再生沥青混合料级配组成设计以及路用性能研究

Study on Gradation Composition Design and Road Performance of Recycled Asphalt Mixture

摘要: 废旧沥青混合料(RAP)回收利用是近年来沥青路面可持续发展和经济有效发展的热点问题。通过使用合适的再生剂可以恢复铣刨料中旧沥青的高低温流变性能和力学性能。本文通过用自主开发的再生剂与市售再生剂制备再生沥青混合料并进行车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和四点弯曲疲劳试验对再生沥青混合料的高低温性能、水稳定性、疲劳性能进行评价。试验结果表明所研制的再生剂能较好地恢复铣刨料的路用性能。在铣刨料中掺入自主研发的再生剂会降低混合料的动稳定度，提高沥青混合料的最大弯拉应变、残留稳定度和冻融劈裂强度比，这说明自主研发的再生剂改善了铣刨料中旧沥青的流变性能，同时再生沥青混合料的耐久性也得到了较大改良。与所选的市售再生剂相比，使用自主研制的再生剂能改善再生沥青混合料的路面性能。

Abstract: Recycling of waste asphalt mixture (RAP) is a hot issue in sustainable and economic development of asphalt pavement in recent years. The high and low temperature rheological properties and mechanical properties of the old asphalt in milling materials can be restored by using appropriate regenerating agents. In this paper, the high and low temperature performance, water stability and fatigue performance of recycled asphalt mixture were evaluated through rutting test, low temperature bending test, soaking Marshall test, freeze-thaw splitting test and four-point bending fatigue test. The test results show that the regenerating agent developed can better restore the road performance of milling material. Incorporating a self-developed regenerant into the milling material will reduce the dynamic stability of the mixture and increase the maximum flexural strain, residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio of the asphalt mixture. This shows that the self-developed regenerant has improved the rheological properties of the old asphalt in the milling material, and the durability of the recycled asphalt mixture has also been greatly improved. Compared with the selected commercial recyclers, the self-developed recyclers can improve the pavement performance of recycled asphalt mixture.

1. 引言

热拌沥青混合料是由集料、矿粉和沥青搅拌混合而成的一种主要的路面铺装材料 [1]。随着工业化和城市化的快速发展，越来越多的公路急需养护与维修。沥青路面随着服役时间的增长，铣刨料中的旧沥青逐渐发生老化并最终失去路用性能 [2]。为保证道路正常的通行能力，需要对老化的废旧沥青路面进行铣刨并重新铺设路面材料。铣刨产生的废旧沥青混合料(RAP)可以按照适当地添加比例并通过一定的再生工艺重复利用。相关研究表明再生沥青混合料与新拌沥青混合料相比老化速度更快，因此再生沥青混合料主要应用在道路基层、路肩和农村道路上。在以可持续发展为导向的政策引领下，铣刨料的再利用可以降低成本以及保护环境 [3]。

由于使用时间长，RAP中的沥青已经高度老化，沥青中轻质组分含量降低并导致沥青混合料的刚度提高，最终导致沥青混合料的脆性。在制备再生沥青混合料过程中，RAP利用比例越高产生的经济效益便会越高 [4]。但是在再生沥青混合料中，老化沥青含量过高会对混合料低温性能、水稳定性、疲劳性能等产生不利的影响 [5]。因此，为了提高再生沥青混合料中RAP材料的用量，在制备再生沥青混合料过程中加入再生剂，可以保证再生沥青混合料的性能恢复到新拌沥青混合料性能相当的水平。在某些情况下，再生剂也被称为软化剂，它通常含有较高比例的轻质组分，可以有效地补充老化沥青中缺失的轻质组分并恢复老化沥青的路用性能 [6]。

虽然在再生沥青混合料制备过程中使用再生剂有许多优点，但也存在一些问题。由于再生沥青的化学组成和胶态结构与基质沥青不同，导致再生沥青混合料的长期性能可能受到影响。有研究发现，再生沥青的老化速度比基质沥青更快 [7]。此外，还有学者研究考察了再生剂对再生沥青混合料性能的影响，但是研究得出的结论并不一致。这是因为，再生剂的研发与使用应该从原路面所用的材料入手，对沥青、集料来源及铣刨料的性质进行研究后制备或选用合适的再生剂才能更高效地对RAP材料重复利用 [8]。

本文对山东滨莱高速养护过程中铣刨产生的RAP料沥青含量、级配组成进行了分析。采用了自主研发的再生剂及市售再生剂研究了RAP料掺量为35%和50%的再生沥青混合料路用性能。对其抗永久变形、抗低温开裂、抗疲劳等性能进行了评价。并以此为依据对两种再生剂的再生效果做出了评价 [9]。

2. 试验材料

2.1. RAP料

研究中使用废旧沥青混合料来自于山东滨莱高速公路某路段的中下面层铣刨料，对铣刨料进行筛分，根据粒径不同将其分成三部分：0~2.36 mm、2.36~13.2、13.2~26.5。采用燃烧炉法在540℃条件下对各档废旧沥青混合料中旧沥青含量进行测试并对其级配组成进行了分析。表1为各档RAP中的旧沥青含量结果。

Table 1. Asphalt content of RAP aggregates in various grades

表1. 各档RAP集料沥青含量

2.2. 沥青

本文采用德国infratest公司的20~1120型自动沥青抽提仪提取RAP中的老化沥青。首先将三氯乙烯按照一定配比掺入铣刨料中，充分反应10 h以上，之后再进行抽提，这样可以使得抽提时旧沥青更容易从铣刨料中剥离出来。本文试验中采用的齐鲁70#基质沥青为由华瑞道路材料有限公司提供。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG D50-2011)对两种沥青进行常规性能分析。两种沥青的基本性能指标如表2所示，回收沥青性能指标显示，回收沥青老化程度较高。

Table 2. Basic performance index of matrix asphalt

表2. 基质沥青基本性能指标

2.3. 再生剂

文中使用了R1、R2两种再生剂，其中R1型沥青再生剂是本文中所述自主研发再生剂。再生剂R2为市售常用的一种再生剂，作为对照对R1型再生剂的再生性能进行评价。按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)对两种再生剂进行常规性能分析。再生剂的基本物理化学性能见表3。

Table 3. Basic performance index of matrix asphalt

表3. 基质沥青基本性能指标

2.4. 新集料与矿粉

研究中所用新集料来自山东省文祖石灰采石场。根据相关试验规范对粗集料、细集料及石灰岩粉的物理性能测试。试验结果如表4~6所示。

Table 4. Coarse aggregate performance index

表4. 粗集料性能指标

Table 5. Fine aggregate performance index

表5. 细集料性能指标

Table 6. Mineral powder performance index

表6. 矿粉性能指标

3. 再生沥青混合料级配设计与沥青用量确定

3.1. 级配设计

再生沥青混合料的组成中除了普通集料，还有铣刨料和再生剂等独有的组成成分，所以再生沥青混合料的结构和成分比普通沥青混合料更加难以研究，再生沥青混合料的路用性能受到多种因素的影响，比如铣刨料的掺量、再生剂的物理化学性能、再生沥青混合料的级配组成以及掺量等因素。为了提高再生沥青混合料的路用性能，需要设计最优的再生沥青混合料级配组成 [10]。

同时，对于铣刨料的掺入量，本文的研究选择掺入35%的铣刨料和50%的铣刨料，分别设计了两种铣刨料掺量下的再生沥青混合料级配组成，沥青混合料的级配类型选择AC20，级配范围选择规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的AC-20级配范围，本文设计的再生沥青混合料的级配曲线见图1及图2。

Figure 1. Recycled asphalt mixture grading curve (35%)

图1. 再生沥青混合料级配曲线(35%)

Figure 2. Recycled asphalt mixture grading curve (50%)

图2. 再生沥青混合料级配曲线(50%)

3.2. 最佳沥青用量确定

3.2.1. 掺入35%铣刨料的再生沥青混合料最佳沥青用量的计算

本文选用3.6%、4.1%、4.6%、5.1%、5.6%五个级别的总沥青用量制作马歇尔试件，并对马歇尔试件进行马歇尔体积参数测定，计算得到五组试件的毛体积密度、空隙率、沥青饱和度和矿料间歇率，试验结果如表7所示。

Table 7. Performance index of recycled asphalt mixture with 35% RAP content

表7. RAP掺量35%再生沥青混合料性能指标

从图中取毛体积密度最大值a₁、稳定度最大值a₂、空隙率中值a₃、沥青饱和度中值a₄取平均值得

${\text{OAC}}_1=\left(a_1+a_2+a_3+a_4\right)/4=4.61$

Figure 3. Repeat range of each indicator (35%)

图3. 各指标重复范围(35%)

从图3中取各个参数符合规范设计要求的沥青用量上下限OAC_min与OAC_max的中值OAC₂ = 4.55；计算得最佳沥青用量OAC = (OAC₁ + OAC₂)/2 = 4.58%。因此最终确定RAP掺量为35%的AC-20再生沥青混合料最佳沥青用量取4.6%。

3.2.2. 掺入50%铣刨料的再生沥青混合料最佳沥青用量的计算

本文选用3.6%、4.1%、4.6%、5.1%、5.6%五个级别的总沥青用量制作马歇尔试件，并对马歇尔试件进行马歇尔体积参数测定，计算得到五组试件的毛体积密度、空隙率、沥青饱和度和矿料间歇率，试验结果如表8所示。

Table 8. Performance index of recycled asphalt mixture with 50% RAP content

表8. RAP掺量50%再生沥青混合料性能指标

从图中取毛体积密度最大值a₁、稳定度最大值a₂、空隙率中值a₃、沥青饱和度中值a₄取平均值得

${\text{OAC}}_1=\left(a_1+a_2+a_3+a_4\right)/4=4.65$

Figure 4. Repeat range of each indicator (35%)

图4. 各指标重复范围(35%)

从图4中取各项指标符合技术标准的沥青用量范围OAC_min与OAC_max的中值OAC₂ = 4.75；计算得最佳沥青用量OAC = (OAC₁ + OAC₂)/2 = 4.7%。因此最终确定RAP掺量为50%的AC-20再生沥青混合料最佳沥青用量取4.7%。

4. 再生沥青混合料路用性能研究

沥青混合料级配设计按AC-20进行。选用耐老化型再生剂(A)对旧料掺量为35%、50%的两种沥青混合料(A35、A50)进行了再生沥青混合料性能试验，耐老化再生剂掺量为10%。同时选取市场再生剂(B)对旧料掺量为35%、50%的两种沥青混合料(B35、B50)进行对照试验，用来验证耐老化再生剂对废旧沥青混合料的再生效果，对再生沥青混合料的路用性能进行评价。

4.1. 高温稳定性

对同一沥青混合料进行两次平行车辙实验取平均值作为试验结果，试验结果如图5所示。

Figure 5. Recycled asphalt mixture dynamic stability

图5. 再生沥青混合料的动稳定度值

按照规范要求，普通AC20沥青混合料的动稳定度不能小于800次/mm。由图5可知，按照本文设计的级配制备的普通沥青混合料动稳定度值大于800次/mm，这说明本文设计的级配满足沥青路面AC20沥青混合料的使用要求，同时，使用本研究研发的再生剂制备的铣刨料掺量为35%和50%的再生沥青混合料的动稳定度值相比AC20沥青混合料的动稳定度有极大提升，分别提高了74%和130%，这说明A35和A50这两种沥青混合料的高温抗车辙性能要高于普通沥青混合料。这是由于沥青混合料在路面的长期服役过程中，沥青逐渐发生老化，导致沥青混合料模量更大，高温条件下抵抗永久变形的能力更强，这也是导致A50沥青混合料的动稳定度要高于A30沥青混合料的动稳定度的原因，铣刨料掺量从35%增加到50%后，再生沥青混合料的动稳定度增加了32%。

同时可以看出，B35沥青混合料和B50沥青混合料的动稳定度要分别大于相同铣刨料掺量的A35和A50沥青混合料，这说明使用市场购买的再生剂(B)制备的沥青混合料的高温抗车辙能力更强，但是这说明我们自主研发的再生剂对铣刨料的改性效果更好，减小了再生沥青混合料的劲度，从而降低了再生沥青混合料的高温抗永久变形的能力。

4.2. 低温抗裂性

本文按照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(T 0715-2011)中规定的方法进行低温弯曲试验。试验结果如图6所示。

Figure 6. Test results of low temperature crack resistance of recycled asphalt mixture

图6. 再生沥青混合料低温弯曲试验结果

按照规范要求，普通AC20沥青混合料的最大弯拉应变不能小于2000。由图6所示，按照本文设计的级配制备的普通沥青混合料最大弯拉应变大于2000，这说明本文设计的级配满足沥青路面AC20沥青混合料的使用要求，同时，使用自主研发的再生剂A制备的两种再生沥青混合料(A35、A50)的最大弯拉应变均满足规范要求，其中，A35再生沥青混合料的低温性能基本达到了普通沥青混合料的水平，这是因为再生剂恢复了老化沥青的性能，提高了沥青胶浆的力学性能，从而提高了再生沥青混合料的低温抗裂性能 [11]。同时，A35再生沥青混合料的最大弯拉应变要大于A50再生沥青混合料，在使用相同再生剂的条件下，再生沥青混合料的低温性能指标受RAP料掺量的影响较大。这是因为铣刨料中的沥青老化后，铣刨料的低温性能会大幅下降，所以铣刨料掺量的增加会降低再生沥青混合料的低温抗裂性能，而再生剂对于老化沥青的再生效果是有一定局限性的，随着铣刨料掺量的增加，再生剂对于再生沥青混合料路用性能的影响逐渐减弱 [12]。旧料掺量越高的混合料，低温性能越差，这是因为旧料掺量较高时，再生剂难以对全部的老化沥青进行充分再生，老化沥青的存在使得再生沥青混合料的低温性能恢复受到限制。

同时，从两种再生剂制备的再生沥青混合料的最大弯拉应变值来看，铣刨料掺量一定时，使用再生剂B制备的再生沥青混合料最大弯拉应变要小于使用再生剂A制备的再生沥青混合料，这说明再生剂A对铣刨料的再生效果要大于再生剂B，这与上一节对再生沥青混合料高温性能的研究中得到的结论一致。

4.3. 水稳定性

本文按照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(T 0709-2011)中规定的方法进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂强度试验。实验结果如图7、图8所示。

按照规范要求，普通AC20沥青混合料的马歇尔残留稳定度值不能小于80%，冻融劈裂强度比不能小于75%。如图7、图8所示，按照本文设计的级配制备的普通沥青混合料马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足规范要求，这说明本文设计的级配满足沥青路面AC20沥青混合料的水稳定性使用要求。本文中制备的再生沥青混合料的水稳定性比起普通沥青混合料有所下降，这是因为再生沥青混合料中有铣刨料的存在，铣刨料本身的级配不均匀，并且离散型较大，会使得再生沥青混合料级配无法严格贴合设计级配，影响再生沥青混合料的水稳定性；而且，旧路面在服役过程中，表面往往会附着许多杂质与

Figure 7. Marshall test results of water immersion of reclaimed asphalt mixture

图7. 再生沥青混合料浸水马歇尔试验结果

Figure 8. Freeze-thaw splitting test results of recycled asphalt mixture

图8. 再生沥青混合料冻融劈裂试验结果

灰尘，这会对旧沥青与石料的粘附性能有较大的影响，从而也会影响再生沥青混合料的水稳定性 [13]。此外，由于AH-70沥青与再生剂相比粘度较大，其本身含有的芳香烃等轻质组分并不是很高，无法对RAP中的老化沥青进行再生，新旧沥青之间会存在一个较为薄弱的接触面，因此，在受到外力及水的作用时，会很快产生破坏。同时，随着铣刨料掺量的增加，使用再生剂A制备的沥青混合料残留稳定度值和冻融劈裂强度比均发生了一定程度的降低，这说明再生沥青混合料的水稳定性随着铣刨料含量的增加而变差，这也验证了铣刨料对沥青混合料水稳定性机理的解释。当铣刨料含量为35%时，使用再生剂A制备的再生沥青混合料的抗水损害性能基本达到了普通沥青混合料的水平。

对比A35、A50、B35、B50四种再生沥青混合料，可以看出，铣刨料掺量一定时，使用再生剂A制备的再生沥青混合料的残留稳定度值和冻融劈裂强度比要大于再生剂B制备的再生沥青混合料，这说明再生剂A对于再生沥青混合料水稳定度的优化程度要高于再生剂B，这说明了自主研发的再生剂A的再生效果要优于市场购买的再生剂B。再生剂A与再生剂B相比粘度较高，因此其温度敏感性低，再生剂A在对老化沥青再生的同时，也能使得新旧沥青之间性能更加牢固稳定的链接。在旧料掺量相同，使用的A、B两种再生剂，虽然都能对旧料中的老化沥青起到有效的软化作用，再生剂A更加会提高沥青胶结料与集料的粘附性，从而改善再生沥青混合料水稳定性。

4.4 疲劳性能

根据之前的研究发现，较少掺量铣刨料的再生沥青混合料性能更好，同时考虑到四点弯曲疲劳试验加载时间过长，试验过程较为繁琐，故本研究选择两种使用再生剂A和B的铣刨料含量为35%的再生沥青混合料，四点弯曲疲劳试验结果如图9所示。

(a) 疲劳寿命 (b) 累计耗散能

Figure 9. Four-point bending fatigue test results of recycled asphalt mixture

图9. 再生沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果

普通AC20沥青混合料的疲劳寿命和累积耗散能要高于A35、B35两种再生沥青混合料，这代表铣刨料会对沥青混合料的疲劳性能造成不良影响。这是因为铣刨料已经在沥青路面的长期服役过程中，路用性能和力学性能逐渐下降，即使添加了再生剂对铣刨料中的旧沥青进行再生，但是对旧沥青的性能的恢复依然无法达到使用之前的强度。

同时可以看出，A35再生沥青混合料的疲劳寿命和累积耗散能比B35再生沥青混合料的高，分别提高了7.9%和27%，这说明了A35的疲劳性能比B35的好，验证了自主研发的再生剂A的再生效果强于市场上的再生剂B。

5. 结论

1) 使用本研究研发的再生剂制备的铣刨料掺量为35%和50%的再生沥青混合料动稳定度比普通沥青混合料的动稳定度有极大提高，分别提高了74%和130%，这说明A35和A50这两种沥青混合料的高温抗车辙性能要高于普通沥青混合料。同时，铣刨料掺量从35%增加到50%后，再生沥青混合料的动稳定度增加了32%，高铣刨料掺量会进一步提高沥青混合料的高温稳定性。

2) 使用自主研发的再生剂A制备的再生沥青混合料低温性能基本达到了普通沥青混合料的水平。同时，A35再生沥青混合料的最大弯拉应变要大于A50再生沥青混合料，这是因为铣刨料中的沥青老化后，铣刨料的低温性能会大幅下降，所以铣刨料掺量的增加会降低再生沥青混合料的低温抗裂性能。

3) 本文中使用35%和50%铣刨料制备的再生沥青混合料水稳定性均达到了沥青路面的使用要求，其中铣刨料掺量为35%的再生沥青混合料的水稳定性基本达到了普通沥青混合料的水平。

4) 本文中使用35%和50%铣刨料制备的再生沥青混合料疲劳性能均要差于普通沥青混合料的疲劳性能，但A35再生沥青混合料的疲劳寿命和累积耗散能比B35再生沥青混合料的高，分别提高了7.9%和27%，这说明自主研发的再生剂A的再生效果强于市场上的再生剂B，恢复铣刨料的疲劳性能效果更强。

5) 通过高温性能、低温性能、水稳定性、疲劳性能可以看出，自主研发的再生剂A的改性效果要优于市场上的再生剂B。