微波加热改善再生沥青混合料路用性能

张永健，康爱红，李 波，肖 鹏，寇长江

(1.扬州大学 a.建筑科学与工程学院；b.城市规划与发展研究院，江苏 扬州 225127；2.江苏省玄武岩纤维复合建筑材料工程研究中心，江苏 扬州 225127)

0 引言

随着沥青路面再生技术的发展，国内外学者对其进行了深入研究。文献[1]采用不同类型的外掺剂制备了AC-13混合料试件，发现外掺剂能够提高试件的抗老化性能，但抗开裂性能有所降低。文献[2-3]掺入不同纤维制备混合料试件，发现纤维对试件的抗裂性有一定程度的改善，但对纤维的掺量及其他路用性能缺少研究。文献[4-5]认为：纤维能够有效稳定混合料内部的集料分布，纤维被加热后可以使沥青混合料均匀升温，使得水稳性能增强。文献[6-7]研究发现：掺加钢棉纤维可以使混合料的四点弯曲疲劳寿命延长2倍以上，但高温性能会有所降低。文献[8-9]研究表明：外掺剂的加入明显改善了沥青混合料初期的力学性能，对于提高混合料的耐久性能等有直接影响，但外掺剂在不同级配下的改善效果差异明显。以上研究说明：外掺剂可以提高铣刨料(recycling asphalt pavement, RAP)的利用率，并且提高路用性能[10-11]。文献[12]认为微波热再生能够实现RAP的快速加热，但热传导不均匀，石料微波加热的效果不理想。文献[13-14]研究发现：微波加热可使混合料受热均匀，升温较快。传统加热会导致RAP内外受热效果不均匀，导致性能劣化。微波加热与传统辐射加热不同，可以在较大深度范围内对混合料整体进行加热，有效避免传统加热方式在不同深度范围内受热不均的弊端。传统热再生过程中，混合料试件中的沥青融合效果不理想[15]，本文将微波加热用于RAP热再生，研究混合料性能演变规律。

1 原材料

1.1 沥青

本文选取江阴宝利生产的SBS改性沥青，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[16]对沥青的技术指标进行测试。SBS改性沥青性能指标及试验结果如表1所示。

1.2 集料

选用的粗细集料均产自镇江，材料质地均匀，无杂质，针片状含量较少，根据JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》[17]对集料密度进行测定，粗、细集料的毛体积相对密度分别为2.698和2.618。

表1 SBS改性沥青性能指标及试验结果

1.3 铣刨料

表2 回收RAP的检测指标和结果

本文采用的RAP为江苏沿海高速养护工程中铣刨、破碎产生的回收料，该路段沥青路面已服役6年，部分点位出现裂缝开展及车辙变形等病害。对回收的RAP进行沥青老化等级测试，检测指标和结果如表2所示。

由表2可知：沥青处于中等老化等级，RAP粒径分布较为均匀，部分细料裹附在沥青胶结料表层。采用添加新沥青的方式实现老化沥青的再生，其本质是通过低黏度的沥青来融合新老沥青，降低沥青黏聚特性的同时，调整老化沥青中胶质组分的分布。

1.4 填料

本文采用的填料为安徽产的矿粉，材料均匀，细度较好，与沥青有效融合而成的沥青胶浆黏聚性较强，其视密度为2.714 g/cm3，满足JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》[17]的要求。

1.5 钢棉纤维

钢棉纤维能够改善沥青混合料的抗弯拉能力、吸波效率，使受热更加均匀。为改善微波加热的发热效率，本文采用钢棉纤维作为外掺微波填料，钢棉纤维密度为7.85 g/cm3，平均长度为4.2 mm，平均直径为0.3 mm。

1.6 炭黑

炭黑能够提高沥青的加热效率和高温稳定性。炭黑的升温速率高于钢棉纤维，吸油性高，需更多的沥青胶质稳定炭黑的分布，炭黑的加入能够实现微波加热条件下混合料内部的快速升温。本文选取的炭黑密度为1.8 g/cm3，吸油值为104 mL/kg。

图1 再生沥青混合料AC-13级配曲线

2 试验方案

试验级配选用AC-13，为探究混合料技术性能随RAP掺量的变化规律，分别制备了0%、30%、40%和50% RAP掺量下的再生沥青混合料，级配参照JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》的标准。再生沥青混合料AC-13级配曲线如图1所示。

采用普通热再生和微波热再生两类不同再生技术进行试验，微波热再生与普通热再生的主要区别在于：微波热再生中RAP需先进行微波加热，并且在混合料成型前再次通过微波加热保温。两种加热方式的试件成型过程分别如图2和图3所示。采用标准马歇尔试验设计方法，确定了不同RAP掺量混合料各级配的最佳油石比，结果如表3所示。

图2 普通加热方式成型再生沥青混合料制备过程

图3 微波加热方式成型再生沥青混合料制备过程

表3 不同RAP掺量下混合料最佳油石比

3 再生沥青混合料路用性能

3.1 高温稳定性

图4 再生沥青混合料贯入强度

本文采用了中度老化的RAP，再生沥青混合料内部各材料组分的交融与分散排列是较为复杂的。试验选择3种RAP掺量，分别添加钢棉纤维和炭黑，制备普通热再生/微波热再生沥青混合料。所采用的单轴贯入试验参照现行T 0713—2000《沥青及沥青混合料试验规程》操作，评价混合料试件的高温稳定性，并与天然沥青混合料(0% RAP)进行性能对比。再生沥青混合料贯入强度如图4所示。

对于钢棉纤维混合料试件而言，RAP的掺入使得贯入强度有所提升。其中，RAP掺量为40%时，微波热再生试件和普通热再生试件的贯入强度均最大，分别为1.264 MPa和1.236 MPa，相较于0% RAP的贯入强度分别提升了71.04%和67.25%。其主要原因是RAP表层裹附老化沥青形成“黑色集料”，材料的贯入强度和耐久性提升，在荷载作用下产生的骨料嵌挤更加密实，产生变形的风险减小。此外，随着RAP掺量的提升，再生沥青混合料的贯入强度先升高后降低，微波热再生沥青混合料的贯入强度整体大于普通热再生贯入强度，贯入强度提升了2.9%～13.1%，说明微波热再生可以有效提高混合料的高温性能。其主要原因是微波加热使得RAP中的老化沥青快速析出，与新沥青的融合再生效果更明显，混合料内部结构状态更加稳定。对比两种外掺剂对再生沥青混合料高温性能的影响，当RAP掺量为40%和50%时，钢棉纤维试件贯入强度提升的幅度明显超过炭黑，因为钢棉纤维不仅起到了热传导混合料升温和保温作用，还通过纤维与沥青胶浆的交织实现整体强度的提升，这与钢棉纤维材料本身的弹性模量较高有关。

图5 再生沥青混合料CTindex试验结果

图6 再生沥青混合料Wfb试验结果

3.2 抗裂性能

本文选用理想开裂试验(IDEAL-CT)，可有效评价沥青混合料的抗裂性能。采用裂缝生长速率CTindex和开裂量Wfb两个指标来评价再生沥青混合料试件抗裂性能的变化，试验结果如图5和图6所示。

由图5可知：随着RAP掺量的增加，CTindex值逐渐降低，说明试件的抗开裂水平下降，混合料的中温抗裂性能不断下降。RAP掺量为30%、40%和50%的钢棉纤维微波热再生沥青混合料试件的抗裂缝扩展速度CTindex值与普通热再生试件相比均有所提高，抗裂性能提升了9.6%～15.4%，这说明微波加热可以有效改善沥青混合料的抗裂性。随着RAP掺量的不断增加，试件中裂缝开展速度降低，抗裂性提升效果越来越好。微波热再生沥青混合料在成型过程中，分子之间的激烈碰撞促进各原材料紧密融合，高掺量RAP试件的改善效果更显著。RAP掺量为30%、40%和50%的微波热再生炭黑混合料试件与钢棉纤维混合料试件相比，CTindex提升幅度更大，由此，可以看出炭黑作为微波填料比钢棉纤维对抗裂性能的提升效果更好。

由图6可知：RAP掺量为30%、40%和50%的钢棉纤维微波热再生沥青混合料试件Wfb值与普通热再生试件相比均有明显提高，随着RAP掺量的增加，开裂能Wfp也随之增加。这说明微波加热可以有效提升混合料试件的抗裂性能，抗裂效果更好。RAP掺量为30%、40%和50%的微波热再生炭黑混合料试件与钢棉纤维混合料试件相比，Wfb提升幅度更大，可以看出炭黑作为微波填料相对于钢棉纤维，对中温抗裂性的提升效果更好。

3.3 抗疲劳性能

四点弯曲疲劳试验采用T 0739—2011《沥青及沥青混合料试验规程》来评价掺加钢棉纤维和炭黑的再生沥青混合料的疲劳性能。本文选择了3个应变水平，疲劳寿命涵盖的范围从几千次到上百万次，从而充分模拟沥青混合料的疲劳特性。选用450×10-6ε、650×10-6ε和850×10-6ε这3个微应变控制水平，以劲度模量下降至初始劲度模量50%时作为疲劳失效的判据。

30%RAP掺量沥青混合料在3种应变条件下的疲劳寿命如图7所示。由图7可知：相较于普通热再生，不同RAP掺量下的微波热再生沥青混合料的疲劳寿命均有所提高，疲劳寿命提升20%以上，说明微波加热可有效改善沥青试件的疲劳性能。混合料试件的疲劳寿命随着RAP掺量的提高而不断降低，

图7 不同类型沥青混合料的疲劳寿命

这是因为RAP本质是废旧沥青混合料，集料在长期的服役过程中已产生内部损伤，在疲劳作用下易导致RAP的开裂破坏。掺加炭黑的再生沥青混合料，其疲劳寿命比钢棉纤维试件提升近90%，其主要原因是炭黑的升温速率比钢棉纤维高，炭黑在混合料中能够有效增强混合料的微波加热效率，促使新旧沥青有效融合，沥青的流动性和黏聚特性增强会使得混合料嵌挤更加密实，同样可改善沥青混合料的疲劳性能。

不同RAP掺量下，中应变水平时微波热再生沥青混合料试件的疲劳寿命与低应变相比明显降低，但提升趋势基本相同。掺加炭黑的混合料试件，其疲劳寿命仍明显超过钢棉纤维混合料试件，但提升幅度与低应变水平相比有所降低。

不同RAP掺量下，高应变时的微波热再生沥青混合料试件的疲劳寿命提升趋势与其他应变相同。随着应变增加，试件疲劳寿命逐渐降低。炭黑混合料试件疲劳寿命相较于钢棉纤维混合料试件提升约50%，提升幅度随着应变增加而降低，说明炭黑在低应变水平更有利于沥青混合料疲劳性能的改善。

4 结论

(1)随着RAP掺量的提升，再生沥青混合料的高温性能表现为先升高再降低，40% RAP掺量的再生沥青混合料高温稳定性最好，且微波加热能够进一步提高再生沥青混合料的高温稳定性。

(2)随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的开裂指数CTindex不断降低，开裂量Wfb随之增加，表明高RAP掺量下，再生沥青混合料产生裂缝需要更大的荷载，抵抗裂缝产生的能力越强。微波加热能够提高再生沥青混合料的初始开裂能并且降低裂缝扩展速率。

(3)随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的疲劳性能不断下降。微波加热能够显著提高再生沥青混合料的抗疲劳性能。炭黑作为微波填料与钢棉纤维相比，对于再生沥青混合料在微波加热作用下的中温抗裂性能和抗疲劳性能提升效果更加显著。

(4)对比普通热再生，微波热再生沥青混合料具有更好的高温稳定性、抗裂性能和抗疲劳性能。