废旧沥青路面材料的再生利用研究

刘 欢，林 杰

（1.湖北交投高速公路运营集团有限公司，武汉 430074；2.湖北交投智能检测股份有限公司，武汉 430100）

中国经济飞速发展离不开我国道路的不断建设。根据交通运输部发布的《2020年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2020年底，我国公路总里程已经达到519.81万km，其中高速公路里程达到16.10万km，里程数稳居世界第一。公路养护里程也达514.40万km，占公路总里程99.0%。有些道路经过多年的使用已经到了大中修阶段，不可避免地产生了大量废旧沥青路面材料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）[1]，这使得我国不得不面对巨量RAP处理的问题。巨量RAP如果得不到妥善处理，会造成一系列的资源浪费和环境破坏问题。因此如何开展RAP的再生利用是我国道路领域需迫切解决的重点任务之一。

实际上，欧美和日本等发达国家早在20世纪80年代就开展了RAP的再生利用研究。1981年美国就出版了《路面废料再生指南》，大力发展路面再生技术，使得再生沥青路面成为应用最广泛的再生产品之一[2]。后续日本也大力推动RAP再生技术的发展，现阶段日本的RAP利用率已经高达70%[3]。我国相关研究起步较晚，但也于2008年出版了JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》[4]。研究人员也针对RAP开展了广泛研究，陈龙等[5]研究了新沥青与旧沥青相互融合的问题；郭乃胜等[6]开展了再生剂对温拌再生沥青混凝土工程性能的影响，发现再生剂对沥青路面低温抗裂性能和水稳定性有明显改善作用；也有学者开展了RAP掺量对再生沥青混凝土工程性能的影响研究[7]。经过多年的发展，我国在2019年重新修订了规范，新出版了JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》，旨在进一步提高RAP的利用率[8]。在实际工程中，RAP掺量一般控制在30%以下，这主要是因为RAP掺量的提高会显著削弱再生沥青混凝土的抗疲劳性能、抗水损害性能等。因此提高RAP掺量的同时保证再生沥青混凝土的工程性能是推动其高效利用的关键。

本研究分析了在再生剂作用下RAP掺量对再生沥青混凝土主要工程性能的影响，使用车辙试验、四点弯曲疲劳试验及水稳定性试验分别表征了再生沥青混凝土的高温性能、疲劳性能及水稳定性能。旨在突破RAP在沥青混凝土中的常规掺量，提高RAP的利用效率。

1 原材料性能

相关试验所用的粗集料和细集料均为天然石灰岩，填料为采用石灰岩粉磨的矿粉，沥青为AH-70号基质石油沥青，RAP为从湖北某高速公路面层铣刨的废料。再生剂为江苏某化工厂生产的高性能沥青再生剂，其性能参数见表1。再生剂掺量为老化沥青质量的7%（厂家推荐值）。

表1 再生剂性能指标

2 试验方法

按照马歇尔方法设计不同RAP掺量的再生沥青混凝土。RAP的颗粒级配见表2，将RAP与新集料、矿粉及新沥青等材料组合使用，设计再生沥青混凝土。RAP的掺量分别设定为35%、40%、45%、50%、55%。每种RAP掺量的再生沥青混凝土均分为添加再生剂和未添加再生剂2种情况。对设计出的再生沥青混凝土进行车辙试验、四点弯曲疲劳试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。

表2 RAP的级配

3 结果与讨论

3.1 高温性能

由图1车辙试验结果可知，相比于35%的RAP掺量，当RAP掺量为40%、45%、50%、55%时，未加再生剂的沥青混凝土动稳定度分别增加了4.7%、11.2%、15.2%、27.8%；加再生剂后的沥青混凝土动稳定度则分别增加了6.7%、11.7%、16.0%、34.0%。说明无论添加还是不添加再生剂，再生沥青混凝土的动稳定度都随着RAP掺量的增加而增加。说明RAP的掺入有利于提高沥青路面的高温性能，同时表明再生剂的加入也一定程度上提高了路面的抗车辙能力。

图1 车辙试验结果

这可能主要受RAP表面旧沥青的影响，旧沥青在路面服役过程中已经严重老化，基本性质发生了显著改变：流变性能变弱，变硬、弹性增强。这将导致再生沥青混凝土在高温环境下不易软化，路面具有较好的高温稳定性。当引入再生剂后，虽然RAP表面旧沥青发生一定程度的软化，但软化的旧沥青得以与新沥青相互融合，使得RAP与新沥青的黏附状态向再生体系中新集料与新沥青的黏附状态转变。因而，整个再生沥青混凝土体系不同成分的配伍性得到改善，作用的均一性得到提高，因而再生沥青混凝土的整体抗变形能力有所提高。

3.2 疲劳性能

采用四点弯曲疲劳试验对再生沥青混凝土的疲劳性能进行评价。试验采用应变为400 με，频率为10 Hz，试验温度为15℃，将试件弯曲劲度模量降低到初始值50%时对应的荷载循环加载次数作为疲劳寿命。疲劳试验结果如图2所示。由图2可知，随着RAP掺量的增加，未加入再生剂和加入再生剂的再生沥青混凝土疲劳寿命都逐渐减小，抗疲劳破坏能力逐渐下降，其中前者下降更为明显。具体来看，在RAP掺量为35%时，加入和未加入再生剂的试件疲劳寿命分别为14.1万次和12.3万次，当RAP掺量从35%逐步提高至55%时，前者疲劳寿命分别下降了6.4%、16.3%、40.7%、57.4%；后者疲劳寿命则分别下降了17.1%、30.1%、60.2%、78.9%。说明再生剂能显著提高再生沥青混凝土的抗疲劳破坏性能。

出现图2所示结果，可能主要有以下原因。一是RAP表面老化沥青韧性差，RAP的掺入导致沥青混凝土变硬，且RAP掺量越多，影响越明显。此外，在长期服役过程中，RAP中旧集料的强度、表面粗糙度等性能均发生了改变。因而RAP的掺入使沥青混凝土的疲劳性能有所下降，且随着RAP掺量的增加下降越来越明显。另一方面，再生剂的加入使老化沥青发生部分软化，旧沥青韧性得到提高，从而再生沥青混凝土的抗疲劳破坏性能有所改善，但再生剂无法改善旧集料强度、表面粗糙度等性能问题。因而，随着RAP掺量的增加，含再生剂的沥青混凝土疲劳寿命依然出现不同程度的下降。

图2 疲劳试验结果

3.3 水稳定性能

水稳定性试验结果如图3和图4所示。从图3和图4中可以看出，无论加入再生剂与否，残留稳定度和劈裂强度比都随着RAP掺量的增加而下降。对于未加入再生剂的再生沥青混凝土，RAP掺量为35%时，浸水残留稳定度为82.9%，冻融劈裂强度比为75.8%，随着掺量的增加两者均快速下降，在RAP掺量达到55%时，残留稳定度仅为64.9%，劈裂强度比为60.2%。可以看出水稳定性是限制RAP掺量的重要原因。JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》对普通沥青混凝土水稳定性指标有较严格的要求：残留稳定度大于80%，劈裂强度比大于75%。可见，RAP掺量即便只有35%，不含再生剂的再生沥青混凝土劈裂强度比也仅勉强满足规范要求。对于加入再生剂的再生沥青混凝土，水稳定性则有了明显改善，RAP掺量为35%时，残留稳定度为90.3%，劈裂强度比为84.4%，但随着RAP掺量增加，水稳定性指标也逐渐下降，在掺量为50%时，残留稳定度和劈裂强度比已经分别降至79.9%和74.5%。已经很难再满足JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》的要求。因此，根据水稳定性指标的变化来看，大掺量RAP再生沥青混凝土中需加入再生剂；即使加入再生剂，RAP掺量也应控制在45%以内，以免水稳定性不符合规范要求。

图3 浸水马歇尔试验结果

图4 冻融劈裂试验结果

大掺量RAP再生沥青混凝土后，水稳定性之所以会出现明显下降，同样和RAP的性质密不可分。一方面，随着RAP掺量的提高，旧沥青含量逐渐增加，而老化沥青较硬、较脆，导致旧沥青与再生体系新材料间的黏结作用较差，在冻融和浸水环境中容易发生水损害。且随着RAP掺量的增加，更易发生水损害，水稳定性下降更加明显。而再生剂含有轻质组分，轻质组分的增加会降低老化沥青的黏度，同时降低沥青质和胶质含量，使得沥青有更好的极性，进而提高了老化沥青与再生体系中其他材料之间的黏附性，这将使得RAP再生混凝土的水稳定性得到明显提高，但再生剂掺量提高水稳定能力有限，因此建议RAP掺量控制在45%以内。

4 结束语

本研究旨在采用再生剂提高大掺量RAP沥青混凝土的工程性能，在保证再生沥青混凝土工程性能的前提下，达到提高RAP利用效率的目的。通过研究发现，随RAP掺量的增加，再生沥青混凝土的高温稳定性逐渐提高，疲劳性能和水稳定性逐渐下降。采用再生剂可以改善再生沥青混凝土的工程性能。对于大掺量RAP的再生沥青混凝土，即使在加入再生剂的基础上，也建议将其掺量控制在45%以内，以确保水稳定性指标满足规范要求。