于98%的要求，说明生物质再生剂具有良好的应用效果。

4.2渗水系数

渗水系数是评价路面渗水性能的主要指标，指在规定水压下，水在单位时间内在规定面积路面渗入路面的水量，其一定程度上反映混合料抗水损害能力，路面封水性能好，水分难以侵蚀到沥青路面内部而造成水损害。渗水系数采用渗水仪检测，检测过程中若量筒中的水面下降较慢，记录3min中的渗水量，若下降较快则记录水面达到500mL刻度线的时间，并按照下式计算渗水系数。

现场检测过程中，每次测试5个点，计算平均值作为测试结果，渗水系数检测结果见表7所列。

由表7可知，再生沥青混合料路面渗水系数均值为7.19mL/min，各点测试结果均满足规范要求，渗水系数较小，沥青路面基本不渗水，具备较好的抗水损害能力，说明生物质再生剂具有良好的应用效果。

5结论

生物质沥青再生剂是近几年一种新兴起的掺人生物质再生剂。本研究对基于菜籽油制备的再生剂对老化沥青混合料的再生效果展开研究，并探究该生物质再生剂的实际应用效果。结果发现，生物质再生剂可显著改善沥青混合料拌和均匀性、高温性能、力学性能和水稳定性，这是因为生物质再生剂的掺人可恢复老化沥青性能;提高RAP掺量降低再生混合料各项性能，但高掺时水稳定性能降幅放缓，这可能是由于水分难以侵入老化沥青与集料粘结紧密的界面中;通过试验检测结果发现生物质再生剂的应用效果良好，压实度及渗水系数均能满足规范要求。