再生剂对回收沥青混合料性能的影响研究

向 波 高世豪

(河南省第二公路工程有限公司 郑州 450000)

1 沥青再生技术发展概况研究

目前中国二级以上的公路主要采用半刚性基层沥青路面[1]。并且我国大部分公路已进入改扩建和养护期。不论从环保角度和经济角度，对旧沥青的循环再利用，都具有重要的现实意义。

1.1 沥青混合料再生技术发展

再生利用沥青混合料主要是充分利用旧路面材料中的碎石及沥青，最大程度地利用资源。沥青再生技术能够全面处理沥青路面维护时回收的废料，对旧路面沥青进行循环利用，降低公路工程建设进程中对沥青及原料资源的购买量和缓解相关资源压力，具有显著的社会效益，鉴于此回收沥青混合料再生利用已成为学者探讨的焦点。

20世纪80年代中后期，世界各国对沥青混合料再生技术较为重视，美国路用沥青混合料有近一半是用再生沥青。德、日、法、荷等国家研发和应用较快。同时，工厂冷再生和就地再生法也被应用在低等级路面。国外AUSTROADS(澳洲)在沥青路面材料再生研究中，掺入60%回收沥青混合料的路面同传统沥青混合料的路面寿命相同，且能增强路面的抗车辙能力。美国学者研究也表明再生沥青混合料路面同全新沥青混合料路面的使用寿命及性能无差别。日本的《厂拌再生沥青铺装技术指南》指出，在苛刻条件下的重交通路面中应用热拌再生沥青混合料，若质量管控恰当，路面性能与新料铺装路面无差别。然而，这些研究中回收沥青混合料的再生都必须应用再生剂来改变旧沥青混合料的性能，进而控制回收沥青混合料的再生质量。

1.2 再生剂的分子状态和扩散效果

再生剂不仅改变了回收沥青路面材料的分子状态和性能，再生剂类型及使用量直接决定着再生沥青混合料的长期性能和短期性能。短期性能要求再生剂要迅速溶解至回收沥青路面材料的胶结料中，且活化旧沥青的性能，利用形成均匀混合料涂层降低再生混合料的变形敏感度，以免其摩擦系数的降低。同时，在回收沥青路面材料中，再生剂无法完全扩散，进而造成再生混合料的不均匀。国内沥青再生剂扩散机理与扩散模拟试验研究表明[3]，再生剂扩散需要经过形成集料膜、渗入回收沥青路面材料胶结料、渗透过程中使胶结料黏度降低，在一定时间作用下形成再生膜，并实现再生剂渗透的平衡[4]。在扩散过程中，温度、再生剂分子扩散结构刚度、分子作用力、分子形状及大小、微观结构等均会影响再生剂的扩散效果。

1.3 沥青再生技术指标

再生利用沥青混合料中，改性沥青(SBS)的使用量很大，沥青改性技术占据了我国改性沥青的90%以上。性能优良的基质沥青是保证改性沥青路用性能的重要保障。其中，对改性沥青成本影响最显著的是SBS的掺量，改性技术是SBS+稳定剂+改性剂。沥青混合料掺入适量的SBS、再生剂能增强路面抗疲劳，密实耐久，抗高温和车辙，减少低温开裂性能[5]。另外旧路面老化沥青取材方便，施工经验成熟，且造价相对较低，沥青再生技术很受青睐。然而，改性沥青(SBS)受热时降解，大分子变成小分子，软化点和延度等性能指标均会下降，须改变RAP二次抗老化性能，使其有足够的高温稳定性和低温抗裂性，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求(表1)。

表1 沥青再生技术指标要求

根据表1再生技术指标检测要求，SBS类改性沥青的针入度(25℃渗透性)、延度(5℃)、软化点、运动黏度、闪点、溶解度、弹性恢复等技术指标，使沥青能够在使路面设计的使用年限内，满足交通承载力、耐久性、舒适性和安全性的要求，确保工程质量、降低工程造价的目的。

2 再生剂掺量控制对再生混合料性能的影响

2.1 再生剂掺量对旧沥青混合料性能的影响

沥青再生剂可以提高RAP的利用率。在混合料热拌再生工艺中，再生剂掺量的确很关键[6]。适宜的再生剂能够加速与老化沥青的反应，进而能够生产出优质再生胶结料。但是，优质的再生剂价格昂贵,只有控制好再生剂掺量，才能保证高掺量RAP在新建路面的利用。本研究共设置5种比例再生剂0%、4%、8%、12%、16%配合比成型试件，采用同一标准进行试验研究。环形加载试验结果见表2。

表2 不同比例的再生剂环形加载试验

由表2环形加载试验数据发现，再生剂7%～9%掺量，优于0～14% 和12%～16%掺配比的再生混合料。其中，8%掺量的极限荷载达17.293/kN，极限荷载值最大；掺量从8%增大到12%时极限荷载为14.92/kN；掺量从12%再增大到16%时极限荷载减至14.86/kN，随着再生剂掺量增加极限荷载逐渐减小。所以，再生剂掺量不是越多越好，合理的再生剂掺配比有助于改善旧沥青与集料之间的黏结强度，增强RAP的柔韧性和低温抗裂性[7]。环形加载试验数据表明，再生剂8%为最佳掺量，而30%的RAP料掺配率几乎接近新拌沥青混合料，再生混合料的水稳定性能达到相关规范标准。

2.2 敏感性再生剂对沥青混合料的影响

敏感性再生剂对沥青混合料的改善程度有重要影响。敏感性再生剂能够改变混合料中微波能量的分布规律，加快再生混合料降温、升温速率，使其高于未使用再生剂的沥青混合料[8]。敏感性再生剂扩散过程中，促进了沥青胶体结构的分子形状及大小、结构刚度、分子作用力发生改变，进而实现生沥青胶结块扩散再生效果[9]。与不掺加敏感性再生剂的旧沥青路面材料相比，应用敏感性再生剂的再生混合料的低温抗裂性能提高，高温下的稳定性能增强，敏感性再生剂+沥青混合料的冻融劈裂强度比值可达到94.52%，敏感性再生剂对沥青混合料热拌再生的效果显著[10]。

大量工程实践表明，在沥青混合料与敏感性再生剂RAP的比较中，低黏度再生剂掺入后，能够降低再生后沥青混合料的高温性能；而敏感性高黏度再生剂则可提高其高温稳定性。同时，加入了敏感性再生剂的RAP柔韧性和低温抗裂性显著增强，改善了黏结性。

2.3 再生剂拌和时间、温度对旧沥青混料的影响

拌和时间可以改善再生混合料的性能。既定拌和时间内，再生剂与RAP的高温性能，优于再生剂与新沥青拌和均匀度。这是因为再生剂与RAP的融合，需要相当长的时间，厂拌热再生工艺中时间约60s，由60s增加到90s时，RAP材料均匀密实，旧料与新沥青间的融合充分，空隙率更低，再生混合料的高温稳定性指标提高[10]。RAP的拌和时间、温度与再生混合料的空隙率关系如图1所示。

图1 RAP加热温度与再生混合料空隙率关系

从图1拌和时间的影响可以看出，再生剂的拌和时间直接影响材料造价[11]。所以，在生产过程中，保证材料拌和温度和时间符合工艺要求的基础上，严格控制拌和时间。

3 再生沥青混合料(RAP)二次老化性能试验

3.1 低温小梁弯曲试验

研究RAP二次抗老化性能的方法很多，本研究通过小梁低温弯曲试验对不同再生类型的RAP掺配比例进行弯拉强度、弯拉应变、劲度模量研究，试验把RAP分为RAP-1组和 RAP-2组，RAP-1组取材某省道中面层的70#基质旧沥青，RAP-2组取材某省道的上面层SBS改性沥青。两组旧集料级配：AC-16C型、AC-13型。新添加的沥青料，则为基质沥青AH-70#、改性沥青SBS I-C型。对上述两组RAP经过一四分、二抽提、三清洗、四烘干、五筛分后，取得粗集料的技术指标。掺入再生剂(ZS)，其具有较好的亲和性、渗透性，在改善旧沥青流变性能方面效果较好，其主要指标见表3。试验严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG F20-2011)标准和要求，着重对RAP的二次抗老化性能加以研究，旧料掺配比例为30%，试验结果见表4。

表3 (ZS)再生剂主要技术指标

表4 小梁低温弯曲试验数据

从表4小梁低温弯曲试验数据表明：二次老化后的RAP性能有所改变，弯拉强度较之前有所上升，与此对应的是弯拉应变明显下降，因此导致劲度模量升高显著，低温抗裂降幅明显。计算数值显示，在二次老化后30%RAP-1试样，AC-16C型级配的弯拉应变值平均下降18.97%；AC-13型级配的弯拉应变值平均下降14.89%，说明AC-13型级配的弯拉应变值小于AC-16C型级配的，两种级配相比，AC-13型级配再生路面的低温抗开裂能力更好。同时，二次老化后的RAP+再生剂的弯拉应变下降数值大于未加入再生剂的RAP，其弯拉应变数值也大于未加入再生剂的RAP，这说明添加再生剂能有效改善RAP的低温开裂。

3.2 冻融劈裂试验

劲度模量值增大这一沥青老化后的特征，虽有利于高温条件下保持再生沥青路面的稳定性，但在低温条件下，受行车荷载、水损害、环境因素的叠加影响，沥青路面易发生裂缝病害[12]。裂缝将加速沥青路面水损害，为消除沥青路面裂缝的影响，本研究以龄期28d试件，吸水饱和后置于15～20℃反复冻融循环，通过冻融劈裂试验，对AC-16C与AC-13试件展开二次老化前后的冻融循环对比研究，结果显示在10～100次冻融循环试验下，经二次老化后再生剂的性能虽有明显退化，但从其长期抗水损坏方面看，沥青混合料的水稳定性仍很强。冻融循环劈裂试验结果见表5。

表5 冻融循环劈裂试验数据

从表5冻融劈裂试验数据表明：二次老化后的RAP，其冻融循环残留强度比10次时较高，经几十次冻融循环后残留强度逐渐减低，这显示短期内RAP经二次老化后，其水稳定性没有较大影响，但在长期过程中，其水稳定性影响大。经计算得出，二次老化后的AC-13型级配的多次冻融循环残留强度比为8.99%<10.99%的AC-16C型级配，数据显示二次老化后，经多次冻融循环后AC-13型级配在长期水稳定性强于AC-16C型级配。

3.3 试件再生剂的渗透性能评价

综合表4、表5的试验数据分析得出，AC-13和AC-16C 试件再生沥青混合料其低温抗裂性能显著、水稳定性能较高，与新拌的沥青混合料性能基本接近。在长期抗低温开裂方面、水损坏方面，试件AC-13型级配的表现抗冻等级>AC-16C 型级配。据此对小梁裂缝应变进行评价，再生剂掺量为7%～9%时，其抵抗疲劳性、水稳定性及低温抗裂性等再生剂的再生效果明显，8%是再生剂的最佳掺量，其沥青渗透性最大[13]，此时AC-13型级配渗透能力优于普通沥青再生剂，其空隙率低再生改良效果尤其明显，可满足沥青路面的低温抗裂性、水稳性的要求。

4 结论

RAP+旧料的不断掺入，历经二次老化后，低温性能呈慢弱化状态，水损害在短期内表现不明显，但长期抵抗水损害能力明显减弱。再生剂+老化轻质的RAP旧料，其长期抵抗水损坏能力强；再生剂+老化较重的RAP旧料，则低温抗裂性能较差。试验表明，再生剂掺入8%时，对RAP的性能改善突出，沥青渗透性最大。同时，在长期抗低温开裂方面、水损坏方面，AC-13型级配的表现优于AC-16C 型级配，宜做路面上面层。此外，敏感性再生剂对沥青混合料热拌再生的影响显著，30%的RAP掺配比例可基本满足沥青路面的低温抗裂性、水稳性的要求。