公路沥青再生剂掺量确定方法研究现状

2021-12-06朱继飞

砖瓦 2021年11期

朱继飞

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112）

沥青路面再生技术充分利用养护工程中产生的废旧路面材料，可减少对资源的过渡攫取，促进资源节约集约利用，推动碳达峰和碳中和目标的实现，支撑生态文明建设以及交通强国等政策的实施。

沥青在长期服役过程中发生老化，性能发生衰减，掺入再生剂可以使老化的沥青性能得以恢复。一般情况下，随着沥青再生剂掺量的增加，老化沥青的流变特性恢复效果逐渐改善，混合料抗裂性能逐渐增加；但是，再生剂掺量过高时，不仅增加了工程成本，还对混合料的高温性能产生不利影响。因此，通常需要确定再生剂掺量的合理上下限，通过设置下限以保证混合料具有足够的抗疲劳特性和低温抗裂特性，通过设置上限以保证混合料具有足够的抗车辙性能。

本文拟通过调研国内外文献中再生剂掺量确定方法研究现状，以期为再生剂的应用提供相关支撑，从而实现在保证再生沥青具有优异的流变性的同时，再生沥青混合料具有优良的抗裂及抗车辙性能[1]。

1 再生剂掺量确定方法

根据材料生产厂商的建议目前的研究主要，确定再生剂掺量。但是实际情况下，由于混合料种类、RAP料的特性和RAP料掺量的不确定性等诸多因素，该方法的有效性、合理性值得商榷。此外，再生剂的合理掺量还与胶结料种类、胶结料流变特性以及集料种类等因素有关。

目前有很多确定再生剂掺量的试验方法，但是尚无标准的试验方法。《公路沥青路面再生技术规范》（JTG T5521-2019）等规范主要是基于针入度体系确定再生剂掺量，即研究黏度、针入度等指标随再生剂掺量的变化趋势，从而确定合适的再生剂掺量。韩森[2]等提出了通过动态剪切流变试验确定再生剂最佳掺量的方法，该方法不同于针入度等经验性指标，关键在于根据再生沥青的流变特性确定再生剂掺量。

Zaumanis[3]、Yan[4]等根据再生沥青的黏度或针入度编制调和图表，在此基础上确定最佳再生剂掺量。AASHTO M323《Super⁃pave体积配合比设计标准规范》中根据公式1通过调和表确定调和沥青的PGH（高温性能等级）：

a.分别做出RAP掺量（再生沥青混合料中铣刨料掺量）与连续PGH（高温性能等级）的关系（图1），结合新沥青和回收沥青的连续PGH（高温性能等级），确定任一RAP 掺量下的PGH（高温性能等级）。研究表明，通过该方法确定的PGH（高温性能等级）实测值与计算值具有较高的相关性（图2），相关系数R2=0.938。

图1 调和沥青表示例

图2 计算PGH与实测PGH相关性

b.根据调和沥青PGH（高温性能等级）与再生剂掺量的关系，得到PGH（高温性能等级）恢复至目标PGH（高温性能等级）所需的再生剂掺量。研究表明，对于某种再生剂，对应不同目标PGH（高温性能等级）的再生剂掺量与调和沥青的PGH（高温性能等级）的关系曲线斜率一定，故再生剂掺量=（PGH调和-PGH目标）/斜率，其中斜率可通过不同掺量再生剂的回收沥青PGH（高温性能等级）确定。

Tran[1]等人通过评价再生剂掺量对再生沥青PG 等级的影响，确定最佳再生剂掺量。Shen 和Ohne[5]提出了一种综合评价方法，即通过研究再生剂在AASHTO M320《沥青胶结料性能分级》规范中的三个特征温度条件下的流变性能恢复情况，确定再生剂掺量，其中特征温度为PG高温、中温和PG低温。其制备了不同再生剂掺量（老化沥青质量的6%、9%和14%）的再生沥青，并通过DSR 试验和BBR 试验评价不同老化条件下（原样沥青、RTFO 老化和RTFO+PAV 老化）的再生沥青流变特性。结果表明：高温条件下，再生剂显著降低了老化沥青的车辙因子G*/sinδ，且随着再生剂掺量的增加，指标恢复速率呈非线性变化，并且在低掺量区间变化更为显著；中温条件下，随着再生剂掺量增加，再生沥青的G*sinδ呈线性下降的趋势；低温条件下，随着再生剂掺量的增加，再生沥青的劲度S线性下降，蠕变斜率m值则线性增加。Zaumanis 等人[3]的结果则与Shen 等的结果呈现出不一样的趋势，Zaumanis的研究表明，再生沥青的高温指标及低温指标与再生剂掺量呈线性关系，而中温疲劳指标则非线性关系。

2 再生剂掺量方法

Amy Epps Martin[6]等基于再生沥青的流变特性提出了几种确定再生剂掺量的方法，主要包括恢复PGL（验证PGH）、恢复Δ Tc=-5℃以及恢复PGH（匹配连续PGH）。

2.1 恢复PGL（验证PGH）[6]

研究再生剂掺量与PGL的关系，将PGL恢复至目标PGL（低温性能等级，根据气候、交通等条件综合确定），得到初步再生剂掺量，验证PGH是否满足要求，如果PGH不满足要求，则需要在PGL满足条件的情况下，调整再生剂掺量。该方法概括如下，如图3所示。

图3 再生剂掺量确定方法示例

a.分别做出未老化的胶结料PG高温等级PGH（高温性能等级）、短期老化后的胶结料高温等级PGH（高温性能等级）、S控制的胶结料PGL、m控制的胶结料PGL与再生剂掺量的关系曲线；

b.建立每条曲线的线性回归方程；

c.在PGL 值较高的曲线上，以0.5%为增量确定达到目标PGL所需的再生剂掺量；

d.在PGH（高温性能等级）值较低的曲线下，检验初始沥青用量时的PGH（高温性能等级）；

e.必要时，增加或降低0.5%再生剂，保证胶结料高温等级满足要求，同时使胶结料低温等级与目标PGL一致。

研究表明，采用该方法确定的再生剂掺量配置再生沥青，经PAV40h老化后，再生沥青已经失效，具有开裂倾向（图4），即该方法得到的再生剂掺量难以保证再生沥青混合料的耐久性，再生效率不高。

图4 再生沥青的G-R参数

2.2 ΔTc=-5℃[6]

Anderson等人的研究建议当沥青经PAV老化40h后，若ΔTc=-5℃，则可以将老化开裂风险降至最低。但是，如果根据这一理论确定再生剂掺量，一般情况下，再生剂掺量很高，一方面增加了成本，另一方面也降低了混合料的高温性能。因此，研究建议选取再生沥青经PAV 老化20h后，ΔTc=-5℃时的再生剂掺量，以提高再生剂的再生效率。

研究表明，对于PGH 在58℃～69℃之间的回收沥青，采用该方法确定的再生剂掺量往往不能保证混合料的高温性能，当再生沥青经过RTFO 老化后，再生沥青过于软化，从而产生车辙病害。此外，如果新沥青品质很高，ΔTc为负值，可以降低再生剂掺量，相位角满足要求，但是再生效率依旧不高。

2.3 恢复PGH（匹配连续PGH）[6]

该方法即将回收沥青的PGH（高温性能等级）恢复至目标PGH（高温性能等级），一般在车辙满足要求的情况下，提高再生剂掺量以保证耐久性与抗裂性能。该方法仅需通过DSR试验来完成，研究表明，当PGH（高温性能等级）恢复至目标PGH（高温性能等级）时，PGL 亦可恢复至目标等级，再生沥青低温性能甚至更加优越，一般建议采用该方法。需要说明的是，本方法的PGH（高温性能等级）为连续PGH（高温性能等级），即根据不同温度下的车辙因子，通过插值取车辙因子为1.0kPa 时的温度即为连续PGH（高温性能等级）。