多次再生沥青混合料沥青组分迁移及其性能

王 杰， 秦永春， 曾 蔚， 徐 剑， 黄颂昌

(交通运输部公路科学研究所 道路结构与材料交通行业重点实验室(北京)， 北京 100088)

中国对于沥青路面再生技术的研究起源于20世纪70年代，与冷再生技术相比，热再生技术适用性强、质量相对稳定[1-3]，因而得到广泛应用.目前，国内外针对废旧沥青混合料(RAP)1次热再生技术，如再生可行性的基础理论、室内试验和实体工程已进行了较为深入的研究[4-6].此外，在再生沥青混合料的配合比设计、路用性能评价和施工工艺等方面也取得了大量研究成果.

与普通沥青路面一样，再生沥青路面的使用性能在交通荷载和环境的耦合作用下也会发生衰减，达到设计寿命后，同样面临大修或重建，所产生的废旧沥青混合料能否多次重复再利用，已引起广泛关注[7-8].仅考虑1次再生，忽视其重复再利用，不利于经济和社会效益的最大化，导致沥青路面再生技术存在“后顾之忧”.然而关于此方面的研究目前还很少.当前及今后一段时间，中国道路基础设施建设将持续推进，对于筑路材料的需求量也将有增无减，因此研究沥青路面的多次再生技术对于实现路面可持续发展具有重要意义.

鉴于此，本文通过室内试验模拟沥青混合料的多次再生过程，针对普通废旧沥青路面的热再生工艺，从沥青老化和再生机理角度，探讨了普通废旧沥青混合料多次再生的可行性，研究了多次再生后沥青混合料性能的变化规律，以期对沥青路面多次再生技术提供理论支持.

1 试验

1.1 沥青混合料的室内老化模拟方式

目前，实体工程中仅涉及RAP的1次再生，对于1次再生沥青路面铣刨后的回收料，还无法从现场获取，因此，本研究通过室内试验来模拟沥青混合料的多次再生过程.美国SHRP计划提出了沥青混合料的室内加速老化试验方法，包括短期老化和长期老化，其中长期老化需要将短期老化后的混合料进行压实成型，老化时间较长，且该方法后期需对老化后的试件进行破碎以便获取回收料.因此为便于多次再生试验的开展，本文采用短期老化方法，通过调整沥青混合料在烘箱中的老化温度和老化时间来制备老化沥青混合料.作为对比分析，1次老化沥青混合料也通过室内试验制备.

沥青混合料老化模拟方式为：将拌制的沥青混合料以21～22kg/m2均匀摊铺于搪瓷盘上，然后放入160℃烘箱中加热9h(通过前期试验确定，保证回收老化沥青性能接近实际工程)，以1次/h的频率用铲翻拌混合料，最后从烘箱中取出备用.

1.2 再生沥青混合料的多次再生步骤

采用1.1节方法制备1次老化沥青混合料后，按照旧料掺量50%(质量分数，文中涉及的掺量、油石比等除特别注明外均为质量分数或质量比)进行AC-13型1次再生沥青混合料配合比设计.此2步为1个循环，2次以及3次再生沥青混合料的制备过程只需重复上述步骤.

采用阿布森法分别回收1次、2次和3次老化沥青混合料中的沥青，然后添加不同掺量的再生剂，测试其针入度、软化点、延度、黏度和4组分掺量；同时对1次、2次、3次再生沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和动态黏弹特性进行测试.为便于对比分析，对全新沥青混合料也进行了同样测试.

1.3 再生沥青混合料的配合比设计

试验用新沥青为泰普克70#A级道路石油沥青，其主要技术指标见表1.再生剂主要技术指标见表2.

表1 70#A沥青主要技术指标

表2 再生剂主要技术指标

通过马歇尔试验进行AC-13型沥青混合料配合比设计，然后按照1.2节方法进行沥青混合料的多次再生试验.为便于对比分析，多次再生沥青混合料矿料级配设计尽量一致，见表3.表4为多次再生沥青混合料马歇尔体积指标，其中OAC为最佳油石比，VA为空隙率，VMA为矿料间隙率，VFA为有效沥青饱和度，MS为马歇尔稳定度，FV为马歇尔流值.

表3 多次再生沥青混合料矿料级配

表4 多次再生沥青混合料马歇尔体积指标

由表4可知，参照1次再生沥青混合料的配合比设计，混合料经过2次和3次再生后，其马歇尔体积指标均可满足现行JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》要求.

2 多次再生沥青混合料中的沥青性能评价

将再生剂按3%、6%和9%(以老化沥青质量计)分别加入到1次、2次和3次老化沥青混合料回收得到的沥青中，测试其相关指标，其中4组分测试方法参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T 0618—1993方法，试验结果见表5.

表5 再生剂掺量对多次老化沥青性能的影响

由表5可知：对于1次再生沥青，随着再生剂掺量的提高，其针入度、延度增加，软化点、黏度减小，老化沥青性能得到改善，综合其经济性，拟定再生剂掺量为6%；对于2次再生沥青，当再生剂掺量为6%时，其性能与1次再生沥青接近，为便于对比分析，拟定2次老化沥青再生剂掺量为6%；同理，3次再生沥青混合料的再生剂掺量也取为6%.

2.1 宏观性能分析

将沥青经历3次老化、再生后(再生剂掺量均为6%)的性能进行综合分析，结果见图1.

图1 沥青性能随老化和再生次数的变化Fig.1 Variation of asphalt properties with change of aging and recycling cycle

由图1可知：沥青经历3次老化后，再生剂仍可改善其性能；随着再生次数的增加，针入度无明显差异，软化点增加，延度降低，相比于1次再生沥青混合料，3次再生沥青混合料的延度降低了35%，黏度逐渐增大.这表明沥青经历多次再生后，流变性能变差，高温性能得到了提升，低温性能出现了明显衰减.

2.2 组分分析

由表5可知，随着再生剂掺量的提高，多次再生沥青组分含量的变化规律类似，即芳香分含量增加，沥青质与胶质含量降低，并逐渐接近于新沥青组分含量，说明再生剂可通过调节各组分的含量使多次老化后的沥青进行再生.

假设再生沥青组分为再生剂组分与旧沥青组分之和，则：

(1)

式中：Aa为老化沥青中组分含量，%；Ar为再生剂中组分含量，%；x为再生剂掺量%，y为再生沥青组分含量，%.

由式(1)可得再生沥青各组分含量的计算值.1次再生沥青组分含量实测值与计算值随再生剂掺量的变化见图2.

图2 1次再生沥青组分含量的实测值与计算值Fig.2 Tested and calculated values for recycled asphalt component content of first cycle

由图2可知，芳香分的实测值比计算值高，沥青质与胶质则刚好相反，且这种差异随再生剂掺量的增加而增大，而饱和分无明显变化.研究表明[9]，再生剂与旧沥青未发生化学反应.由此可知，再生沥青中组分的变化一方面是再生剂组分调节作用所致，另一方面是再生剂在旧沥青中发挥了增溶作用，减小了轻质组分与重质组分间的界面张力，提高了两者的互溶程度，促使胶质包裹的沥青质胶团分散、溶解.因此，再生沥青组分的变化是组分调节和增溶作用共同所致的.为此，式(1)修正为：

(2)

式中：m，n为增溶作用修正系数.

表6 多次再生沥青组分含量与再生剂掺量关系

综上可知，再生沥青中组分的变化是再生剂组分调节和增溶作用共同所致.为了分析多次再生条件下二者作用的差异性，以芳香分含量实测值与计算值之间的相对误差作为评价指标，计算结果见 图3.由图3可知：多次再生条件下，再生沥青芳香分含量相对误差随着再生剂掺量的增加而增大，表明再生剂在旧沥青中起到的增溶作用逐渐增强；不同再生剂掺量下，芳香分含量相对误差依次为1次再生沥青>2次再生沥青>3次再生沥青.再生剂在1次老化沥青中的增溶作用最强.经非线性分析可知，再生沥青芳香分含量相对误差与再生次数呈较好的指数关系，相关系数达0.95以上，表明再生剂在旧沥青中的增溶作用随着再生次数的增加呈指数式衰减，即1次再生时，增溶作用最强，之后组分调节作用逐渐占主导效应.

图3 多次再生沥青的芳香分含量相对误差随再生剂 掺量的变化Fig.3 Variation of aromatic content relative error of multiply recycled asphalt with change of rejuvenating agent content

3 多次再生沥青混合料的性能评价

3.1 高温稳定性

采用单轴贯入强度试验评价多次再生沥青混合料的高温稳定性.利用旋转压实仪成型φ150× 105mm 的圆柱形试件，然后钻芯并切割成φ100× 100mm 的圆柱形试件，控制空隙率(体积分数)为 (7± 0.5)%.测试方法参照JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中的附录F执行，结果见表7.

表7 多次再生沥青混合料单轴贯入强度试验结果

由表7可知：再生沥青的添加使得混合料的贯入深度减小，贯入强度增大，表明再生沥青混合料的高温性能得到了提升；经过2次、3次再生后，再生沥青混合料的高温性能进一步增强，如3次再生混合料的单轴贯入强度相比于1次再生混合料提高了17.6%.通过非线性分析可知，再生沥青混合料单轴贯入强度与再生次数呈较好的对数关系.

3.2 低温抗裂性

采用半圆弯拉试验来评价多次再生沥青混合料的低温抗裂性.在设定尺寸的简支半圆试件跨中顶部位置作用恒定荷载直至试件断裂.采用旋转压实仪成型φ150×105mm的圆柱形试件，控制空隙率(体积分数)为(7±0.5)%，然后切割成φ150×50mm的半圆形试件，预切缝深度为15mm，试件底面两支点的间距为120mm.试验加载速率为1mm/min，试验温度为-10℃.采用断裂能(Gf，J/m2)评价再生沥青混合料的抗裂性，见式(3)，计算结果见图4.

(3)

式中：r为试件半径，m；l为预切缝深度，m；t为试件厚度，m；P为试验荷载，kN；u为荷载作用下的位移，mm.

图4 多次再生沥青混合料半圆弯拉试验结果Fig.4 Semi-circular bending test results of multiply recycled asphalt mixture

由图4可知：1次再生沥青混合料的断裂能与全新料差异较小，随着再生次数的增加，断裂能显著降低；2次再生混合料的断裂能相比全新料降低了23.6%，表明混合料经历2次再生后，低温性能加速劣化，路面出现低温开裂的可能性增大；经历3次再生后，沥青混合料低温性能进一步衰减.

3.3 水稳定性

多次再生沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果见表8.

表8 多次再生沥青混合料水稳定性试验结果

由表8可知：相比全新料，1次再生沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比出现衰减，但仍满足规范对于路面水稳定性的技术要求；随着再生次数的增加，残留稳定度和冻融劈裂强度比无明显变化规律，大致维持在一个水平，3次再生相比1次再生仅分别减小了1.1%和1.7%，仍可满足规范要求.这表明沥青混合料经过多次再生后，其水稳定性大致和1次再生水平持平，受再生次数影响较小.

3.4 动态黏弹特性

再生沥青混合料与全新沥青混合料一样，是一种典型的黏弹性材料.相位角可体现沥青混合料中黏性和弹性的比例，其值越大，黏性越显著.因此，本文采用沥青混合料性能试验仪(AMPT)进行黏弹性试验，分析再生沥青混合料相位角在温度和加载频率同步耦合作用下的变化规律.采用旋转压实仪成型φ150×170mm的圆柱形试件，控制空隙率(体积分数)为(7±0.5)%，然后钻芯并切割成φ100× 150mm 试件.试验温度为4、20、40℃，荷载作用频率为25.0、10.0、5.0、1.0、0.5、0.1Hz，加载波形为偏移正弦波，试验方法参照AASHTO T342-11《Standard method of test for determining dynamic modulus of hot mix asphalt(HMA)》执行.

多次再生沥青混合料相位角随温度变化的试验结果见图5.由图5可知：再生沥青混合料和全新料的相位角在加载频率不同的条件下，随温度的升高呈不同的变化趋势；当频率较小时，随着温度的升高，相位角先增后降，即再生混合料的相位角存在峰值.这是因为在较低频率荷载作用下，随温度的升高，再生混合料黏性效应增强，相位角增大；当温度达到某一数值时，沥青胶结料软化，矿料骨架逐渐占据主导效应，相位角减小.

图5 多次再生沥青混合料相位角随温度的变化Fig.5 Variation of phase angle of multiply recycled mixture with temperature

相较而言，1次再生混合料相位角与全新料大小接近，经过2次再生后，相位角明显减小，3次再生后，相位角仅在0.1Hz时出现峰值.表明沥青混合料经过多次再生后，其弹性效应增强，相位角出现峰值的加载频率逐渐减小.

多次再生沥青混合料相位角随加载频率变化的试验结果见图6.

图6 多次再生沥青混合料相位角随加载频率的变化Fig.6 Variation of phase angle of multiply recycled mixture with loading frequency

由图6可知：(1)多次再生沥青混合料和全新料在 4℃ 时的相位角均随加载频率的增大而减小.主要是因为混合料在低温下表现出弹性，随加载频率增大，弹性效应增强，因而相位角减小；高温低频时，混合料的矿料骨架效应占主导，相位角随加载频率的增加而增加.(2)1次再生混合料和全新料在 20℃ 时的相位角随加载频率的增大先增大后减小，出现了峰值.这是因为在中温条件下，高频荷载作用时，再生沥青混合料中的高分子物质可适应外力的变化，而降低频率可促进高分子物质的运动，相位角增大；随加载频率的进一步降低，滞后现象减弱，相位角开始减小，因而，相位角存在峰值.随着再生次数的增加，相位角峰值消失，表明再生沥青混合料中沥青性能趋近于非牛顿流体，弹性效应增强.

4 结论

(1)沥青经历多次再生后流变性变差，高温性能提升，低温性能衰减显著.

(2)建立了多次再生沥青组分含量与再生剂掺量的非线性关系模型.多次再生条件下，再生剂在旧沥青中的增溶作用随着其掺量的提高而增强，随着再生次数的增加呈指数式衰减，即1次再生时，增溶作用最强，之后组分调节作用占主导.

(3)沥青混合料经过多次再生后，其马歇尔体积指标均可满足规范要求，高温稳定性呈对数式增长，经历2次再生后低温抗裂性加速劣化，而水稳定性对再生次数的敏感度较低.

(4)1次再生沥青混合料的黏弹特性与全新料在温度和加载频率耦合作用下影响规律较为接近；经过2次再生后，再生沥青混合料弹性效应增强，表现出较低的相位角.