侯 蕓，董元帥，李志豪，胡 森，曹雪娟

(1. 中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089； 2. 中國(guó)交建公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100083；3. 公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 ，北京 100083； 4. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；5. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

2018年中國(guó)公路總里程為484.65萬(wàn)公里，其中養(yǎng)護(hù)里程為475.78萬(wàn)公里，占總里程的98.2%。伴隨我國(guó)公路建設(shè)進(jìn)入建設(shè)與養(yǎng)護(hù)并重的新階段，研究者開(kāi)始將舊瀝青混合料(RAP)再生利用，以此取代新瀝青混合料用于道路建設(shè)，實(shí)現(xiàn)廢料循環(huán)利用、節(jié)能環(huán)保的目的，同時(shí)還具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。但當(dāng)RAP摻量過(guò)高或者舊瀝青老化嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使得再生瀝青路面較早發(fā)生病害。因此，研究者通常會(huì)在RAP中摻加瀝青再生劑，以確保再生瀝青混合料的路用性能。傳統(tǒng)瀝青再生劑一般由礦物油、改性劑、增黏樹(shù)脂和增塑劑等組成，其中礦物油是占最大比例的組分，其主要作用是彌補(bǔ)瀝青老化所損失的輕組分，增加芳香烴含量。但是礦物油中含有多種高致癌性的污染性物質(zhì)多環(huán)芳香烴(PAHs)，如苊、菲、熒蒽、苯并和芘等，會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害[1]。同時(shí)傳統(tǒng)瀝青再生劑還存在使用成本過(guò)高，穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)[2]。近幾年，有研究者利用植物油再生老化瀝青，與傳統(tǒng)礦物油再生劑相比，植物油再生劑具有良好的環(huán)境友好性、低揮發(fā)性、低毒性和可再生性等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。以3種常見(jiàn)植物油和一種傳統(tǒng)礦物油再生劑對(duì)兩種不同RAP摻量SBS改性瀝青混合料進(jìn)行再生，通過(guò)相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)再生SBS改性瀝青混合料的路用性能，研究4種再生劑的再生效果，為植物油再生劑的使用提供一定參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

1.1.1 瀝 青

選用70#基質(zhì)瀝青和SBS改性劑(線型YH-791)制備SBS改性瀝青。同時(shí)依照J(rèn)TG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，通過(guò)RTFOT和PAV兩種老化方式對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行室內(nèi)模擬老化。SBS改性瀝青老化前后各項(xiàng)常規(guī)物理性能指標(biāo)如表1。

表1 原樣SBS改性瀝青、老化瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of original SBS modified asphalt andaging asphalt

1.1.2 再生劑

4種再生劑分別為新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生劑，如圖1。4種油基本物化指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖1 4種再生劑(從左往右依次為：新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生劑)Fig. 1 Four regenerants(from left to right: fresh vegetable oil,fried vegetable oil, vegetable diesel oil, traditional mineraloil regenerant)

表2 4種再生劑基本物化指標(biāo)Table 2 Basic physicochemical indexes of four regenerants

1.1.3 再生瀝青制備

分別將0%、3%、6%、9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的再生劑摻量入老化SBS改性瀝青，采用高速剪切機(jī)混合制備再生SBS改性瀝青[5-6]。以老化瀝青的常規(guī)物理性能恢復(fù)至原樣瀝青水平確定再生劑摻量，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)表明，當(dāng)新鮮植物油摻量為4.5%、煎炸植物油摻量為6.0%、植物柴油摻量為6.5%、傳統(tǒng)礦物油再生劑摻量為7.0%時(shí)，老化瀝青的針入度、軟化點(diǎn)以及延度指標(biāo)恢復(fù)效果較好，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由此確定新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生劑的最佳摻量分別為4.5%、6.0%、6.5%、7.0%。

表3 再生瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 3 Performance indexes of recycled asphalt

1.1.4 級(jí) 配

RAP取自級(jí)配類型為AC-13的重慶某高速公路瀝青混凝土表面層，由于舊集料出現(xiàn)明顯細(xì)化，所以需加入新集料以調(diào)整再生瀝青混合料級(jí)配使其滿足規(guī)范要求。根據(jù)取樣路段實(shí)際情況，新集料選擇石灰?guī)r。對(duì)所選集料的主要技術(shù)指標(biāo)，按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。再生瀝青混合料級(jí)配曲線如圖2。筆者選擇30%和50%兩種RAP摻量來(lái)探究不同RAP摻量對(duì)瀝青混合料再生效果的影響。

圖2 再生瀝青混合料級(jí)配曲線Fig. 2 Gradation curve of recycled asphalt mixture

1.1.5 最佳油石比

結(jié)合表3可以看出，當(dāng)4種再生劑為最佳摻量時(shí)，4種再生瀝青的常規(guī)物理性能基本一致，因此采用一種再生劑即可確定兩種不同RAP摻量的再生瀝青混合料的最佳油石比。筆者以煎炸植物油作為再生劑，摻量為6.0%，并通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定了30%和50%兩種RAP摻量的再生瀝青混合料的最佳油石比分別為4.8%和4.7%。如表4，各項(xiàng)指標(biāo)均在相關(guān)規(guī)范范圍以內(nèi)。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Marshall test results

1.2 試驗(yàn)方案

首先確定再生瀝青混合料的級(jí)配和30%、

50%

兩種RAP摻量下再生瀝青混合料的最佳油石比，然后在各自油石比最佳的情況下，分別以最佳摻量的4種再生劑對(duì)30%、50%兩種RAP摻量的老化瀝青混合料進(jìn)行再生，最后對(duì)其再生瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，研究對(duì)比不同再生劑的再生效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性

在高溫狀態(tài)下，高溫穩(wěn)定性良好的瀝青混合料能夠保證瀝青路面材料不易出現(xiàn)變形、推移以及車(chē)轍等現(xiàn)象，進(jìn)而使得道路的服務(wù)水平得以提升[7-8]。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0719—2011試驗(yàn)方法，對(duì)4種再生瀝青混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)表征其高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖3 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度Fig. 3 Dynamic stability of asphalt mixture

由圖3可知，原樣瀝青和老化瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求(動(dòng)穩(wěn)定度≥2 400次/mm)，同時(shí)相較于原樣瀝青，老化瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度提高15.49%。在30%和50%的摻量條件下，4種再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度從大到小依次為：新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生劑，均滿足規(guī)范要求，但均不如老化瀝青混合料。當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)，新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于老化瀝青混合料分別降低了2.69%、5.09%、5.17%、10.58%；當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于其摻量為30%的再生瀝青混合料，同時(shí)相較于老化瀝青混合料分別降低了1.70%、3.10%、4.25%、9.80%。通過(guò)以上分析，可知無(wú)論是摻入何種再生劑都會(huì)對(duì)老化瀝青混合料抵抗車(chē)轍變形的能力產(chǎn)生不利影響，但4種再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均能達(dá)到規(guī)范要求，所以其均滿足路面使用要求。

以動(dòng)穩(wěn)定度為指標(biāo)來(lái)表征的青混合料高溫穩(wěn)定性。因此，4種再生瀝青混合料的高溫性能均優(yōu)于原樣瀝青混合料，這是由于RAP的摻入，RAP中的老化瀝青輕質(zhì)油分喪失，瀝青質(zhì)增加，瀝青變硬，使老化后瀝青混合料抵抗車(chē)轍變形的能力顯著增強(qiáng)[9]。同時(shí)從圖3可以看出，在再生劑相同的條件下，RAP摻量越大其動(dòng)穩(wěn)定度越高，也證明了這一觀點(diǎn)。在相同RAP摻量下，4種再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性均滿足路用性能使用要求，其中以新鮮植物油再生瀝青混合料最好。

2.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性是瀝青路面的主要使用性能之一。在低溫條件下，低溫抗裂性良好的瀝青混合料不易產(chǎn)生裂縫，從而保證在實(shí)際使用過(guò)程中車(chē)輛的安全通行。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0715—2011試驗(yàn)方法，對(duì)4種再生瀝青混合料進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，通過(guò)彎拉應(yīng)變指標(biāo)表征其低溫抗裂性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 舊料摻量與最大彎拉應(yīng)變關(guān)系Fig. 4 The relationship between the content of used material andthe maximum bending strain

從圖4可以看出，與原樣瀝青混合料相比，老化瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變發(fā)生明顯的降低，且不滿足規(guī)范要求(彎拉應(yīng)變≥2 300 με)，表明其低溫抗裂性變差。在30%和50%的摻量條件下，4種再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變從大到小依次為：新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生劑。當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)，與老化瀝青混合料相比較，新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變分別提高了45.00%、42.5%、35.00%、30.00%，且均滿足規(guī)范要求。表明4種再生劑摻入有利于老化瀝青混合料抵抗低溫開(kāi)裂的能力。當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生瀝青混合料與老化瀝青混合料相比較，最大彎拉應(yīng)變分別提高了25.00%、20.00%、17.50%、10.00%。表明在RAP摻量過(guò)多情況下，4種再生劑對(duì)老化瀝青混合料的低溫抗裂性改善效果有限。試驗(yàn)結(jié)果表明：3種植物油再生劑對(duì)老化瀝青混合料低溫抗裂性的再生效果均好于傳統(tǒng)礦物油再生劑，其中新鮮植物油最好。在RAP摻量過(guò)多時(shí)，4種再生劑的再生效果相差不大，這是由于RAP中的瀝青老化嚴(yán)重，低溫性能變差，雖然植物油再生劑的加入使其低溫性能得到改善，達(dá)到與普通混合料接近的水平，但隨著RAP摻量的增多，舊料的影響逐漸突出，從而使混合料的性能下降[10]。 RAP有較好的抗高溫車(chē)轍能力，植物油再生劑有益于改善老化混合料的低溫抗裂性能，因此，需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整RAP與植物油再生劑的摻配比例，就能保證再生瀝青混合料既具有較高的高溫穩(wěn)定性又具有較好的低溫抗裂性。

2.3 水穩(wěn)定性

水能浸入瀝青中導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度和勁度減小，同時(shí)也能進(jìn)入瀝青薄膜和集料之間，阻斷瀝青與集料之間的黏結(jié)力，使道路出現(xiàn)坑槽、松散等路面影響[11-12]。目前，對(duì)于水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法甚多，筆者采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)4種再生瀝青混合料水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表5。

從表5可以看出，與原樣瀝青混合料相比，老化瀝青混合料的水穩(wěn)定性下降了19.30%，且不滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求(殘留強(qiáng)度比≥75%)。當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)，新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生瀝青混合料的殘留強(qiáng)度比(TSR)相較于老化瀝青混合料分別提高了5.95%、6.48%、7.29%、9.19%，表明4種再生劑的加入均改善了老化瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且均滿足規(guī)范要求；4種再生瀝青混合料的TSR從大到小依次為：傳統(tǒng)礦物油再生劑、植物柴油、煎炸植物油、新鮮植物油。當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，新鮮植物油、煎炸植物油、植物柴油、傳統(tǒng)礦物油再生瀝青混合料的TSR分別為73.69%、72.73%、73.31%、74.70%，均不滿足規(guī)范要求。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果再生瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Marshall test results water stability test results ofrecycled asphalt mixture

瀝青混合料的水穩(wěn)定性主要受集料的物化特性、瀝青的性質(zhì)和混合料空隙率等因素影響。與老化瀝青混合料相比，再生瀝青混合料受再生劑對(duì)水穩(wěn)性改善作用和舊瀝青黏度的影響，其水穩(wěn)性有所提升，當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)，4種再生瀝青混合料的水穩(wěn)性均滿足規(guī)范要求，其中傳統(tǒng)礦物油再生劑再生效果最好，其他3種植物油再生劑的再生效果相差不大；隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料級(jí)配不均勻、舊集料表面活性低等因素的不利影響也漸漸突顯出來(lái)，以致影響混合料的水穩(wěn)性能，當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，4種再生劑的摻入均不能有效改善老化瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，因此應(yīng)控制RAP摻配比例。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)4種再生SBS改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行測(cè)試，3種植物油再生SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性均優(yōu)于傳統(tǒng)礦物油再生SBS改性瀝青混合料，水穩(wěn)定性相差不大。

2)用4種再生劑對(duì)老化SBS改性瀝青混合料進(jìn)行再生，當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均有所恢復(fù)且滿足規(guī)范要求；當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性均有所恢復(fù)且滿足規(guī)范要求，但水穩(wěn)定性恢復(fù)效果不佳。

3)基于本研究試驗(yàn)條件下，采用4種再生劑對(duì)老化SBS改性瀝青混合料進(jìn)行再生，當(dāng)RAP摻量為30%，油石比為4.8%時(shí)，以4.5%的新鮮植物油作為再生劑對(duì)老化SBS改性瀝青混合料再生效果最佳。