温拌再生沥青混合料二次老化性能研究

2023-12-27王立军张峥玮

合成材料老化与应用 2023年6期

赵强，王立军，张峥玮，张雨

(东北林业大学土木与交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

随着我国交通事业的不断发展，沥青路面因施工便利、路用性能优良以及行车舒适等优点被广泛铺筑于我国各级公路[1]。截至目前，早期摊铺的沥青道路许多已经进入大修或改扩建阶段，由此产生的大量沥青路面铣刨料无处处理、堆积占地，并且对环境也会造成一定的污染[2]。因此，我国对于废旧沥青路面的再生利用越来越重视，但传统热再生技术加热温度过高，导致产生有毒气体的产生，不利于保护环境[3]。厂拌热再生对于RAP旧料的利用率较低，而就地热再生会因为局部温度过高造成部分混合料老化，裂化路面的性能[4]。综合考量，温拌再生技术的研究就显得尤为重要，温拌剂的添加可以降低再生沥青混合料的拌和温度，减少有毒有害气体的排放，既节约能源又保护环境[5]。温拌再生技术还提高了RAP的利用率，并减轻了短期老化，让再生路面拥有良好的路用性能[6]。

RAP中的老化旧沥青经过长期老化失去了部分轻质组分，并且沥青变硬变脆，流变性能显著减弱[7]。温拌再生技术虽然会加入一定量的再生剂、温拌剂以及新沥青，但对再生沥青混合料的低温、水稳以及疲劳性能改善有限[8]。温拌再生沥青混合料中的老化旧沥青已经历过一次老化，在铺筑使用过程中仍然会出现二次老化的情况[9]。温拌再生路面的二次老化对于其路用性能有何影响、与新路面的首次老化有何不同以及对比二者老化后路用性能的衰减情况目前尚不明确，因此有必要对温拌再生沥青混合料二次老化后的性能进行研究。

为研究温拌再生沥青混合料二次老化路用性能，采用高温车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及半圆弯曲疲劳试验对未老化沥青混合料和温拌再生沥青混合料进行性能试验，结合试验数据评价二次老化对温拌再生沥青混合料的影响。

1 原料及老化方法

1.1 原材料

研究选用SBS（I-C）聚合物改性沥青作为新沥青，性能指标见表1。为将新旧沥青各组分平衡，恢复RAP中旧沥青性能指标，对旧沥青使用再生剂进行再生处理，其掺量为RAP中老化旧沥青质量的4%，再生剂性能指标见表2。

表1 SBS I-C 改性沥青性能Table 1 Properties of SBS I-C modified asphalt

表2 再生剂技术指标Table 2 Technical indicators of regenerant

温拌剂可以降低沥青混合料的拌和和压实温度，大大减少能源的消耗，有利于保护环境。研究采用Evotherm 3G温拌剂，它是一种由降黏剂、抗剥落剂和乳化剂组合的化学添加剂，外观呈现为暗褐色液体，掺量为沥青用量的4%。本研究经过沥青旋转黏度试验可知，Evotherm 3G温拌剂将沥青混合料拌和温度从170℃降为137℃。

研究选用SBR（丁苯橡胶）作为改性剂，其外观呈白色颗粒粉末，细度为30～40，伸长率为300%，抗拉强度为28MPa，掺量为沥青用量的4%。

试验所用的RAP取自某市政道路改建工程，混合料类型为AC-16，铣刨破碎之后分为5～10 mm和10～20 mm两档，详细筛分结果见表3。

表3 RAP铣刨料规格Table 3 Specifications of RAP milling material

RAP掺量分别选用0%、20%、30%、40%和50%，为减小因矿料级配造成的差异，沥青混合料选择连续型密集配AC-16的级配中值作为合成级配。混合料配合比设计采用马歇尔设计方法设计，最终沥青混合料空隙率控制在4%±0.5%，RAP旧料掺量为0%、20%、30%、40%和50%时的最佳沥青用量分别为5.0%、4.8%、4.5%、4.3%和4.0%。

1.2 老化

以往研究中将沥青混合料放入135℃的通风烘箱中恒温4h模拟混合料短期老化，本研究采用温拌方法，已经大大降低了沥青混合料的施工温度，所以本次试验不考虑运输拌和途中的短期老化过程，仅考虑沥青混合料作为路面的长期老化过程。将成型的沥青混合料试件立刻放入85℃通风烘箱中恒温120h，取出后静置冷却12h完成长期老化过程。

1.3 混合料分类

本研究将沥青混合料分为4大类：（1）R0：无RAP沥青混合料；（2）R1：RAP+再生剂；（3）R2：RAP+再生剂+ Evotherm 3G；（4）R3：RAP+再生剂+ Evotherm 3G+SBR；

本研究模拟了8种沥青混合料，其分类指标包括是否使用再生剂、温拌剂、SBR改性剂以及RAP掺量，具体分类见表4。

表4 温拌再生沥青混合料分类Table 4 Classification of warm mix recycled asphalt mixture

表4中，混合料类型0、1、2和3代表混合料大类，数字20、30、40及50代表RAP旧料掺量百分比。

2 路用性能研究

为研究温拌再生沥青混合料二次老化后的路用性能，对8种沥青混合料的高温、低温、水稳定性以及疲劳性能进行研究。

2.1 高温性能

沥青混合料受温拌技术、RAP掺量、再生剂用量和老化等影响[10]。通过沥青混合料车辙试验，以车辙动稳定度作为高温性能评价指标，对温拌再生沥青混合料高温性能进行评价。试件为轮碾成型的300mm×300mm×50mm车辙板，在车辙试验机上以试验温度60℃、轮速42次/min、轮压0.7MPa进行车辙试验，以试验时间45～60min的车辙深度计算车辙动稳定度。试验结果如图1所示。

图1 温拌再生沥青混合料二次老化前后车辙动稳定度Fig.1 Rutting dynamic stability of warm-mix recycled asphalt mixture before and after secondary aging

图1（a）列出了随着再生剂、温拌剂和SBR改性剂的掺加，沥青混合料二次老化前后的车辙试验结果。其中，掺加RAP的沥青混合料车辙动稳定度提高，掺加再生剂会使沥青混合料的高温性能降低。究其原因，再生剂的掺加使得原本的较硬的旧料老化沥青软化，使其黏性增加，从而降低了高温性能；由于温拌剂的掺加使得沥青黏度下降，所以温拌再生沥青混合料高温抗车辙变形能力上升；SBR改性剂对于沥青混合料的车辙性能并无明显影响。二次老化后的再生沥青混合料车辙动稳定度高于新沥青混合料，说明掺加了再生剂的再生沥青混合料并不能完全将混合料性能还原为原本沥青性能，仅能保证未二次老化时沥青黏度接近，老化后黏度不能得到保证。

图1（b）为随着RAP掺量的增加，温拌再生沥青混合料二次老化前后车辙试验结果。沥青混合料动稳定度随RAP的增多而逐渐增大，二次老化后规律与老化之前一致，但老化后的车辙动稳定度增长幅度更大。图1显示出二次老化后温拌再生沥青混合料车辙动稳定度明显提高，这是由于混合料老化之后沥青的硬度变高、流变性能变差，使得其老化后高温抗车辙变形能力提高。

2.2 低温性能

RAP用量以及老化均会对沥青混合料的低温抗裂性能产生影响，为研究二者对温拌再生沥青混合料低温性能的影响，采用低温弯曲试验对温拌再生沥青混合料进行试验，以最大弯曲应变为沥青混合料低温性能评价指标，试验温度为-10℃，试件为车辙板切割而成的尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁。试验结果如图2所示。

图2 拌再生沥青混合料二次老化前后最大弯曲应变Fig.2 Maximum bending strain of warm-mix recycled asphalt mixture before and after secondary aging

根据图2（a）可得，与新沥青混合料（R0-0）相比，掺加RAP的沥青混合料（R0-30）低温性能显著降低，而掺加再生剂的混合料（R1-30）最大弯曲应变得到提升；虽然Evotherm 3G温拌剂的掺加使再生沥青混合料的最大弯曲应变有所下降，但还是高于冬寒区最大弯曲应变2800με的技术要求；SBR改性剂的添加使温拌再生沥青混合料低温性能得到较大提升。究其原因，RAP中的老化旧沥青缺少轻质组分，硬度偏大而低温延展性不足，而再生剂中轻质成分和活化官能团补充并活化了旧料沥青，使混合料低温性能得到提高；Evotherm 3G温拌剂降低沥青黏度，降低了沥青的低温延展性，使得混合料低温性能下降，SBR与沥青相容性较好，4%掺量下的SBR与沥青呈互穿网络状分布，增强了沥青的韧性，提升了沥青混合料的低温性能。观察图2（b）可知，随着温拌再生沥青混合料中RAP的增多，其低温性能不断下降。

二次老化后的沥青混合料低温性能明显下降，长期老化的新沥青混合料最大弯曲应变约下降12.8%，而掺加RAP的沥青混合料弯曲应变降幅最大为22.8%（R0-30），其次为RAP掺量为50%使用再生剂和温拌剂的R2-50，降幅约为21.2%，结合图2可得，再生剂、温拌剂和SBR改性剂的使用减缓了二次老化后混合料低温性能的下降。

2.3 水稳定性

为研究RAP掺量和老化对于温拌再生沥青混合料水稳定性的影响，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对混合料进行检验。马歇尔残留稳定度和劈裂抗拉强度比作为温拌再生沥青混合料水稳定性评价指标。试验结果见表5。

表5 混合料水稳定性试验结果Table 5 Mixture water stability test results

由表5可以看出，掺加RAP对沥青混合料的水稳定性有很大影响，R0-30在二次老化前的残留稳定度和冻融劈裂强度比均不满足规范要求（85%和80%）；随着RAP掺量的增加，温拌再生沥青混合料的水稳定性不断减小；掺加再生剂之后的混合料水稳定性有了较大提升，再生剂软化沥青提高了旧料沥青的粘附能力，使得再生沥青混合料水稳定性增强；掺加Evotherm 3G温拌剂之后的沥青混合料水稳定性进一步增强，这是因为Evotherm 3G中含有的抗剥落剂成分阻碍了沥青和集料在水作用下的剥落，提高了其水稳定性；加入SBR后的温拌再生沥青混合料水稳定性进一步提升，其老化前后的残留稳定度91.9%和89.2%甚至高于新沥青混合料的90.8%和87.3%，冻融劈裂强度比也与新沥青混合料接近，其老化前后的下降幅度也低于新沥青混合料，说明SBR对于温拌再生沥青混合料水稳定性提升有着较大影响。

对比二次老化前后温拌再生沥青混合料的水稳定性数据可知，老化之后的水稳定性有所降低。除R3-30之外的温拌再生沥青混合料二次老化前后的水稳定性均低于新沥青混合料，但由于再生剂和Evotherm 3G温拌剂的作用，混合料二次老化前后水稳定性数据的降幅均低于新沥青混合料，也就是说再生剂和Evotherm 3G温拌剂的添加提升了温拌再生沥青混合料抗水损害方面的耐久性。

2.4 疲劳寿命

为研究RAP掺量及二次老化对于温拌再生沥青混合料疲劳开裂的影响，本文采用IPC Global UTM-30伺服试验仪对温拌再生沥青混合料进行半圆弯曲疲劳试验，采用应力控制模式，使用尺寸为直径100mm、厚度50mm的半圆试件，在应力比为0.2和0.3、频率10Hz、温度15℃的条件下进行半正弦波加载，当试件彻底断裂时试验终止，记录加载次数为混合料疲劳寿命。试验结果见表6。

表6 混合料二次老化前后疲劳寿命Table 6 Fatigue life of the mixtures before and after secondary aging

表6使用老化保留率表征二次老化对混合料疲劳寿命的衰减削弱，老化保留率越小，疲劳寿命衰减越大。老化保留率为二次老化后的疲劳寿命与老化前的疲劳寿命之比。未经二次老化的沥青混合料疲劳加载次数为老化前疲劳寿命；二次老化后的沥青混合料疲劳加载次数为二次老化后的疲劳寿命。

表6列出了通过半圆弯曲疲劳试验测得的不同沥青混合料的疲劳寿命。在0.2和0.3应力比下，含有30%RAP旧料且无外掺剂的R0-30的疲劳寿命明显小于新混合料R0-0，且R0-30的疲劳衰减最大；由于再生剂的软化，含有再生剂的R1-30疲劳寿命得到显著改善，但其老化后的疲劳寿命保留率表现不如新沥青混合料，说明再生剂也不能很好地将旧料沥青性能恢复。

掺加了Evotherm 3G温拌剂的温拌再生沥青混合料相比于不掺温拌剂的混合料，疲劳寿命有所下降，但疲劳寿命的衰减得到改善，说明Evotherm 3G温拌剂的掺加降低了混合料的疲劳寿命但增强了抗老化能力；SBR在沥青中形成的致密丝状结构可以修复沥青性能并抑制其开裂，因此添加了SBR改性剂的R3-30疲劳寿命得到提高，弥补了温拌剂造成的疲劳性能损失，并且改善了二次老化后疲劳寿命的衰减；随着RAP旧料掺量的增加，其疲劳寿命降低且疲劳衰减的表现也变差，这表明即使使用了改性剂，对于RAP的掺量也要谨慎选择。