RAP中有效沥青膜厚度测定

成志强，陈先勇，陈辉强，侯 俊，徐栋良

(1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074;2.重庆重交再生资源开发有限公司，重庆400060)

0 引言

随着我国公路建设事业的不断发展，公路的改扩建及路面翻修每年都会产生废旧沥青混合料数千万吨［1］，高效利用废旧材料的再生沥青混合料技术备受关注。由于沥青混合料路面在使用过程中，受到车辆荷载以及自然因素的影响，废旧沥青中各组分含量失衡，沥青稳定性变差，呈现出老化变硬、稠度变大、流动性变差的特性［2］。当旧沥青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)用于再生沥青混合料配合比设计时，在混合料拌和过程中旧沥青能否与旧集料分离，均匀分布在再生沥青混合料中，能否起到良好的胶结作用，目前我国在这方面的研究尚少。

传统再生沥青混合料在计算新沥青掺配比例时，采用式(1)［3］:

式中:x为新沥青材料的掺配比例，%;iR为再生沥青混合料的沥青用量，%;io为旧料沥青含量，%;P为旧料掺配率，%。

用式(1)计算再生混合料新沥青质量时，采用总沥青质量减去RAP中旧沥青质量，显然这种计算方法的前提假设条件为RAP中的旧沥青为百分之百利用。而研究表明［4］:RAP在温拌再生过程中，仅有67%～87%的旧沥青可再生利用。

假若RAP中的旧沥青在拌和过程中未能较好的分散于再生混合料中，则会出现:①RAP混合料颗粒表面再次裹覆新沥青，使旧集料表面沥青膜厚度增加，而新集料沥青膜变薄，影响再生沥青混合料路用性能;②新、旧沥青在接触面上存在沥青组分浓度差突变界面，一定程度上影响混合料路用性能。沥青再生相容性理论认为沥青是以沥青质为溶质，而以软沥青为溶剂形成的高分子浓溶液。由于旧沥青中沥青质浓度较大，新沥青在裹覆RAP混合料时，新、旧沥青在接触面上形成沥青质浓度突变界面，沥青质与软质沥青在该界面处相互扩散的速度非常慢，且在一定的温度下单纯的机械拌和不易使新、旧沥青形成稳定的高分子浓溶液，宏观上影响再生混合料路用性能;③新、旧沥青在再生混合料中混溶状态不良，RAP中旧沥青达不到理想的再生效果，导致新沥青添加较多，经济效益较差。

笔者分析了RAP中旧沥青的存在状态，提出RAP有效沥青膜厚度的概念;然后通过拟合不同沥青混合料空隙率与油石比的关系曲线，计算得出不同混合料在同一空隙率下的油石比，从而利用有效沥青公式计算RAP中有效沥青含量，在此基础上采用比表面积系数法计算RAP中有效沥青膜的厚度;最后研究了添加剂种类与有效沥青含量的关系，进一步提出提高有效沥青含量的方法。

1 旧沥青的存在状态

研究表明［5］旧沥青在RAP中主要以吸收沥青和表层沥青两种状态存在。旧沥青存在状态示意如图1。

图1 旧沥青在RAP中存在状态Fig.1 State of old asphalt in RAP

1.1 吸收沥青

沥青混合料在拌和时，沥青中的某一组分由于扩散作用会沿着矿料微孔渗入其内部。且当矿料具有较高的空隙率时，能够选择性地吸收沥青中的某些组分进行化学吸附反应［6］，对沥青起到组分蒸馏的作用，被集料空隙所吸收的沥青称为吸收沥青。

1.2 表层沥青

RAP颗粒中总沥青扣除被集料吸收的沥青称之为表层沥青。

美国NCHRP曾对RAP在再生混合料中所处状态，提出了3种假设:①黑石头假设。假设旧沥青混合料像黑石头一样存在于新的混合料中，旧沥青完全不和新沥青混合，新沥青是混合料中的胶结材料;②完全混合状态。假设新旧沥青是完全融和在一起的，形成稳定均匀的沥青，混合均匀的沥青作为混合料的胶结材料;③实际混合假设。假设旧沥青与新沥青是部分融和，一定比例的旧沥青与新沥青共同起到胶结作用。

而在RAP实际再生过程中，有一定厚度比例的表层沥青可以起到胶结作用，而另一部分表层沥青与吸收沥青则在再生混合料中起到了集料的作用。RAP混合料中裹覆在旧集料表面的一定的厚度范围内的沥青(图2)，能够有效填充矿料间隙，且在再生沥青混合料中起到一定的胶结作用，该厚度称之为RAP有效沥青膜厚度δ。

图2 RAP有效沥青膜厚度Fig.2 Effective asphalt film thickness in RAP

2 混合料构成示意图及公式推导

再生沥青混合料是一种结构比较复杂的材料，是由矿质骨料、沥青胶浆、空气组成。其中，裹覆在RAP表面的新沥青、RAP表层有效沥青、裹覆在新集料表面的表层新沥青共同组成沥青胶浆，而RAP表层无效沥青、旧集料吸收沥青、吸收新沥青、旧集料及新集料则共同承担矿质骨料的作用。

在Superpave设计方法中，大量的路面残余空隙率调查得出，AC-13I沥青混合料在一定使用年限后的最终压实空隙率为4%［7］。而再生沥青混合料在压实成型过程中，起骨架作用的矿质骨料构成部分，其体积是不可压缩的，对再生混合料空隙率不构成影响;而起到润滑作用的沥青胶浆构成部分，则会影响到再生混合料空隙率的大小。由于RAP混合料中的表层无效沥青在压实成型的过程中，对新集料不具备有润滑的作用，再生沥青混合料压实到4%的空隙率，主要是其有效沥青的作用。

在矿料级配、压实温度和压实功率相同的试验条件下成型的沥青混合料试件，空隙率相同时，其有效沥青含量也相同。笔者通过对空隙率为4%的新拌普通沥青混合料与再生沥青混合料有效沥青含量进行对比，反算出RAP中有效沥青的含量。再生沥青混合料中成分组成如图3，由于空气质量不计，在计算过程中略去空气部分。

图3 再生沥青混合料中成分组成Fig.3 Reclaimed asphalt mixture compositions

在以下公式推导过程中:

1)b代表沥青，b(V)代表新沥青，b(R)代表旧沥青;s代表集料，s(V)代表新集料，s(R)代表旧集料;

2)再生混合料中新沥青包括:裹覆在新集料上的新沥青b［V-s(V)］、裹覆在RAP颗粒表面的新沥青 b［V-s(R)］;

3)裹覆在新集料上的新沥青b［V-s(V)］包括:被新集料吸收新沥青ba(V)、表层新沥青be(V);

4)RAP混合料中旧沥青b(R)包括:表层沥青b(RS)、吸收沥青ba(R);

5)RAP混合料中表层沥青b(RS)包括:表层有效沥青be(RS)、表层无效沥青bu(RS);

6)RAP混合料中无效沥青bu(R)包括:表层无效沥青bu(RS)、吸收沥青ba(R)。

2.1 普通沥青混合料

普通沥青混合料各成分示意如图4。其中各参数按美国沥青协会MS-2推荐的经验公式计算［8］。

图4 普通混合料各成分示意Fig.4 Conventional asphalt mixture composition diagram

沥青占混合料的质量百分比Pb(V):

表层沥青占混合料质量百分比Pbe(V):

吸收沥青占集料质量的百分比Pba(V):

集料有效相对密度γse:

集料合成表观相对密度γsa:

集料合成毛体积相对密度γsb:

上式中:Mb(V)为沥青总质量，g;Ms(V)为集料质量，g;γ1，…，γn为各种集料相对应的毛体积相对密度，g;γ'1，…，γ'n为各种集料相对应的表观相对密度，g/cm2;P1，…，Pn为各种集料成分的配比，总和为100。

2.2 再生沥青混合料

再生沥青混合料各成分示意如图5。

图5 再生沥青混合料中各成分示意Fig.5 Reclaimed asphalt mixture compositions diagram

再生沥青混合料中添加新沥青的比例:

再生混合料中总有效沥青的比例:

再生混合料中总沥青比例Pb(VR):

上式中:Mbe(RS)为RAP混合料中旧集料表面有效沥青质量，g;Mbu(R)为RAP混合料中无效沥青质量，g;Mb(R)为RAP混合料中总沥青质量，g;Ms(R)为RAP混合料中旧集料质量，g。

考虑到不同RAP混合料油石比不同，引入有效沥青含量比ACeff来表征某一RAP混合料中的有效沥青占总旧沥青的质量比，其计算公式为［4］:

2.3 RAP中有效沥青膜厚度

计算RAP中有效沥青膜厚度时，采用规范［9］推荐的方法计算各级配中集料粒径的表面积，各粒径比表面积系数和RAP中旧集料级配如表1。

表1 比表面积系数和RAP旧集料级配Table 1 Aggregate surface area coefficient and RAP aggregate gradation

按照表1中的比表面积系数可计算RAP旧集料合成级配比表面积之和为7.073 m2/kg。忽略RAP旧集料空隙吸收沥青对沥青膜厚度的影响，RAP总沥青膜厚度δo和RAP有效沥青膜厚度δ按式(12)、式(13)计算:

式中:为SA为RAP旧集料合成级配比表面积之和，m2;Mbe(RS)为RAP混合料中旧集料表面有效沥青质量，g;ρb为RAP混合料中旧沥青在25℃的密度，g/cm3;Pb(R)为旧沥青占RAP混合料质量的百分比，%;Pbu(R)为表层无效沥青占RAP混合料质量的百分比，%;Ps为集料各粒径的质量通过百分率，%。

3 试验

油石比采用3.9%，4.4%，4.9%，5.4%，5.9%，分别成型AC-13I再生沥青混合料以及AC-13I普通沥青混合料进行对比分析。

3.1 原材料

采用全自动抽提仪器测定RAP中旧沥青含量，测定值为3.8%。为了与RAP混合料材料统一，新沥青采用SK-70#，新集料采用石灰岩，其各项指标满足《规范》［9］要求。RAP掺配比为40%。外加剂E为一种普通表面活性添加剂水溶液，借助混合料拌和过程可均匀分散在热沥青中，同时在胶结料中形成临时性水膜结构，在压实混合料的过程起到一定润滑作用。外加剂F-E为一种含有硅烷偶联结构的表面活性复合添加剂，其F成分可与RAP混合料表层旧沥青进行化学反应，达到活化处理的目的。

3.2 级配控制

通过混合料抽提试验将旧沥青与旧集料进行分离，旧集料烘干至恒重，然后将其筛分，得到旧集料级配［11］。

再生混合料的级配与普通沥青混合料不同，再生料的级配是由旧料和新料混合组成［12］。通过添加不同粒径新集料的方式，调整再生沥青混合料级配，最终达到目标级配。再生混合料级配调整如图6。

图6 混合料级配Fig.6 Mixture gradation

3.3 温度控制

相同配合比条件下沥青混合料空隙率随着压实温度的增加而显著降低，为使试验具有可比性，故使RAP预热温度设为110℃，普通沥青混合料和再生沥青混合料中新加沥青预热温度150℃，新集料预热温度为160℃，拌和温度为140℃，混合料出料后置于120℃的烘箱保温2 h［10］，然后采用马歇尔标准击实法进行混合料压实成型［13］，每个试件质量为1 225 g。

3.4 试验结果

不同混合料空隙率测定结果如表2。通过回归得出油石比y与普通混合料空隙率x关系曲线如图7。

表2 空隙率测定结果Table 2 Results of VV

图7 普通混合料空隙率与油石比关系曲线Fig.7 VV and bitumen-aggregate ratio of coventional mixture

依据回归式计算得出当空隙率为4%时，普通混合料油石比为4.75%。同理得出添加E、EF及无添加剂的再生混合料在空隙率为4%时的油石比，同时根据式(2)～式(13)计算普通沥青混合料与再生沥青混合料中各参数，结果如表3、表4。

表3 普通沥青混合料试验计算结果Table 3 Test calculation results table of conventional asphalt mixture

表4 再生沥青混合料试验计算结果Table 4 Test calculation results table of reclaimed asphalt mixture

由表3可知，在相同油石比条件下，E再生混合料空隙率比再生混合料空隙率低，说明外加剂E在混合料成型过程中，起到一定的润滑作用。外加剂E主要为表面活性添加剂水溶液，借助混合料拌和过程均匀分散在热沥青中，而表面活性剂会富集在热沥青与水分界面处，在胶结料中形成临时的水膜结构。该水膜结构不受温度影响，且在沥青混合料拌和成型过程中起到润滑作用，一定程度上提高了混合料的压实效果，但E外加剂对提高RAP表层有效沥青含量不起作用。

由表4可知:

1)再生混合料、E再生混合料、F-E再生混合料的 Pbv(VR)分别为3.839%，3.937%，2.997%。F-E 再生混合料Pbv(VR)明显大于其余两种混合料，说明F-E再生沥青混合料中RAP中有效旧沥青含量增高，致使添加新沥青比例减少。

2)再生混合料、E再生混合料、F-E再生混合料的有效沥青含量比 ACeff分别为 58.650%，56.051%，93.976%，进一步说明F-E添加剂极大程度提高RAP表层有效沥青的含量。

3)根据式(9)计算得出RAP混合料表面总沥青膜厚度为4.889 μm。再生混合料、E再生混合料、F-E再生混合料的有效沥青膜厚度分别为2.912，2.785，4.604 μm，添加 E 与无添加剂的RAP沥青膜厚度基本相同，而添加F-E的RAP沥青膜厚度接近于RAP总沥青膜厚度，说明F-E外加剂有助于提高RAP有效沥青膜的厚度。主要原因为F-E外加剂中F成分对RAP混合料旧沥青表面进行活化处理，使表层沥青大部分被激活，同时在拌和过程中借助搅拌桨高速剪切力的作用，使RAP表层有效沥青较好地分散于再生混合料中，有效减轻由于新、旧沥青沥青质含量不同所致的浓度差界面。

3.5 图片验证

为直观比较外加剂E和F-E对RAP沥青混合料旧沥青表面作用效果，首先将RAP混合料置于110℃条件下保温2 h，然后采用外加剂E和F-E分别对其表面进行处理，处理后效果如图8。

图8 E和F-E对RAP表面处理效果Fig.8 Treatment effect of RAP surface by E ＆ F-E

由图8可发现，经外加剂F-E处理后的RAP混合料表面其沥青呈现油光状态，而外加剂E处理后的RAP混合料表面则与RAP原样无异。说明F-E外加剂中其有效成分极大程度地激活RAP混合料中的旧沥青，有效提高RAP有效沥青膜厚度，具有较高的经济效益。但E-F成分与RAP旧沥青作用的微观结构分析以及再生混合料宏观性能需进一步研究。

4 结论

1)通过再生混合料空隙率反算RAP中有效沥青的方法验证了美国NCHRP第3种假设的合理性，即RAP旧沥青与新沥青是部分融和，一定比例的旧沥青与新沥青共同起到胶结作用。

2)当影响混合料空隙率的因素控制在相同的试验条件下，成型普通沥青混合料与再生沥青混合料并进行对比分析;两者空隙率相同时，其有效沥青含量也相同;通过对比普通沥青混合料中有效沥青含量，反算出再生沥青混合料中总的有效沥青含量，进一步计算出RAP混合料中有效沥青含量，并根据比表面积系数法计算出RAP中有效沥青膜厚度，此方法在理论上可行。

3)外加剂E在混合料拌和过程中起到一定的润滑作用，但其对RAP表层有效沥青含量的提高基本不起作用;无添加剂的再生混合料中RAP有效沥青膜厚度分别为2.912 μm，通过添加F-E外加剂后，RAP有效沥青膜厚度提高到4.604 μm，外加剂 F-E对RAP混合料颗粒表面进行活化处理，进一步提高RAP表层有效沥青膜厚度。

4)外加剂E-F较大幅度提高RAP混合料中有效沥青含量，意味着再生混合料所需添加新沥青的降低，但E-F成分与RAP旧沥青作用的微观结构分析以及再生混合料宏观性能需进一步研究。

［1］ 孙吉书，肖田，杨春风，等.温拌再生沥青混合料的路用性能研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30(2):250-253.

Sun Jishu，Xiao Tian，Yang Chunfeng，et al.On properties of warm mix recycled asphalt mixture in highway［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(2):250-253.

［2］ 耿九光.沥青老化机理及再生技术研究［D］.西安:长安大学，2009.

［3］ 邓晓青.厂拌热再生沥青混合料配比设计研究［D］.西安:长安大学，2007.

［4］ Jesse D D，Isaac L H.Compatibility and Bitumen Utilization of 100%Warm Mixed RAP［R］.Washington D.C.:Transportation Research Board，2010:125-134.

［5］ McDaniel R S，Soleymani H R，Anderson R M，et al.Recommended Use of Reclaimed Asphalt Pavement in the Superpave Mix Design Method［R］.Washington D.C.:Transportation Research Board，2011:28-56.

［6］ 周卫峰，张秀丽.基于沥青与集料界面黏附性的抗剥落剂的开发［J］.长安大学学报:自然科学版，2005，25(2):16-20.

Zhou Weifeng，Zhang Xiuli.Development of new anti-stripping agent based on adhesion of asphalt with aggregate［J］.Journal of Chang’an University:Natural Science，2005，25(2):16-20.

［7］ 贺炜.沥青混合料PSM设计方法研究［D］.西安:长安大学，2008.

［8］ 熊洪滨，毛菊良，郭忠印，等.沥青混合料中有效沥青含量快速确定方法的研究［J］.道路与交通，2005，113(1):16-20.

Xiong Hongbin，Mao Juliang，Guo Zhongyin，et al.Study on the rapidly determining method of effective asphalt in mixture［J］.Road and Traffic，2005，113(1):16-20.

［9］ JTG E 20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［10］ Bonaquist R.Mix Design Practices for Warm Mix Asphalt［R］.Washington D.C.:Transportation Research Board，2011:58-84.

［11］DB21/T 1847—2010沥青路面厂拌热再生技术指南［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［12］倪小军，陈仕周，凌天清.沥青路面再生利用技术综述［J］.重庆交通学院学报，2004，23(5):39-41.

Ni Xiaojun，Chen Shizhou，Ling Tianqing.Summarize of recycled mixture for old asphalt pavement［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2004，23(5):39-41.

［13］李立寒，张南鹭.道路建筑材料［M］.北京:人民交通出版社，2008.