再生沥青混合料性能的试验研究

岳宗豪 赵 磊 王 真 连 超

1中石油燃料油有限责任公司研究院 北京 100080

2北京市政路桥建材集团有限公司 北京 100176

1.原材料及配合比设计

再生剂性质如表1所示，其中A、B为中石油燃料油有限公司研究院所开发的不同粘度的再生剂，C为市场上常用再生剂。从表1中数据可以看出，再生剂B闪点为202℃，虽然小于规范要求，但再生沥青混合料生产过程中，矿料加热温度一般小于190℃，因此也可尝试使用。三种再生剂其他指标均满足规范要求。

表1 再生剂原料性能试验结果

对北京地区常用的两档回收沥青路面材料（0-12mm，12-25mm）进行了试验分析，首先通过抽提试验将回收沥青路面材料中的沥青与矿料分离，确定回收沥青路面材料的矿料级配及油石比，为目标配合比设计提供依据。结果如表2至表4所示。从试验结果可以看出旧矿料各项性能优异，具有较高的再生利用价值。

表2 回收沥青路面材料矿料级配

表3 回收矿料（＞4.75）各项指标检测结果

表4 回收沥青路面材料（RAP）性能指标

将抽提出的旧沥青与抽提溶剂三氯乙烯的混合液放入旋转蒸发器中分离，获得回收沥青，并根据再生沥青性能的试验结果，向回收沥青中加入不同比例的再生剂进行性能恢复，回收沥青及再生沥青的性能如下表所示，经试验确定，A、再生剂B、再生剂C的添加比例分别为15%、8%、12%时，再生沥青的性能可基本恢复到新沥青水平，该掺量即作为再生沥青混合料中再生剂的掺量（与旧沥青的质量比）。

表5 回收沥青及再生沥青性能试验结果

本文所用矿料及新沥青各项指标满足规范要求，新沥青为凯意70#基质沥青。再生沥青混合料级配为AC-20C，旧料添加比例为20%，通过马歇尔试验进行再生沥青混合料配合比设计，级配情况如下图所示，以再生剂A为例进行配合比设计，最佳油石比为4.4%。当使用再生剂B、C时，调整新沥青用量以保证再生沥青混合料油石比不变。

2.高温稳定性能

道路沥青及沥青混合料都是粘弹性材料，其性能与加载时间和温度密切相关。在高温条件下，车轮荷载的作用极易出现车辙，造成沥青路面的永久变形，从而影响行车安全、舒适性和路面寿命。本文通过车辙试验评价再生沥青混合料高温抗车辙性能，试验结果见表6。

表6 混合料高温稳定性试验结果

由表6中可见，添加三种再生剂的再生沥青混合料动稳定度均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的性能要求，使用再生剂B时再生沥青混合料动稳定度略低，这是由于再生沥青混合料中再生剂与老化沥青无法完全混合均匀，而再生剂B粘度较低，易导致混合料中出现软弱层，从而使沥青混合料动稳定度降低。

3.水稳定性能

评价混合料水稳定性的方法，通常分两类，第一类是评价沥青与矿料的粘附性，这是进行矿料选择和评价的重要内容；第二类是评价沥青混合料的水稳性，评价方法是采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验两种试验方法，试验结果分别采用浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融前后的劈裂强度比双指标进行评价。本文采用后者进行再生沥青混合料水稳定性评价，试验结果如表7所示。

表7 马歇尔残留稳定度试验结果

表8 冻融试验结果

由以表7及表8中数据可见，添加3种再生剂的再生沥青混合料残留马歇尔稳定度及劈裂强度比均能满足现行规范《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。

4.低温抗裂性能

沥青混合料的低温抗裂性主要取决于其中的结合料，结合料的劲度和延度以及温度敏感性都直接影响混合料的抗裂性，目前国内评价混合料低温性能的控制指标主要是低温弯曲试验的破坏应变。由于再生混合料的性能含有一定量的旧沥青，其低温性能更是再生混合料的重要性能指标，对添加不同再生剂的热再生AC-20混合料进行低温弯曲试验，结果如表9所示。

表9 低温弯曲试验结果

由表中数据可见，添加三种再生剂的的再生AC-20沥青混合料均具有良好的低温抗裂性能，使用再生剂A时再生沥青混合料低温抗裂性优于再生剂B、C，低温弯曲试验的破坏应变结果满足现行规范《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。

5.动态力学性能及疲劳性能研究

（1）再生AC-20沥青混合料动态函数算法

动态粘弹特性是沥青混合料的重要性能，动态粘弹特性指标是沥青混合料结构设计中的重要参数。本文针对添加不同再生剂的再生AC-20沥青混合料进行动态粘弹特性研究，测试再生沥青混合料的动态模量及相位角，并绘制主曲线，为再生沥青混合料的结构设计及实体工程应用打下基础。

不同温度下的动态模量水平平移可通过非线性最小二乘拟合实现，使之形成西格摩德（Sigmoid）函数，并同时获得时温等效转换所需的移位因子，如式(1-1)所示。

式中

fr——参考温度下的荷载频率，也称为缩减频率；

α、β、γ、δ——回归参数；

δ+α ——动态模量极大值的对数；

β、γ ——描述西格摩德函数形状的参数。

基于移位因子，动态模量和相位角可在一定的温度条件下（参考温度）建立随频率变化的主曲线。粘弹性材料的移位因子计算可以通过三种方式：方法一是最常用的WLF方程，NCHRP 1-37A中的Witczak模型采用WLF方程，如式(1-2)所示；方法二是通过Arrhenius模型；方法三基于转换沥青胶结料的流变数据公式。

式中

αT——T温度条件下的移位因子；

C1、C2——常数；

T0——参考温度；

T——单个试验的温度。

将不同温度下的动态模量基于移位因子平移形成主曲线，移位因子代表各温度下的动态模量曲线到参考温度下主曲线的平移距离，可在非线性最小二乘拟合中确定移位因子。

（2）再生AC-20沥青混合料动态模量

本研究中采用AMPT试验机，如下表10所示，测试了添加再生剂A、B、C的热再生AC-20混合料在4℃、20℃、40℃三个不同温度和0.1Hz、1Hz、10Hz频率下的动态模量，并根据时间——温度置换原理（Time-Temperature Superposition principle）利用非线性最小二乘拟合的方法得到了参考温度下的动态模量主曲线和时间——温度转化因子，并进一步确定了相位角主曲线，用以描述沥青混凝土的粘弹性性质。

图1 动态模量试验仪（SPT）

热再生AC-20沥青混合料动态模量试验数据见表10。

表10 热再生AC-20混合料动态模量试验结果

注：1Ksi×6.895=1MPa

由上表数据可知，随着温度的升高和频率的降低，动态模量均有下降的趋势。也就是说在高温和慢速交通条件下，沥青混合料的动态模量均有所降低，再生沥青混合料同样如此。而低温和快速交通条件下，沥青混合料的动态模量均是增加的。

（3）复数动态模量主曲线确定

相对于给定的温度，频率水平移动的数量值被定义为移位因子α（T），如下式所示，实际频率除以移位因子就得到主曲线中的减缩频率，因此，在绘制主曲线的过程中，必须使用一个参考温度TR，其它数据均以此为基础进行平移得到，在参考温度下，移位因子α（T）=1，对于粘弹性材料，确定移位因子可以采用不同的几种模型，其中最常用的是W.L.F方程。在得到每个温度每个频率下的模量值和相位角后，可以确定不同温度下的移位因子，将原始数据处理后，便得到了模量主曲线。基于Sigmoid反曲函数采用非线性回归方法对试验数据进行拟合，可以绘制出复数模量E*主曲线。添加不同再生剂的再生AC-20沥青混合料动态模量主曲线回归参数如表11所示，动态模量主曲线及相位角主曲线如图2至图7所示。

表11 动态模量主曲线回归参数

图2 添加RA25的再生沥青混合料动态模量主曲线

图3 添加RA25的再生沥青混合料相位角主曲线

图4 添加再生剂A的再生沥青混合料动态模量主曲线

图5 添加再生剂A的再生沥青混合料相位角主曲线

图6 添加再生剂B的再生沥青混合料动态模量主曲线

图7 添加再生剂B的再生沥青混合料相位角主曲线

从以上数据可以看出，添加三种再生剂的再生沥青混合料动态模量较为接近，表明添加所开发再生剂的再生沥青混合料的动态力学性能达到同类产品的水平。可以看出添加A的回归参数α绝对值最大，表明该种再生沥青混合料较其他两种再生沥青混合料具有较高的温度敏感性。

6.疲劳性能研究

目前，世界各国应用现象学法进行疲劳试验的方法很多，大致分为四类。一是实际路面在真实的汽车荷载作用下进行的疲劳试验，以美国ASSHO试验路最为典型；二是模拟汽车荷载对足尺路面结构进行加载，以研究其疲劳性能，主要包括加速加载试验和环道试验；第三类是样板试验法，有动轮轮迹式、脉冲压头式、动板轮迹式等；第四类是室内小型试件的疲劳试验。由于前三种方法耗资巨大，试验周期长，试验结果受特定路面材料以及环境条件限制，不能普遍推广，因此目前各国大多数采用的还是室内小型试件的疲劳试验。

疲劳试验条件汇总如下：

试验方法：四点弯曲疲劳试验，也称三分点加载疲劳试验；

试件成型方法：用轮碾法成型450mm×300mm×100mm大车辙板试件；

试验试件尺寸：将车辙板试件切割成长380mm±5mm，宽63.5±5mm，高50±5mm梁式试件；

温度：15℃±0.5℃；

加载模式：应变控制；

加载波形：偏正弦波；

频率：10Hz；

试件破坏标准：材料劲度模量下降到初始劲度模量的50%。

表12 热再生AC-20混合料疲劳寿命

几种沥青混合料疲劳寿命由大到小依次为：新拌沥青混合料＞添加再生剂A的再生沥青混合料＞添加再生剂B的再生沥青混合料＞添加再生剂C的再生沥青混合料。由试验结果可知，添加所开发再生剂的热再生AC-20混合料疲劳性能与相同级配及油石比的新拌沥青混合料疲劳性能相当，优于市场上同类产品。

7.主要研究结论

（1）根据不同的再生剂，完成了三个配合比设计。分别确定了回收沥青混合料矿料级配，油石比，确定了回收沥青性质，根据再生沥青性能规律，确定了再生剂比例，经验证再生沥青性能满足要求。进行回收矿料、新矿料性能检验，经验证，回收矿料及新矿料性能均满足相关要求，经反复调试，确定了三个再生ZAC-20C沥青混合料合成级配。

（2）项目验证减四线油做再生剂再生沥青混合料路用性能，再生沥青混合料类型为：ZAC-20，RAP添加比例为：20%。再生沥青混合料ZAC-20各项性能均满足规范要求，从混合料角度证明了所开发再生剂的适用性。

（3）以RA25作为再生剂，通过再生沥青混合料的材料设计及性能研究，证明了添加RA25的再生沥青混合料性能满足规范要求，达到市场同类产品水平，具有较为优异的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、力学性能、耐久性等，可以进行实体工程应用。

（4）以减三线油作为再生剂，通过再生沥青混合料的材料设计及性能研究，证明了添加减三线油的再生沥青混合料性能满足规范要求，达到市场同类产品水平，具有较为优异的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等。

8.创新点

（1）通过车辙试验评价了热再生AC-20沥青混合料的高温稳定性，通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价了再生混合料的水稳定性，通过小梁弯曲试验评价了再生混合料的低温抗裂性，验证添加第一次送样的减四线油、第二次送样的RA25、第三次送样的减三线油的再生沥青混合料路用性能完全满足规范要求，从而验证第一次送样的减四线油、第二次送样的RA25、第三次送样的减三线油可作为再生剂使用。

（2）测试了添加第二次送样的RA25作再生剂的再生沥青混合料静态模量，并在不同温度和荷载作用频率下测试了其动态模量，根据时间——温度转换原理利用非线性最小二乘拟合的方法得到了参考温度下的动态模量主曲线，并进一步确定了相位角主曲线，为路面设计提供输入参数。

（3）检测了添加第二次送样的RA25作再生剂的再生沥青混合料的抗疲劳性能，证明其抗疲劳性能能够满足规范要求。

9.取得的主要成果

本文通过混合料路用性能、力学性能、耐久性研究，从再生沥青混合料分析所开发再生剂的适用性，主要研究结论如下：

（1）本文首先确定了回收沥青混合料矿料级配，油石比，确定了回收沥青性质，根据再生沥青性能规律，确定了再生剂比例，经验证再生沥青性能满足要求。

（2）项目验证添加再生剂A、B时再生沥青混合料路用性能，再生沥青混合料类型为：ZAC-20，RAP添加比例为：20%。再生沥青混合料ZAC-20各项路用性能均满足规范要求，使用再生剂B时再生沥青混合料动稳定度略低，使用再生剂A时再生沥青混合料低温抗裂性优于再生剂B、C，从混合料角度证明了所开发再生剂的适用性。

（3）随着温度的升高和频率的降低，动态模量均有下降的趋势。添加三种再生剂的再生沥青混合料动态模量较为接近，表明添加所开发再生剂的再生沥青混合料的动态力学性能达到同类产品的水平。添加再生剂A的再生沥青混合料较其他两种再生沥青混合料具有较高的温度敏感性。

（4）几种沥青混合料疲劳寿命由大到小依次为：新拌沥青混合料＞添加再生剂A的再生沥青混合料＞添加再生剂B的再生沥青混合料＞添加再生剂C的再生沥青混合料。由试验结果可知，添加所开发再生剂的热再生AC-20混合料疲劳性能与相同级配及油石比的新拌沥青混合料疲劳性能相当，优于市场上同类产品。

（5）从再生沥青混合料路用性能、力学性能、疲劳性能来看，所开发再生剂达到市场同类产品水平。