植物油再生SBS改性沥青混合料路用性能研究

侯 芸，董元帅，李志豪，胡 森，曹雪娟

(1. 中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089； 2. 中国交建公路路面养护技术研发中心，北京 100083；3. 公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心 ，北京 100083； 4. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；5. 重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074)

0 引 言

2018年中国公路总里程为484.65万公里，其中养护里程为475.78万公里，占总里程的98.2%。伴随我国公路建设进入建设与养护并重的新阶段，研究者开始将旧沥青混合料(RAP)再生利用，以此取代新沥青混合料用于道路建设，实现废料循环利用、节能环保的目的，同时还具有较好的经济效益和环境效益。但当RAP掺量过高或者旧沥青老化严重时，会使得再生沥青路面较早发生病害。因此，研究者通常会在RAP中掺加沥青再生剂，以确保再生沥青混合料的路用性能。传统沥青再生剂一般由矿物油、改性剂、增黏树脂和增塑剂等组成，其中矿物油是占最大比例的组分，其主要作用是弥补沥青老化所损失的轻组分，增加芳香烃含量。但是矿物油中含有多种高致癌性的污染性物质多环芳香烃(PAHs)，如苊、菲、荧蒽、苯并和芘等，会对自然环境和人体健康造成严重危害[1]。同时传统沥青再生剂还存在使用成本过高，稳定性较差等缺点[2]。近几年，有研究者利用植物油再生老化沥青，与传统矿物油再生剂相比，植物油再生剂具有良好的环境友好性、低挥发性、低毒性和可再生性等优点[3-4]。以3种常见植物油和一种传统矿物油再生剂对两种不同RAP掺量SBS改性沥青混合料进行再生，通过相关室内试验评价再生SBS改性沥青混合料的路用性能，研究4种再生剂的再生效果，为植物油再生剂的使用提供一定参考。

1 试验准备

1.1 原材料

1.1.1 沥 青

选用70#基质沥青和SBS改性剂(线型YH-791)制备SBS改性沥青。同时依照JTG E20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》，通过RTFOT和PAV两种老化方式对SBS改性沥青进行室内模拟老化。SBS改性沥青老化前后各项常规物理性能指标如表1。

表1 原样SBS改性沥青、老化沥青各项性能指标Table 1 Performance indexes of original SBS modified asphalt andaging asphalt

1.1.2 再生剂

4种再生剂分别为新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生剂，如图1。4种油基本物化指标见表2。

图1 4种再生剂(从左往右依次为：新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生剂)Fig. 1 Four regenerants(from left to right: fresh vegetable oil,fried vegetable oil, vegetable diesel oil, traditional mineraloil regenerant)

表2 4种再生剂基本物化指标Table 2 Basic physicochemical indexes of four regenerants

1.1.3 再生沥青制备

分别将0%、3%、6%、9%(质量分数，下同)的再生剂掺量入老化SBS改性沥青，采用高速剪切机混合制备再生SBS改性沥青[5-6]。以老化沥青的常规物理性能恢复至原样沥青水平确定再生剂掺量，通过室内试验表明，当新鲜植物油掺量为4.5%、煎炸植物油掺量为6.0%、植物柴油掺量为6.5%、传统矿物油再生剂掺量为7.0%时，老化沥青的针入度、软化点以及延度指标恢复效果较好，试验结果见表3。由此确定新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生剂的最佳掺量分别为4.5%、6.0%、6.5%、7.0%。

表3 再生沥青各项性能指标Table 3 Performance indexes of recycled asphalt

1.1.4 级 配

RAP取自级配类型为AC-13的重庆某高速公路沥青混凝土表面层，由于旧集料出现明显细化，所以需加入新集料以调整再生沥青混合料级配使其满足规范要求。根据取样路段实际情况，新集料选择石灰岩。对所选集料的主要技术指标，按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行检测，试验结果表明各项技术指标均满足规范要求。再生沥青混合料级配曲线如图2。笔者选择30%和50%两种RAP掺量来探究不同RAP掺量对沥青混合料再生效果的影响。

图2 再生沥青混合料级配曲线Fig. 2 Gradation curve of recycled asphalt mixture

1.1.5 最佳油石比

结合表3可以看出，当4种再生剂为最佳掺量时，4种再生沥青的常规物理性能基本一致，因此采用一种再生剂即可确定两种不同RAP掺量的再生沥青混合料的最佳油石比。笔者以煎炸植物油作为再生剂，掺量为6.0%，并通过马歇尔试验确定了30%和50%两种RAP掺量的再生沥青混合料的最佳油石比分别为4.8%和4.7%。如表4，各项指标均在相关规范范围以内。

表4 马歇尔试验结果Table 4 Marshall test results

1.2 试验方案

首先确定再生沥青混合料的级配和30%、

50%

两种RAP掺量下再生沥青混合料的最佳油石比，然后在各自油石比最佳的情况下，分别以最佳掺量的4种再生剂对30%、50%两种RAP掺量的老化沥青混合料进行再生，最后对其再生沥青混合料进行相关室内试验，研究对比不同再生剂的再生效果。

2 结果与讨论

2.1 高温稳定性

在高温状态下，高温稳定性良好的沥青混合料能够保证沥青路面材料不易出现变形、推移以及车辙等现象，进而使得道路的服务水平得以提升[7-8]。根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0719—2011试验方法，对4种再生沥青混合料进行车辙试验，通过动稳定度指标表征其高温稳定性，试验结果如图3。

图3 沥青混合料动稳定度Fig. 3 Dynamic stability of asphalt mixture

由图3可知，原样沥青和老化沥青混合料的动稳定度均满足规范要求(动稳定度≥2 400次/mm)，同时相较于原样沥青，老化沥青的动稳定度提高15.49%。在30%和50%的掺量条件下，4种再生沥青混合料的动稳定度从大到小依次为：新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生剂，均满足规范要求，但均不如老化沥青混合料。当RAP掺量为30%时，新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生混合料的动稳定度相对于老化沥青混合料分别降低了2.69%、5.09%、5.17%、10.58%；当RAP掺量为50%时，新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生混合料的动稳定度均大于其掺量为30%的再生沥青混合料，同时相较于老化沥青混合料分别降低了1.70%、3.10%、4.25%、9.80%。通过以上分析，可知无论是掺入何种再生剂都会对老化沥青混合料抵抗车辙变形的能力产生不利影响，但4种再生沥青混合料的动稳定度均能达到规范要求，所以其均满足路面使用要求。

以动稳定度为指标来表征的青混合料高温稳定性。因此，4种再生沥青混合料的高温性能均优于原样沥青混合料，这是由于RAP的掺入，RAP中的老化沥青轻质油分丧失，沥青质增加，沥青变硬，使老化后沥青混合料抵抗车辙变形的能力显著增强[9]。同时从图3可以看出，在再生剂相同的条件下，RAP掺量越大其动稳定度越高，也证明了这一观点。在相同RAP掺量下，4种再生沥青混合料的高温稳定性均满足路用性能使用要求，其中以新鲜植物油再生沥青混合料最好。

2.2 低温抗裂性

低温抗裂性是沥青路面的主要使用性能之一。在低温条件下，低温抗裂性良好的沥青混合料不易产生裂缝，从而保证在实际使用过程中车辆的安全通行。根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0715—2011试验方法，对4种再生沥青混合料进行小梁弯曲试验，通过弯拉应变指标表征其低温抗裂性，试验结果如图4。

图4 旧料掺量与最大弯拉应变关系Fig. 4 The relationship between the content of used material andthe maximum bending strain

从图4可以看出，与原样沥青混合料相比，老化沥青混合料的最大弯拉应变发生明显的降低，且不满足规范要求(弯拉应变≥2 300 με)，表明其低温抗裂性变差。在30%和50%的掺量条件下，4种再生沥青混合料的最大弯拉应变从大到小依次为：新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生剂。当RAP掺量为30%时，与老化沥青混合料相比较，新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生沥青混合料的最大弯拉应变分别提高了45.00%、42.5%、35.00%、30.00%，且均满足规范要求。表明4种再生剂掺入有利于老化沥青混合料抵抗低温开裂的能力。当RAP掺量为50%时，新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生沥青混合料与老化沥青混合料相比较，最大弯拉应变分别提高了25.00%、20.00%、17.50%、10.00%。表明在RAP掺量过多情况下，4种再生剂对老化沥青混合料的低温抗裂性改善效果有限。试验结果表明：3种植物油再生剂对老化沥青混合料低温抗裂性的再生效果均好于传统矿物油再生剂，其中新鲜植物油最好。在RAP掺量过多时，4种再生剂的再生效果相差不大，这是由于RAP中的沥青老化严重，低温性能变差，虽然植物油再生剂的加入使其低温性能得到改善，达到与普通混合料接近的水平，但随着RAP掺量的增多，旧料的影响逐渐突出，从而使混合料的性能下降[10]。 RAP有较好的抗高温车辙能力，植物油再生剂有益于改善老化混合料的低温抗裂性能，因此，需要适当的调整RAP与植物油再生剂的掺配比例，就能保证再生沥青混合料既具有较高的高温稳定性又具有较好的低温抗裂性。

2.3 水稳定性

水能浸入沥青中导致混合料的强度和劲度减小，同时也能进入沥青薄膜和集料之间，阻断沥青与集料之间的黏结力，使道路出现坑槽、松散等路面影响[11-12]。目前，对于水稳定性的评价方法甚多，笔者采用冻融劈裂试验评价4种再生沥青混合料水稳定性，试验结果如表5。

从表5可以看出，与原样沥青混合料相比，老化沥青混合料的水稳定性下降了19.30%，且不满足JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求(残留强度比≥75%)。当RAP掺量为30%时，新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生沥青混合料的残留强度比(TSR)相较于老化沥青混合料分别提高了5.95%、6.48%、7.29%、9.19%，表明4种再生剂的加入均改善了老化沥青混合料的水稳定性，且均满足规范要求；4种再生沥青混合料的TSR从大到小依次为：传统矿物油再生剂、植物柴油、煎炸植物油、新鲜植物油。当RAP掺量为50%时，新鲜植物油、煎炸植物油、植物柴油、传统矿物油再生沥青混合料的TSR分别为73.69%、72.73%、73.31%、74.70%，均不满足规范要求。

表5 马歇尔试验结果再生沥青混合料水稳定性试验结果Table 5 Marshall test results water stability test results ofrecycled asphalt mixture

沥青混合料的水稳定性主要受集料的物化特性、沥青的性质和混合料空隙率等因素影响。与老化沥青混合料相比，再生沥青混合料受再生剂对水稳性改善作用和旧沥青黏度的影响，其水稳性有所提升，当RAP掺量为30%时，4种再生沥青混合料的水稳性均满足规范要求，其中传统矿物油再生剂再生效果最好，其他3种植物油再生剂的再生效果相差不大；随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料级配不均匀、旧集料表面活性低等因素的不利影响也渐渐突显出来，以致影响混合料的水稳性能，当RAP掺量为50%时，4种再生剂的掺入均不能有效改善老化沥青混合料的水稳定性能，因此应控制RAP掺配比例。

3 结 论

1)通过对4种再生SBS改性沥青混合料的路用性能进行测试，3种植物油再生SBS改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性均优于传统矿物油再生SBS改性沥青混合料，水稳定性相差不大。

2)用4种再生剂对老化SBS改性沥青混合料进行再生，当RAP掺量为30%时，其高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性均有所恢复且满足规范要求；当RAP掺量为50%时，其高温稳定性和低温抗裂性均有所恢复且满足规范要求，但水稳定性恢复效果不佳。

3)基于本研究试验条件下，采用4种再生剂对老化SBS改性沥青混合料进行再生，当RAP掺量为30%，油石比为4.8%时，以4.5%的新鲜植物油作为再生剂对老化SBS改性沥青混合料再生效果最佳。