高掺量温拌再生沥青混合料设计及性能研究

熊文涛1 梁艳峰 肖振江

（1.苏交科集团股份有限公司，南京 211112；2.云南交投集团投资有限公司，昆明 650000）

截止2018年底，我国公路总里程达到484.65×104km，其中高速公路里程14.26×104km。交通运输部《“十三五”公路养护管理发展纲要》指出：十三五期间是我国公路由过去以基础设施建设为主向建设、养护、管理、服务并重转变，更加突出养护、管理、服务工作的重要转型期。随着交通流量的迅速增长及早期修建的公路陆续达到服务年限，养护工作量将越来越大。按照平均10 a 一次大修、5 a 一次中修测算，我国公路每年大中修里程将达到80×104km，其中高速公路将超过1.4×104 km。据统计，每年翻修开挖出来的旧沥青混合料在1 000×104t 以上[1]，每年产生的路面废料对环境、资源、能源产生了巨大的压力，已成为必须面对和亟需解决的问题。

目前公路沥青路面的再生技术主要有五种类型[2]。厂拌热再生是应用最为广泛的沥青路面再生技术，且再生混合料性能最为优良。然而在厂拌热再生过程中，受到输送功率以及旧料拌和温度的限制，旧料添加比例一般很难超过25%。刘唐志[3]等人通过对不同RAP 料掺量（0、30%、40%、50%）下Evotherm 温拌再生沥青混合料路用性能的研究，得出该温拌再生沥青混合料的最佳RAP 料掺量为40%。秦永春、黄颂昌等[4]研究表明，改性和未改性的温拌沥青混合料可分别比相应的热拌沥青混合料节约能耗28.7%和22.9 %。Graham C.Hurley 和Brian D.Prowel[5]等人研究表明，添加Evotherm 的沥青混合料回弹模量增大，抗车辙能力增强且抗水损坏能力较强。谭忆秋等[6]采用四点弯曲疲劳试验对温拌再生混合料的疲劳性能进行评价，研究结果表明，温拌再生混合料的耐久性能优异，且RAP 掺量可增加至45%。李佳坤等[7]研究了RAP 掺量对基于DTA 温拌剂的温拌生混合料的路用性能影响。已有研究表明，RAP 掺量增加可有效提高沥青混合料的抗车辙性能[8]。

温拌和再生技术的结合应用，一方面可以减少有害气体的排放和减轻再生混合料在生产拌制过程中的老化和二次老化，提升施工环境的舒适性，提高对旧沥青的再生恢复效果[9]，另一方面在现有工艺条件和能耗水平下，可提高旧料利用比例，应用潜力巨大，具有突出的社会和经济意义。因此，本试验针对基于温拌的高掺量厂拌热再生混合料进行了研究。

1 试验研究方案

（1）RAP 掺加比例

温拌再生沥青混合料的性能很大程度上与旧料的掺配比例有关。相关研究表明，为保证厂拌热再生沥青混合料的各项使用性能，其中RAP的掺量不宜大于20%[10]。为了尽可能地利用旧沥青混合料，研究温拌技术提高RAP 掺量的可行性，本次试验旧料RAP 的使用比例分别选择为20%和40%。

（2）新沥青的选择

新添加的沥青性质直接关系到再生沥青混合料的性质。McDaniel 和Shah[11]引用Bonaquist 的方法对不同 RAP 掺量的混合料进行试验，发现当 RAP 掺量低于15%时，新旧沥青的混溶程度将近100%，当RAP 掺量高于40%时，新旧沥青则达不到100%混溶。参照美国的AASHTO 标准，高掺量RAP（＞20%）的再生沥青混合料，需要改变新沥青等级。因此，针对RAP 比例分别为20%和40%的再生沥青混合料，需要选择适宜的新沥青的标号，并测试新旧沥青融和后的PG等级，研究老化沥青的性能恢复情况。

（3）温拌剂的选择与应用

采用温拌技术，能降低施工拌和、碾压温度30 ℃以上，降低旧沥青在混合过程中的二次老化。本文使用美国生产的表面活性类温拌技术Evotherm，研究高掺量温拌再生混合料的路用性能，室内试验40%RAP 的再生混合料，Evotherm掺加比例为添加剂∶沥青=10 ∶90。

对于添加温拌剂的温拌再生沥青混合料，温度是一个十分重要的参数。结合已有研究成果，试验前，将称量好的新集料、旧沥青混合料、新沥青及矿粉进行加热，试验温度选择如表1所示。

表1 温度控制 ℃

拌和时先添加新集料，然后添加旧沥青混合料，再添加新沥青，最后添加温拌剂Evotherm，温拌剂添加在新沥青和旧沥青混合料表面，避免与新集料直接接触，Evotherm 与沥青反应过程见图1。所有的沥青混合料在相应的温度下拌和，采用旋转压实成型。

图1 添加温拌剂Evotherm 反应照片

2 高掺量温拌再生沥青混合料设计

2.1 高掺量温拌再生混合料级配设计

依据Superpave 设计方法，以2.36 mm 筛孔为控制点。在选择20%和40%RAP 的Sup20 混合料结构时，设计了2.36 mm 筛孔通过率分别为23.8%（20%RAP）和26.4%（40%RAP）的级配曲线。20%和40%RAP 的Sup20 试验级配的试验级配曲线见图2。

图2 试验级配曲线

2.2 新沥青选择及沥青含量的确定

（1）新沥青的选择

新添加的沥青性质直接关系到再生沥青混合料的性质。我国JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》[12]中关于沥青等级的选择主要参照了美国的方法，根据旧沥青的针入度、旧沥青混合料的掺量来确定。具体的要求如表2。

如果要根据新旧沥青调合法则确定新沥青的标号，按照下面公式确定新沥青的黏度。

式中：ηmin——混合后沥青的60 ℃黏度（Pa·s）；

ηold——混合前旧沥青的60 ℃黏度（Pa·s）；

ηnew——混合前新沥青或再生剂的60 ℃黏度（Pa·s）；

α——新沥青的比例。

表2 再生混合料新沥青的选择

本研究中采用的旧沥青混合料回收沥青以及70 号、90 号沥青的试验结果如表3所示，RAP回收沥青针入度为38 1/10 mm，掺配比例为20%时，所以选用70 号沥青，沥青等级不需要变化。掺配比例为40%时，根据新旧沥青调合法则确定新沥青的标号，需改变沥青等级，选用90 号沥青。

表3 RAP 回收老化沥青及70 号、90 号沥青测试结果

（2）沥青含量的计算。

本研究的集料级配，根据集料的性质（密度和吸水率）进行计算，20%和40%RAP 的Sup-20 混合料的估算沥青用量见表4。

表4 估算沥青用量汇总表

表4中：Gsb——总集料的毛体积相对密度（总集料有粗集料、细集料及填料组成）；

Gsa——总集料表观相对密度；

Gse——集料有效相对密度；

Vba——吸收进集料的沥青胶结料体积，cm3；

Vbe——有效沥青胶结料的体积，cm3；

Ws——每立方厘米混合料中集料质量，g；

Pbi——估算沥青用量，%。

3 温拌再生沥青的PG 研究

沥青的老化是路面再生技术研究的重要方面。本研究采用动态剪切流变仪DSR（如图3所示）和低温弯曲流变仪BBR（如图4所示），检测70 号原样沥青、20%RAP 再生混合料Sup-20回收沥青、40%RAP+Evotherm 的温拌再生混合料Sup-20 回收沥青的PG 等级，分析老化沥青性能恢复情况，其PG 等级情况如表5所示。

表5 温拌和热拌再生沥青的PG 等级

从表5可以看出：

（1）20%RAP 再生混合料回收的沥青，与70号原样沥青相比，沥青的高温等级提高8 ℃，低温等级增加4 ℃。试验表明，混入一定数量的RAP 使沥青的刚度增加，与以往研究成果一致。

（2）40%RAP+Evotherm 高掺量温拌再生混合料回收的沥青，较20%RAP 再生混合料高温等级降低2 ℃。以往研究成果，随着RAP 使用比例增加，沥青高温等级预计会进一步提高。因此，温拌剂的掺入有利于恢复老化沥青的性能。

图3 动态剪切流变仪DSR

图4 低温弯曲流变仪BBR

4 高掺量温拌再生沥青混合料路用性能评价

4.1 动态模量试验

采用基本性能试验机（SPT）进行单轴压缩动态模量试验（图5），测试在不同温度（低温5 ℃、常温25 ℃、高温55 ℃）和荷载作用频率（25 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.1 Hz）下混合料的动态模量│E*│，用于评价温拌再生沥青混合料的劲度。选定参考温度为20 ℃，采用时温等效原理，绘制20%RAP 与40%RAP+Evotherm再生混合料Sup-20 的主曲线如图6所示。

从图6可以看出：

（1）沥青混合料的动态模量受温度和加载频率的影响显著，两种混合料表现出相同的规律，随着温度的升高，混合料的动态模量会明显降低。

（2）沥青混合料的动态模量与加载频率呈双对数关系，高模量发生在低温、高频率，处在图的右边；低模量发生在高温、低频率。在低温、高频荷载作用下，20%RAP 与40%RAP+Evotherm 再生混合料Sup-20 的动态模量比较接近；而在高温、低频荷载作用下，40%RAP+Evotherm 再生混合料Sup-20的动态模量比20%RAP 再生混合料高。表明高掺量温再生沥青混合料的抗车辙永久变形能力更强。

图5 基本性能试验机（SPT）

图6 20%与40%RAP 再生混合料Sup-20 动态模量对比

4.2 高温车辙试验

采用60 ℃车辙试验对20%RAP 和40%RAP再生混合料Sup-20 的高温稳定性能的验证，试验结果分别见表6。

沥青路面的车辙问题是随着社会发展，交通量及重载车辆增加后，路面破坏的一个重点问题。通过车辙试验可以确定沥青混合料的高温稳定性，这也是沥青混合料性能检测中最主要的指标。从表6可以看出，20%RAP 和40%RAP 掺量的再生混合料Sup-20，动稳定度均满足≥1 000 次/mm的规范要求，具有较好的高温稳定性。

表6 车辙试验结果汇总表

4.3 低温小梁弯曲试验

采用小梁弯曲试验来评价再生混合料的低温抗裂性能。试验条件：温度-10 ℃，速率50 mm/min，试验结果如表7和表8所示。

表7 20%RAP 再生混合料Sup-20 小梁弯曲试验结果

表8 40%RAP 再生混合料Sup-20（+Evotherm）小梁弯曲试验结果

从表7和表8可以看出，20%RAP 和40%RAP的再生混合料Sup-20，其破坏应变均满足≥2 000με的技术要求。且掺加温拌剂Evotherm 的40%RAP 的再生混合料Sup-20，其最大破坏荷载、跨中挠度、抗弯拉强度及破坏应变等指标均高于20%RAP 掺量的Sup-20，说明掺加温拌剂Evotherm 能够有效提升高掺量再生混合料的低温性能。

4.4 水稳定性试验

采用AASHTO T283 试验，检验20%RAP 和40%RAP 再生混合料Sup-20 的抗水损害能力，试验结果分别见表9。

从表9可以看出，20%RAP 和40%RAP 的再生混合料Sup-20，其冻融劈裂强度比TSR均满足≥80%的技术要求，具有较好的水稳定性。

5 实体工程验证

S325 省道起于淮安境内丁集东与237 省道相交处，止于宿迁境内本路和324 省道交叉处，连接了淮安、宿迁两大地级市，是一条东西向的快速干线。项目路段通车多年，目前已出现了不同程度的路面病害，以裂缝、龟裂为主，并伴有较为少量的唧浆，路面使用状况一般。

考虑到材料的循坏利用以及环境友好的要求，按照前文设计配合比及沥青用量，铺筑高掺量温拌厂拌热再生Sup-20 混合料的试验段，RAP的掺配比例达到40%，实现了废旧路面材料的高效再生利用。

对再生后的路面钻芯取样，芯样压实度检测，结果如表10所示。实施后的再生路面状况如图7所示。根据现场检测结果表明，试验段铺筑后外观表面平整密实，压实度均满足技术要求。

表9 AASHTO T283 试验结果

表10 试验段路面芯样高度及压实度

图7 施工后的再生路面

6 结论

从配合比设计、胶结料PG 研究、混合料的性能试验等方面，对温拌用于高掺量再生混合料的可行性进行研究，并应用于实体工程施工，取得了良好的效果。主要结论如下：

（1）温拌技术用于高掺量厂拌热再生，一方面可恢复老化沥青的性能，另一方面可提高RAP料的掺加比例。

（2）沥青胶结料PG 结果表明，40%RAP+Evotherm高掺量温拌再生混合料回收的沥青，高温等级降低2 ℃，温拌剂的掺入有利于改善老化沥青的性能。

（3）混合料路用性能试验结果表明，高掺量温拌再生混合料的各项路用性能符合技术要求，且40%RAP+Evotherm 再生混合料Sup-20 表现出更好的高温抗车辙变形能力。

（4）S325 省道实体工程应用结果表明，温拌技术用于厂拌热再生，RAP 的掺配比例达到40%，实现了废旧路面材料的高效再生利用。