大掺量RAP温拌沥青混合料研究及应用

2023-01-08彭闵敏姜传勇郭旭东

山西建筑 2022年10期

彭闵敏,姜传勇,郭旭东

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川成都 610213)

1 概述

随着城市道路和高速公路的高速发展，我国即将进入道路高维修阶段。截至2020年底，我国高速公路的总里程已经增长至15.29万km[1]，位居世界第一。交通运输需求日益增长，道路在其投入使用过程中会因荷载和环境作用(日照、雨水及冻融等)发生各种道路病害，迫使道路维修成本日益增长，且传统沥青路面维修方法还会产生大量的建筑垃圾，因此，旧沥青混合料的回收再利用受到众多关注。再生沥青混合料是指含有沥青路面回收料(Reclaimed Asphalt Pavement，简称RAP)的混合料，通常会按比例掺入新沥青、矿料和再生剂[2]，相比于传统沥青混合料可以节省原材料，实现资源再生利用。现阶段主要的沥青路面再生技术有五种：厂拌热再生、就地热再生、厂拌冷再生、就地冷再生和全深式热再生。其中，应用最广泛且较成熟的为厂拌热再生方式。然而，厂拌热再生的施工温度过高，易引发RAP中沥青的二次老化，且厂拌热再生沥青混合料中，RAP的利用率普遍不高(20%～30%)，故研究学者尝试采用温拌技术来解决热拌存在的问题。

温拌再生技术是通过加入适量温拌剂来实现再生沥青混合料拌和施工温度的有效降低，可达30 ℃以上[3]，拌和温度的降低既可防止RAP的二次老化，减少沥青烟和有毒气体的排放，又可减少RAP在加热桶中的加热黏结现象，故亦可提高RAP的掺量[4]。针对此技术，本文主要从温拌剂、再生剂、RAP掺量及工程应用四个方面对大掺量RAP温拌沥青混合料的研究和发展现状进行综述。

2 大掺量RAP温拌再生沥青混合料研究和应用现状

2.1 温拌剂

温拌剂主要通过降低沥青的黏度，使再生沥青混合料能够在较低的温度下进行拌和施工。国内外使用的温拌剂主要分为三类[5]：

1)表面活性剂。

表面活性剂的加入可以使再生沥青混合料表面形成结构性的水膜，进而短暂抵消沥青的黏结作用，让沥青混合料在更低的温度下拌和成型。查阅的文献中，Evotherm型表面活性温拌剂的应用最为广泛。尚海龙等[6-7]对掺入Evotherm的再生混合料进行研究，试验表明Evotherm的加入有效的降低温拌再生沥青混合料的黏度，提高再生沥青混合料和易性，同时当RAP掺量到40%时，温拌再生沥青的低温性能明显优于热拌再生沥青。张玉杰[8]使用两种表面活性剂(Evotherm-DAT和保利同S-I)进行对比试验，实验表明当RAP掺量增加时，成型温度都随之增加；当RAP掺量小于40%，加入保利同S-I温拌剂比Evotherm-DAT温拌剂的成型温度更低，具有更好的降温压实效果；当RAP掺量接近50%，加入Evotherm-DAT温拌剂的降温效果更好，其压实目标更容易实现。李子豪[9]分析了掺配比为0.3%～0.9%的Evotherm对沥青性能影响的研究，发现适量温拌剂对沥青的针入度和软化点影响均很小，不会阻碍再生沥青的路用性能。

2)有机添加剂。

有机添加剂主要通过减少沥青之间的黏度，保证再生沥青混合料性能的同时降低拌和温度。使用最常见的有机添加剂为合成蜡类(Sasobit)，其熔点更低，面对高温时可以有效降低沥青胶结料间的黏度，提高骨料和沥青的黏结度。王玄同[10]对比了不同温度下分别掺入合成蜡类温拌剂A和表面活性温拌剂B的再生沥青混合料的旋转黏度，实验表明温拌剂B对黏度降低不明显，相反温拌剂A能够使黏度降低25%，并且在高掺量下其降黏效果更佳。DI WANG等[11]研究掺入Sasobit温拌剂对再生沥青混合料的影响，试验发现温拌再生沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

3)沥青发泡剂。

沥青发泡剂主要包含人工合成沸石和天然沸石，Aspha-min型人工合成沸石温拌剂应用最为广泛。其作用机理是通过向沥青混合料中加入含水性材料，两者产生剧烈的反应在其接触面上形成泡沫，从而降低再生沥青混合料的黏度。同时泡沫沥青由于其体积膨胀，对集料具有更好的裹附作用，改善了较低温度下拌和再生沥青集料的和易性。G.VALDES-VIDAL等[12]研究天然沸石是否能够代替传统表面活性温拌剂，试验使用斜发沸石型的天然沸石，研究发现斜发沸石的加入使拌和温度和成型温度降低了20 ℃，达到了与表面活性剂相同的降温效果。WEIMIN SONG等[13]通过对比分析掺入发泡温拌剂和未掺入温拌剂的50%RAP再生沥青混合料，发现温拌沥青混合料降低约20%能源消耗。

三类温拌剂对温拌再生沥青混合料性能都有明显的提升，并有效的降低了拌和施工温度。在沥青路用性能试验时，应该根据工程情况选择温拌剂种类，进而最大程度提升温拌再生沥青混合料的路用性能。

2.2 再生剂

再生剂作为一种具有溶解和分散沥青质的化学试剂。传统沥青老化后沥青的成分发生改变，油分蒸发减少、沥青质则增多使得沥青的内部结构发生变化表现为硬脆性，各项性能指标(针入度、软化点、延度)均可能达不到设计标准[14]。再生剂的加入可以降低旧沥青的黏度，调节针入度和软化点，使旧沥青的各项性能指标都能够恢复到设计标准[15]。

对于高掺量再生沥青混合料，再生剂的使用可以有效提高旧沥青基本性能。HESAMADDIN NABIZADEH等[16]使用RAP掺量为65%的沥青混凝土和细骨料基质进行试验，选取基于不同生产技术的三种不同类型再生剂：R1(基于石油技术)、R2(基于绿色技术)和R3(基于农业技术)对再生沥青混合料的黏弹性刚度、疲劳开裂行为和永久变形的性能进行测试分析，研究表明再生剂降低了大掺量RAP再生沥青混合料的黏弹性劲度并提高了其耐疲劳性。MARISA DINIS-ALMEIDA等[17]针对100%掺量温拌再生沥青混合料进行研究，使用含有多胺添加剂的沥青乳液黏合剂，实现了100%RAP再生沥青混合料配合比设计，试验表明WM244和WM346(100%RAP再生沥青混合料)混合料中分别加入2%沥青乳液和3%沥青乳液时，温拌再生沥青混合料的各项性能指标均可以满足要求。王玄同主要对100%高掺量下再生沥青混合料的各项性能进行研究，试验结果表明当采用4%的ZGSB再生剂和3%的合成蜡类温拌剂时，掺入100%RAP的再生沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能均接近于基准值，且能满足规范设计要求。

不同种类再生剂对于旧沥青的针入度、软化点和延度的提升效果略有区别，应根据温拌再生沥青混合料的路用性能要求选择再生剂的种类和最佳掺量，再生剂加入温拌再生沥青混合料后提高了新旧沥青融合后的路用性能和温拌再生沥青混合料中RAP利用率。

2.3 对温拌再生沥青混合料性能的影响

RAP掺量对温拌再生沥青混合料性能的影响研究主要集中在三个方面：

1)高温稳定性。在日照下，沥青路面会吸收大量的热，夏季高温时，路面温度可达到70 ℃以上，沥青混合料内部结构会发生改变，从而影响沥青路面的使用寿命。李佳坤[18]通过车辙试验评定温拌再生沥青混合料的高温性能，实验发现随着RAP掺量(0%～50%)增大再生沥青混合料的动稳定度也随之增大，高温稳定性能有明显的提高，其原因在于RAP掺量的增加，沥青中的稳定组分——地沥青质含量增多，抗高温性能明显提升。朱小刚[19]通过试验分析温拌剂的加入对大掺量RAP(65%～85%)沥青混合料高温性能的影响，对比加入Sasobit，Defuron和无温拌剂三种情况下的动稳定度，结果表明加入Sasobit温拌剂对高温性能有所提升，而加入Defuron温拌剂的动稳定度低于无温拌剂下的基准值。WEIMIN SONG等研究了再生剂对RAP掺量为50%的温拌再生沥青混合料高温稳定性的影响，发现再生剂的加入使再生沥青混合料发生软化效应导致其抗车辙能力下降。由此可见，温拌再生沥青混合料的高温稳定性会随着RAP掺量的提升而有一定的改善，再生剂和温拌剂的使用会在一定程度上产生影响，使用时应该选用合适的品种和掺量。

2)低温抗裂性。低温抗裂性的研究主要针对我国北方地区冬季温度极低，容易导致沥青路面严重脆性开裂等病害。徐世法等[20]对比分析了30%，45%，60%掺量下温拌再生沥青混合料的最大弯拉应变，发现随着掺量增大，最大弯拉应变呈减小趋势；当掺量达到60%时，再生沥青混合料最大弯拉应变已低于规范要求。同样，刘自若[21]对比了30%，40%和50%掺量下再生沥青混合料的低温抗裂性能，实验表明当掺量最低即为30%时，低温最大弯拉应变最高，劲度模量最低，抗低温性能最佳。陈静云等[22]采用弯曲梁流变试验对比普通再生沥青混合料和温拌再生沥青混合料的低温性能，试验发现掺入降黏型温拌剂使其再生沥青混合料的抗疲劳性能和低温性能分别提升了30%和7%，表面活性剂的加入使其再生沥青混合料抗疲劳性能和低温性能分别提升了10%和2%，由此可见，降黏型温拌剂相比于表面活性温拌剂，对再生沥青混合料的抗疲劳性能和低温性能提升更加明显。

3)水稳定性。水稳定性不足是指水分侵入沥青路面，降低了沥青与矿料之间的黏结力，导致再生沥青混合料的强度受到严重削弱。韩永强等[23]通过浸水马歇尔试验，发现随着RAP掺量在0%～50%范围内，再生沥青混合料的冻融劈裂强度和水稳定性均呈逐渐下降趋势，当掺量超过50%，再生沥青混合料的水稳定性降低幅度增大，无法满足再生沥青混合料的路用性能要求。王维营同样使用浸水马歇尔试验，分别测试了合成蜡类温拌剂和表面活性温拌剂对不同RAP掺量再生沥青混合料的影响，试验发现随着RAP掺量增大，残留稳定度都逐渐降低，试验表明两种温拌剂的加入对再生沥青的水稳定性都有削弱影响。综上所述，随着RAP掺量增大，温拌再生沥青混合料高温稳定性会有一定程度地提高，而低温抗裂性和水稳定性均有所降低。

2.4 工程应用

郭鹏[24]将AC-20C温拌再生沥青混合料(RAP掺量为20%)应用于成渝高速公路K55～K66路段的路面中面层，现场工作流动性良好，碾压后，通过高温稳定性、水稳定性及路面渗水等试验检测，结果表明各性能指标均能满足规范要求；且通过新建段和已有普通热拌沥青混合料路面段有害气体排放量进行对比，发现温拌现场烟气少，对施工人员健康威胁小，可提高环境效益，改善施工环境；同时，该作者还对比了不同RAP掺量下的经济成本，表明掺入RAP的温拌沥青混合料有明显的经济优势。刘自若在江苏某公路段进行了AC-16温拌再生沥青混合料(RAP掺量为40%)的应用探索，对其两年后的路面综合使用情况进行测试，其路面动稳定度DS、最大弯拉应变和冻融劈裂比测试结果均优于规范设计值，表明温拌再生沥青路面仍然具有良好的路用性能。王淼[25]依托于顺义区天北路大修工程，对比45%RAP掺量下使用Evotherm温拌剂的WAC-20C再生沥青混合料和RAP掺量为30%的热拌再生沥青混合料的铺筑效果，发现温拌再生沥青混合料的冻融试验、弯曲试验和车辙试验结果均优于热拌再生混合料；并且温拌再生方式的施工温度降低了30 ℃，达到了节约能源和降低有害气体排放的目的。许湛成[26]依托广东省惠州博罗段进行现场摊铺研究，达到工程验收要求后，通过钻芯取样方式对沥青路面路用性能进行检测，检测结果都符合规范设计要求。由上可知，高掺量RAP温拌再生沥青混合料已经在工程上得到了一定的应用，具有明显的经济和环保效益[27]。