不同温拌剂对再生沥青混合料性能的影响

盛 宁

(保利长大工程有限公司，广东 广州 511431)

2019年末，我国公路总里程达到501.25万公里[1]，随里程的增加，废弃沥青混合料(Re-cycled Asphalt Pavement，RAP)也不断增长，为实现绿色环保的道路行业发展理念，需对RAP进行再次利用。相关学者就RAP再生技术展开了大量研究[2-6]。RAP再生技术主要分为冷再生和热再生，热再生较冷再生可以更好地适用于不同类型损坏的沥青路面；但热再生技术在铺设沥青路面时施工温度高，还要消耗大量燃料，并且在拌制过程中会释放出大量有害气体，造成环境的污染[7]，因此选择一种拌和技术来代替热再生拌和技术势在必行。

相较传统热拌沥青混合料，温拌沥青混合料有效降低了施工中的拌和、压实温度，减少了能源消耗和温室气体排放，改善了施工环境[8-10]。目前，温拌剂在沥青混合料中的应用已趋向成熟，但与再生沥青混合料结合方面的研究还处于探索阶段。秦永春等[11]发现RAP掺量小于50%时，采用温拌技术对于新旧沥青的融合具有促进作用；郭乃胜等[12]研究了3种表面活性温拌剂(S-I、DAT和ET)对再生沥青混合料的路用性能影响，结果表明，DAT再生沥青混合料表现出最好的综合性能，S-I温拌再生沥青混合料次之，ET温拌再生沥青混合料较差；隆海健[13]通过研究得到Sasobit温拌剂不仅能够大幅降低温拌再生沥青混合料的成型温度，还可提升其高温性能，但对其水稳定性影响不大，对低温性能影响不利；张智[14]提出泡沫温拌剂对沥青混合料的施工温度可有效降低，但改善其水稳定性的效果不佳；陈静云等[15]通过流变试验研究了不同老化沥青掺量下，A、B两种温拌再生沥青混合料性能的不同，结果表明，A种温拌再生沥青混合料的降黏效果、低温性能和抗疲劳性能均比B种混合料的性能好，但B种温拌再生沥青混合料的高温性能优于A种混合料。

本文通过加入温拌机理不同的三种温拌剂(Sasobit、Evotherm、Aspha-Min)对RAP掺量不同的再生沥青混合料的降温效果、高、低温性能以及水稳定性能的改善效果进行探究，分析不同类型温拌剂的适用条件，为温拌再生技术的推广和应用提供了一定的参考。

1 原材料及再生剂掺量确定

(1)沥青：所用新沥青采用重交70#基质沥青，旧沥青来自重庆某大修高速公路铣刨料。通过室内试验抽提、回收和旧料分析得到AC-13型回收料中旧沥青含量为3.96%。根据相关试验规程测得新、旧沥青的技术指标如表1所示，旧沥青各项性能有明显的衰减、老化现象。

表1 沥青技术指标

(2)集料：所用回收集料、新集料均为石灰岩，所用矿粉由石灰岩细磨得到。根据《公路工程集料试验规程》测得集料的主要技术指标如表2所示。

表2 集料技术指标

(3)再生剂及掺量：采用自制RA102沥青再生剂，根据《公路沥青路面再生技术规范》测得其基本技术指标见表3，所用再生剂各指标均满足规范要求。

表3 再生剂技术指标

通过添加不同掺量的再生剂对旧沥青的三大指标性能进行恢复，试验结果见表4。

表4 不同再生剂掺量下的旧沥青三大指标变化

由表4可知，再生剂的加入对旧沥青的老化情况有所改善。通过内插法得到再生剂掺量为10%时，旧沥青针入度恢复至74.1(0.1 mm)，软化点恢复至47.8℃，延度恢复至50.7 cm。以针入度为主要参考值，综合其他参考指标，当再生剂的掺量为10%时，其各指标符合表1中规范要求，因此本文中再生剂掺量确定为10%(按旧沥青掺量计)。

(4)温拌剂：目前国内外所用温拌剂多数均为有机物，主要原理是通过添加外加剂或采用分散技术对沥青进行降粘处理[16,17]。文中所用三种温拌剂分别为：掺量为3.0%的有机降黏型温拌剂(Sasobit)，掺量为0.6%第三代表面活性温拌剂(Evotherm)，掺量为0.3%泡沫型温拌剂合成沸石(Aspha-Min)[18-20]。

2 混合料配合比设计

2.1 矿料级配设计

温拌再生沥青混合料主要包括新、旧沥青与新、旧集料，现有研究表明RAP掺量的不同对温拌再生沥青混合料的路用性改善效果有所不同，当RAP掺量为40%时，既可最大限度的利用RAP料，又不会对温拌再生沥青混合料的性能造成不好的影响[21-23]，故本研究选用0%、20%和40%RAP掺量进行路用性能试验；在分析不同RAP掺量影响的同时，还比对了温拌再生沥青混合料的路用性能与热拌再生沥青混合料的路用性能之间的差别。本试验采用AC-13级配，不同RAP掺量的温拌再生沥青混合料经调整后的合成级配如图1所示。

图1 AC-13级配曲线

为了比较三种级配的不同，对图1中RAP掺量不同的再生沥青混合料的级配进行群颗粒均匀度[24]计算。为了方便计算，本文依据质量计算三种级配的颗粒群均匀度，计算公式如式(1)[24]，计算结果见表5。

(1)

式中：Up为颗粒群均匀度；n为粒度的分布组数；Wi为某种粒径的质量占总质量的百分比；di为平均粒径。

从表5可得，随着RAP掺量的增加，颗粒群均匀度减小，说明再生沥青混合料的离析程度随RAP掺量的增加而降低。但并非均匀度越好，再生沥青混合料的路用性能就越好，均匀度越好，只能说明在某区间内再生沥青混合料的路用性能表现的较为优良。

表5 不同级配颗粒均匀度

2.2 最佳沥青用量

最佳沥青用量确定主要有以下三种方法：①采用普通AC-13沥青混合料的最佳沥青用量；②根据不同RAP的掺量分别确定最佳沥青用量；③根据不同种类的温拌剂分别确定最佳沥青用量。

考虑同一沥青用量下三种温拌剂的降温效果和路用性能具有更加直观的对比效果，且温拌剂的加入对再生沥青混合料的所采用的最佳沥青用量没有明显的影响，故采用方法②来确定再生沥青混合料中所用的最佳沥青用量。通过马歇尔试验，得到不同RAP掺量下再生沥青混合料的最佳沥青用量如表6所示。

表6 不同RAP掺量温拌再生沥青混合料最佳沥青用量

由表6可知，随着RAP掺量的增加，最佳沥青用量稍有增加，主要是因为试验过程中包裹在内部的旧沥青未被充分再生，具有再生效果的旧沥青量小于通过抽提试验所得旧沥青含量，导致需要更多的沥青对集料进行裹附，故所需总沥青用量有所增加。掺入的新沥青用量明显减少，是因为随着RAP掺量从0%增加至40%，新沥青和新集料所占比例从100%降至60%，故最佳新沥青用量从4.70%降至2.96%。

3 温拌再生沥青混合料路用性能

三种温拌剂具有不同的降粘机理：Evotherm表面活性剂分子通过其分子两端的疏油基与亲油基和沥青混合料分子相结合，降低其表面张力达到降黏效果[25]。Sasobit温拌剂是在高温拌和过程中熔化，增加沥青流动性，使沥青混合料在施工过程中具有良好的可拌和性和可压实性[26]。Aspha-Min温拌剂是含水性多孔材料，其间水分在高温下迅速蒸发，形成饱和蒸汽，体积膨胀，分离沥青分子、降低沥青黏度[27]。三种温拌剂通过不同的改性机理达到降黏效果，但不同机理的温拌剂是否会对再生沥青混合料的高温、低温及水稳性能造成不同影响，不同机理温拌剂和不同RAP掺量是否会对沥青混合料产生复合效果，需要通过相关试验对其进行进一步分析。

3.1 降温效果

空隙率指标反映沥青混合料的密实程度，采用变温压实方法得到压实温度与空隙率的关系曲线，以4%的空隙率当作标准空隙率，进行沥青混合料压实温度的确定，试验结果如图2所示。

图2 RAP掺量与压实温度关系

根据图2横向对比可知，随RAP掺量的提高，同一类温拌再生沥青混合料的压实温度有所提升，说明RAP的加入提高了沥青黏度，随掺量的增加，黏度也随之提高。主要原因是旧沥青路面在使用过程中在受到自然因素与外部交通荷载等的综合因素作用下，沥青混合料中的轻组分挥发，重组分含量相对增加，造成沥青老化，黏度增加，即沥青混合料达到相同压实效果时，需要更高的压实温度。

根据图2纵向对比可知，三种温拌剂的加入都可以有效的降低再生沥青混合料的压实温度：以20%RAP掺量为例，Sasobit温拌再生沥青混合料、Evotherm温拌再生沥青混合料和Aspha-Min温拌再生沥青混合料的压实温度分别较热拌再生沥青混合料降低了29 ℃、32 ℃和23 ℃。Evotherm表面活性温拌剂具有最佳的降温效果，Sasobit次之，Aspha-Min降温效果较差。

3.2 高温性能

再生后的沥青混合料应该具有良好的高温稳定性能，保证混合料自身的结构强度[28]，防止流动性车辙的出现。为研究RAP掺量的不同对热拌沥青混合料与不同温拌沥青混合料高温性能改善效果的影响，采用车辙试验分别表征在不同拌和状况下再生混合料高温性能的不同，试验结果见图3。

图3 温拌再生沥青混合料车辙试验

由图3可知，不同温拌再生沥青混合料的动稳定度随RAP掺量的增加均有所增大：当RAP掺量从0%增长至40%，Sasobit温拌再生沥青混合料的动稳定度提高了31.76%。RAP掺量从0%增长至20%时，动稳定度的变化最为明显，说明沥青混合料的抗车辙能力随旧料的掺入有显著提高。其原因主要是旧料老化后黏度变大，随着掺量增加，沥青混合料黏度增加，使得再生沥青混合料变硬，抗车辙能力提高。

当RAP掺量为20%时，加入Sasobit、Evotherm以及Aspha-Min温拌剂后的再生沥青混合料的动稳定度分别是热拌沥青混合料的1.53倍、0.89倍和1.10倍，说明温拌再生沥青混合料的高温性能随Sasobit和Aspha-Min温拌剂的加入而有所提高，但随Evotherm温拌剂的加入反而有所降低。

造成上述结果的主要原因如下：Sasobit温拌剂温度低于熔点(100 ℃)时，会以晶体结构存在沥青中，增强了沥青混合料的结构强度，从而使其高温性能有所提升，使得沥青路面具有更好的抗车辙能力。Aspha-Min温拌剂与沥青拌和过程中，是通过瞬间释放大量结晶水发泡进行降黏，当水分蒸发后，Aspha-Min温拌剂充当空隙间的填料，提高了沥青间内聚力，使沥青稠度增大，再生沥青混合料的高温性能随之有所提高。再生沥青混合料高温性能随Evotherm温拌剂的加入略有降低，究其原因，主要为热拌沥青混合料中，高温导致沥青老化，而Evotherm温拌剂的掺入有效减少了沥青混合料在拌和过程中的老化，从而降低了其动稳定度。三种温拌再生沥青混合料的高温性能的大小排序为：3%Sasobit>0.3%Aspha-Min>0.6%Evotherm。

三种温拌再生沥青混合料的高温性能在RAP掺量不同时均呈现相同的变化情况，说明RAP掺量的变化不会影响温拌剂对再生沥青合料高温性能的影响。Evotherm温拌剂的加入降低了再生沥青混合料的高温性能，但RAP材料可以提高其动稳定度，二者复合使用可以使其高温性能优于基质沥青混合料。

3.3 低温性能

当温度较低时，路面面层的沥青结构层受气温变化的直接影响，易产生收缩变形[29]，因此，需对不同RAP掺量下的不同温拌再生沥青混合料以及热拌再生沥青混合料的低温性能进行评价。采用小梁弯曲试验表征不同拌和状况下的再生混合料低温性能改善情况，试验结果如图4所示。

图4 温拌再生沥青混合料小梁弯曲试验

由图4可知，随RAP掺量的提高，温拌再生沥青混合料的最大弯拉应变有所减小，弯曲劲度模量有所提升，说明RAP的加入降低了沥青混合料的抗弯拉形变值，对再生沥青混合料的低温性能改善效果不佳。

加入Evotherm和Aspha-Min温拌剂后，温拌再生沥青混合料的低温性能与热拌再生沥青混合料的低温性能相接近，说明Evotherm和Aspha-Min这两种温拌剂的加入，对再生沥青混合料的低温性能影响不显著。再生沥青混合料的低温性能随Sasobit温拌剂的加入显著降低，当旧料掺量为40%时，Sasobit温拌再生沥青混合料的最大弯拉应变值低于规范值(2 000 με)[30]，这是因为当Sasobit温拌剂的温度低于熔点时，会以晶体结构在沥青中存在，阻碍了其他分子的组成和移动，低温下增加了沥青粘滞性，使其表现出脆性[31]。Sasobit温拌剂和旧料对沥青混合料低温性能的改善效果均不好，二者综合作用，明显降低了沥青混合料的低温性，因此在Sasobit温拌再生沥青混合料中，RAP掺量小于40%时才会达到改善效果。

三种温拌再生沥青混合料的低温性能排列顺序为：0.3%Aspha-Min>0.6%Evotherm>3%Sasobit。

3.4 水稳定性能

在水或冻融循环以及动态荷载等因素的作用下沥青路面在使用过程中易发生水损害现象[29]，因此再生后的沥青混合料应具有良好的水稳定性。本文通过冻融劈裂试验来评价不同RAP掺量下的热拌沥青混合料与不同温拌沥青混合料的水稳定性能，试验结果如图5所示。

图5 温拌再生沥青混合料冻融劈裂试验

由图5可知，RAP掺量为0%时，四种再生沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比(TSR)均大于75%，满足规范[32]要求。随着RAP掺量的提高，温拌再生沥青混合料的TSR明显降低，说明旧料在一定程度上对沥青混合料的水稳定性改善效果很差。

相同RAP掺量下，相比热拌沥青混合料，Evotherm温拌再生沥青混合料抗水损害能力较强，Sasobit温拌再生沥青混合料的抗水损害能力略有下降，但相差不大。Aspha-Min温拌再生沥青混合料具有较差的抗水损能力，因为Aspha-Min温拌剂是含水性多孔材料，与沥青混合料拌和过程中释放的水分并非全部挥发，残留的水分会减弱沥青与集料之间的粘结力，从而导致沥青混合料的抗水损害能力变差，故Aspha-Min温拌剂应尽量避免在RAP掺量较高的再生沥青混合料中使用。

RAP掺量的不同，温拌再生沥青混合料的抗水损害能力排序为：0.6%Evotherm>3.0%Sasobit>0.3%Aspha-Min。

4 结论

(1)随着RAP掺量的提高，再生沥青混合料的压实温度有所提高，RAP掺量与压实温度之间呈线性正相关关系，三种温拌剂均可有效降低再生沥青混合料的压实温度。三种温拌剂中，Evotherm的温拌效果最佳，Sasobit次之，Aspha-Min最差。

(2)RAP掺量不同的温拌再生沥青混合料的路用性能变化情况呈现一致性。三种温拌再生沥青高温性能排序为Sasobit>Aspha-Min>Evotherm；低温性能排序为Aspha-Min>Evotherm>Sasobit；水稳定性能排序为Evotherm>Sasobit>Aspha-Min。

(3)RAP掺量的加入提升了沥青混合料的高温性能，降低了其低温性能和水稳性。温拌剂的加入除了可以降低再生沥青混合料压实温度，对沥青混合料的路用性能也会造成不同的影响。Evotherm温拌剂降低了沥青混合料的高温性能，但在RAP材料的相互作用下，可抵消部分Evotherm温拌剂对沥青混合料高温性能的影响；Sasobit温拌剂和RAP对沥青混合料的低温性能均有不利影响，同时使用时，RAP掺量应该小于40%；Aspha-Min稳定剂和RAP对沥青混合料的水稳定性改善效果均不好，二者综合作用会对沥青混合料水稳定性造成双重损害，应避免同时使用。