寒冷季冻区旧沥青路面再生及评价

樊旭英，李印冬，张立群，李敏峰

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

中国寒区面积约占417.4万km2，为陆地总面积的43.5%[1]。寒冷季节性冻土地区沥青路面长期处于低温和季节性冻土环境下，极易导致沥青路面低温开裂和冻胀破坏等病害，降低路面使用性能和使用年限。因此，寒冷季冻区旧沥青路面的再生利用不仅要满足寒冷地区沥青路面的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性能等方面的要求，而且要兼顾季节性冻土环境下沥青路面的抗冻性能。大次仁等研究了高寒高海拔地区沥青砂浆的力学性能[2]；李丹丹等研究了季冻区沥青混合料在水、冰冻和老化等外界环境作用下早期沥青混合料路用性能衰减效益，实现了季冻区沥青混合料早期路用性能的定量评价[3]；刘克非等改进了中国公路的气候分区，确定了北方地区沥青路面高温多雨极端气候分区范围[4]；周志刚等研究了再生剂对旧沥青的再生行为[5]；马骉等研究了青藏高寒地区沥青混合料的水稳定性与高温性能[6]。有学者较为系统地分析了国内外再生剂对旧沥青的再生效果[7-9]，总结了国内外再生剂掺入量的范围[10-12]；然而，很少有人对寒冷地区和季节性冻土地区耦合作用下的旧沥青路面再生利用进行研究。本文综合考虑寒冷地区和季冻区环境对再生沥青混合料路用性能的影响，对寒冷季冻区旧沥青路面进行再生利用，为寒冷季冻区旧沥青路面的再生利用提供参考。

1 旧沥青路面自然条件及再生技术要求

本文以S245沥青路面为研究对象，该路段附近的主要城市有张家口市和呼和浩特市。根据《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》(JTG/T D31-06—2017)附录A的气象资料(表1)在张家口市站点和呼和浩特市站点按照《公路沥青路面施工施工技术规范》(JTG F40—2004)和《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》(JTG/T D31-06—2017)对S245沥青路面进行高温、低温、雨量和季节性冻土分区。根据分区结果确定沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能、水稳定性能和抗冻性能技术要求，如表2所示。

表1 S245路段主要城市相关气象参数参考值

表2 各指标技术要求

2 再生剂对旧沥青路面再生的可行性分析

RA25沥青再生剂的各项指标如表3所示。

表3 RA25沥青再生剂的各项指标

经试验测得旧沥青路面中旧沥青的含量为3.58%，油石比为3.72%。根据表4、5和图1可知：旧沥青路面中旧沥青和旧集料均已老化，但旧沥青针入度为26(0.1 mm)，当添加占再生沥青总质量17%的再生剂后，再生沥青的各项指标均能达到90号沥青的技术要求；旧集料部分细化，但仍具有一定的使用性能。这说明该旧沥青路面仍具有较好的再生能力，使用再生剂对该沥青路面进行再生是可行的。

表4 旧沥青及再生沥青三大指标的测定

3 寒冷季冻区旧沥青路面再生效果评价

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)和《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》(JTG/T D31-06—2017)附录B对再生沥青混合料分别进行标准马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度、冻融劈裂、高温车辙、低温弯曲和抗冻性试验，以此来评价再生剂对再生沥青混合料的再生效果。

表5 旧集料级配

图1 旧料级配曲线及AC-20级配上下限

3.1 再生沥青混合料的制备方法

首先，将称量好的破碎旧沥青混合料置于105 ℃的烘箱中预热2～4 h，其目的是除去旧沥青混合料中的水分，并使旧沥青混合料达到预热温度；将RA25热拌沥青混合料再生剂置于另一90 ℃的烘箱中预热20 min，使其具有良好的流动状态并达到拌合温度；将旧沥青混合料置于90 ℃的拌锅中，加入再生剂拌合90 s后得到再生沥青混合料；将再生沥青混合料置于室内养护1～3 d，提前使用可以进行预热，但不能超过80 ℃。

3.2 再生沥青混合料再生行为分析

3.2.1 再生沥青混合料的水稳定性

如表6和图2、3可知：当再生剂掺入量为0%～1.42%时，再生沥青混合料的稳定度和浸水残留稳定度随再生剂的增加而增强；当再生剂掺量为1.42%～2.03%时，再生沥青混合料的稳定度和浸水残留稳定度随再生剂的增加而降低。

表6 再生剂对旧沥青混合料浸水残留稳定度的影响

图2 再生剂掺入量与稳定度的关系

图3 再生剂掺入量与残留稳定度的关系

如表7和图4可知：当再生剂掺量为0%～1.42%时，再生沥青混合料冻融劈裂强度比随着再生剂掺量的增加而增强；当再生剂掺量为：1.42%～2.03%时，再生沥青混合料冻融劈裂强度比随着再生剂掺量的增加而逐渐降低。

表7 再生剂对旧沥青混合料冻融劈裂强度比的影响

图4 再生剂掺入量与冻融劈裂强度比的关系

3.2.2 再生沥青混合料的高温稳定性

如表8和图5可知：再生沥青混合料的动稳定度随再生剂的增加而降低。当再生剂掺入量超过1.42%后，再生沥青混合料的高温稳定性不满足设计技术要求。

表8 沥青混合料高温车辙试验

图5 再生剂掺入量和动稳定度的关系

3.2.3 再生沥青混合料的低温抗裂性

如表9和图6可知：当再生剂掺入量为0%～1.42%时，再生沥青混合料的低温破坏应变随再生剂掺入量的增加而增大；当再生剂掺入量为1.42%～2.03%时，再生沥青混合料的破坏应变随再生剂掺入量的增加而减小。

表9 沥青混合料低温弯曲试验

图6 再生剂掺入量与低温破坏应变的关系

3.2.4 再生沥青混合料的抗冻性能

按照《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》(JTG/T D31-06—2017)附录B对再生沥青混合料标准马歇尔试件进行抗冻性试验，其过程大致为：先将标准马歇尔试件置于97.3～98.7 kPa的真空饱水仪中饱水15 min；再恢复常压保持0.5 h；然后将其放入塑料袋中并注射10 mL水；接着放入-18 ℃的恒温冰箱中16 h；最后将试件取出置于60 ℃恒温水槽中8 h，完成1次冻融循环，重复上述步骤4次；最后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的试验方法进行试验。

由表10和图7可知：再生剂掺入量为0%～1.42%时，5次冻融后的再生沥青混合料冻融循环强度比(即抗冻性)随再生剂的增加而增大；掺入2.03%的再生剂后，再生沥青混合料的抗冻性反而下降了。

表10 再生剂对旧沥青混合料抗冻性能的影响

图7 再生剂掺入量与5次冻融循环劈裂强度比的关系

4 再生剂对旧沥青路面再生的机理分析

4.1 寒冷季冻区沥青路面老化机理

寒冷季冻区沥青路面老化的主要原因是：根据该地区年降水量可知，该地区为湿润地区，随着时间的流逝水分会逐渐侵入到沥青路面中，在常年低温条件下导致沥青路面出现低温开裂和冻胀破坏，这将会进一步加剧水分对沥青路面的破坏；该地区年日照时间较长，且紫外线较强，加剧了沥青路面中的沥青老化，导致沥青路面在使用过程中更容易遭到损害；该地区处于季节性冻土地区，冬季寒冷多雪，夏季炎热多雨，水分在夏季消融侵入沥青路面和基层，冬季来临沥青路面和基层中的自由水和孔隙水结冰，体积增大，形成温度应力，当该应力大于沥青混合料之间的附着力时，沥青路面开裂。

4.2 再生剂对旧沥青路面的再生机理分析

(1)当再生剂掺入量为0%～0.73%时，再生剂的主要作用有2个：一是改善旧沥青的各项性能，恢复旧沥青各组分配伍；二是增加再生沥青混合料中的沥青含量。所以，在这一阶段再生沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性和抗冻性恢复效果较好。当再生剂掺入量为0.73%～1.42%时，再生剂的主要作用为改善因高温拌合导致的沥青老化和增加再生沥青混合料的沥青含量，所以这一阶段再生剂对再生沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性和抗冻性仍有一定的改善效果。当再生剂掺入量为1.42%～2.03%时，由于再生剂的大量掺入，导致沥青中沥青质和胶质相对减少，饱和分和芳香分相对增加，打破沥青各组分配伍，使得小分子物质溶解度增大，大分子物质溶解度减小，导致沥青各组分紊乱，降低了再生沥青混合料的路用性能。

(2)不掺入再生剂时，旧沥青路面高温稳定性远远高于规范要求，而水稳定性、低温抗裂性能和抗冻性能均达不到寒冷季冻区沥青路面规范要求。旧沥青路面中再生剂掺入量为1.42%时，再生沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和抗冻性均能达到寒冷季冻区沥青路面设计技术要求。旧沥青路面中再生剂掺入量为2.03%时，再生沥青混合料各项性能均下降，且再生沥青混合料的抗冻性能和高温稳定性能均会降低至技术要求以下。

5 结 语

(1)再生剂掺入量为0%～1.42%时，再生剂能明显改善寒冷季冻区旧沥青路面的水稳定性、低温抗裂性能和抗冻性，降低高温稳定性。过多地掺入再生剂会导致再生沥青混合料各项性能降低。

(2)再生剂掺入量为1.42%时，再生沥青混合料的水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性和抗冻性均能满足寒冷地区和季节性冻土地区耦合作用下的技术要求，即在合适的再生条件下通过掺入1.42%的再生剂，该旧沥青路面能够实现100%再生利用。

(3)尽管掺入再生剂对寒冷季冻区旧沥青路面再生利用能够满足寒冷地区和季节性冻土地区耦合作用下的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和抗冻性的技术要求，但由于旧料级配细化容易导致沥青路面过于光滑，因此对于再生沥青混合料的再生利用仍需进一步考虑再生沥青路面的抗滑性能。