1. 引言
随着我国交通事业的迅速发展，全国公路网不断完善，但由于自身设计原因及交通荷载的作用，大量沥青路面使用性能逐渐下降，陆续进入维修养护期。传统的铣刨重铺方式不仅会产生大量铣刨料，污染环境而且浪费资源，与国家提出的“资源节约型社会”发展理念相悖，由此而生的沥青路面再生技术越来越受到人们的关注。同时，交通运输部在《“十三五”公路养护管理纲要》中，明确指出2020年我国要争取实现高速公路、国省道路废旧路面材料回收率分别达到100%和98%，循环利用率分别达到95%和80%以上的目标 [1] [2] [3]。目前废旧路面材料再利用技术主要可分为就地热再生、厂拌热再生、就地冷再生、厂拌冷再生四种，其中冷拌再生混合料性能相对较差，厂拌热再生废旧材料利用率相对较低，相比于其他再生方法，就地热再生技术具有旧路面材料利用率高，工期短、开放交通快，混合料路用性能好，投资少、效益高等独特的优势，应用前景广阔 [4] [5] [6]。
对于沥青混合料的再生技术国内外研究学者已从混合料级配设计、路用性能评价方法、施工工艺等方面进行了深入研究，并颁布了多部规范指导再生沥青混合料的材料组成设计及施工质量控制 [7]，见表1。
Sabahfar、LU等通过刚度、永久变形、水稳定性等指标研究了再生剂掺量及沥青和再生剂的拌合顺序对就地热再生沥青混合料的性能影响 [8] [9]，宋金利、张益对就地热再生沥青混合料的配合比设计方法及施工工艺进行了研究 [10]，戴合理分析了就地热再生技术在处治沥青路面车辙病害方面的优势 [11]，Hsu基于生命周期理论分析了就地热再生沥青混合料的生态效益 [12]。就地热再生材料由于铣刨料级配变异性大、不确定因素多等特点，极易出现级配设计不合理、混合料离析严重等问题，影响再生沥青混合料的路用性能。针对就地热再生沥青混合料的材料特性，论文基于室内试验，分析了再生剂掺量对回收沥青关键指标的影响规律，提出就地热再生沥青混合料的配合比设计方法，进而对其路用性能及应用效果进行评价。
Table 1. Domestic and foreign specifications for asphalt mixture recycling (Guide)
表1. 国内外沥青混合料再生规范(指南)
2. 原材料技术指标
2.1. 铣刨料
就地热再生技术能够实现废旧铣刨料的100%利用，铣刨料原级配对混合料性能有着重要影响。论文所用铣刨料为某市政工程路段，原路面级配为AC-13，对铣刨料进行抽提筛分试验可知原路面级配如表2所示，混合料级配曲线见图1。
Table 2. Screening test of milling material
表2. 铣刨料筛分试验
由表2可知，铣刨料抽提前后级配会发生显著衰变，主要是由于沥青的裹附作用，使集料颗粒形成一个整体，铣刨料级配偏粗，对铣刨料抽提后，细集料从粗集料颗粒表面剥离，混合料级配发生衰变。由图1可知，原路面级配偏细，接近规范级配的上限，其中0.075 mm筛孔通过率超出了规范范围，容易导致路面发生泛油、车辙等病害。
2.2. 新集料
根据原路面筛分结果应在铣刨料中掺加适量粗骨料，以保证混合料的高温稳定性。所用新集料为玄武岩，其物理技术指标见表3。
Table 3. Physical index of new aggregate
表3. 新集料物理指标
2.3. 回收沥青
沥青路面在服务期限内经受阳光、自然环境的作用，沥青会发生不同程度的老化，影响混合料的路用性能。论文通过阿布森法从铣刨料中回收旧沥青，对其关键技术指标进行检验，回收沥青技术指标见表4。
Table 4. Technical index of recycled asphalt
表4. 回收沥青技术指标
2.4. 新沥青
混合料施工过程中应加入适量新沥青，以增加混合料沥青膜厚度，保证再生沥青路面的耐久性。论文所用新沥青为SBS改性沥青，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 [13] 对沥青进行相关技术指标试验，试验结果见表5。
Table 5. Technical index of SBS modified asphalt
表5. SBS改性沥青技术指标
3. 再生剂掺量
沥青老化主要是因为沥青的组分发生迁移，沥青内的溶质和溶剂参数失衡，导致沥青性能发生改变。通过在沥青中添加再生剂，使沥青的组分恢复到原有水平，可以实现沥青的再生 [14] [15] [16]。研究表明沥青老化是因为沥青中的轻质油分受热挥发，破坏了沥青的结构硬化，改变了沥青结构的链接，导致沥青变质。通过添加再生剂，可以补充老化沥青中挥发的轻质组分，恢复沥青的原有性能。
为了确定再生剂的合理掺量，论文分别向回收沥青中添加2%、4%、6%、8%、10%的再生剂，并分别进行相关技术指标测试，试验结果见表6，沥青技术指标变化趋势见图2~5。
Table 6. Technical index of recycled asphalt under different recycled agent content
表6. 不同再生剂掺量条件下回收沥青技术指标
由下图可知，随再生剂掺量的增加，回收沥青针入度、延度指标逐渐增加，软化点和布氏粘度略微减小，表明添加再生剂后回收沥青的原有性能逐渐恢复，当再生剂掺量大于8%时，满足《公路沥青路面施工技术规范》 [17] 对改性沥青技术指标要求，同时考虑工程经济指标，确定铣刨料再生剂掺量为8%。
Figure 2. Variation law of penetration of recycled asphalt
图2. 回收沥青针入度变化规律
Figure 3. Variation of ductility of recycled asphalt
图3. 回收沥青延度变化规律
Figure 4. Variation of softening point of recycled asphalt
图4. 回收沥青软化点变化规律
Figure 5. Variation of Brinell viscosity of recycled asphalt
图5. 回收沥青布氏粘度变化规律
4. 就地热再生混合料配合比设计
4.1. 级配设计
铣刨料在服务期限内经受行车荷载和自然环境的作用，集料棱角性会受到不同程度的磨损，在铣刨料拌和过程中加入适量的新集料，可以有效改善混合料的级配组成，增强混合料间的摩阻力，改善混合料性能。根据原路面铣刨料筛分结果掺入15%的新集料(由10~15 mm、5~10 mm、矿粉组成)进行混合料级配设计，确定最终合成级配如表7所示，级配曲线见图6。
4.2. 预拌料
根据就地热再生沥青混合的材料特性，其拌和方式也区别于传统的热拌沥青混合来料。就地热再生沥青混合料拌和时，应先将新集料与沥青进行提前预拌，然后再与铣刨料拌和，预拌料新加沥青以混合料析漏指标控制。预拌时新集料加热温度为185℃~190℃，先将新集料干拌然后加入沥青湿拌，最后加入矿粉拌合均匀，将拌合均匀的预拌料置于170℃~180℃的烘箱中保温备用。根据工程经验以2.5%为初定沥青用量，以0.3%为间隔上下各浮动两个沥青用量进行析漏试验，试验结果如图7所示。
根据《公路沥青路面施工技术规范》要求，沥青混合料析漏不宜大于0.1，同时由图7可知，当沥青用量为2.5%时，混合料析漏损失出现拐点，由此确定预拌料最佳沥青用量为2.5%。
Figure 6. AC-13 design grading curve
图6. AC-13设计级配曲线
Figure 7. Drainage test of ready mixed materials
图7. 预拌料析漏试验
4.3. 最佳沥青用量
就地热再生混合料室内成型较为繁琐，混合料成型先将铣刨料与再生剂和温拌剂拌和，基于上述研究成果再生剂掺量为铣刨料中沥青用量的8%，温拌剂掺量为再生剂质量的10%，拌合温度为150℃~155℃，拌和时间为90 s，拌合完成后应闷料2 min，然后将保温的预拌料放入拌锅继续拌合90s，最后加入新沥青与混合料拌和均匀。加入的新沥青以0.6%为预估最佳沥青用量，以0.3%为间隔上下各浮动两个沥青用量分别成型马歇尔试件，并测定其体积指标如表8所示，确定最佳沥青用量见图8。
基于马歇尔试验法以目标空隙率对应的沥青用量为OAC1，以各项指标均符合技术要求的沥青用量范围中值为OAC2确定就地热沥青混合料外掺最佳沥青用量为0.6%。
5. 就地热再生混合料路用性能评价
沥青路面在服务期限内要为车辆提供优质耐久的服务，要求混合料具有良好的路用性能。论文分别对再生沥青混合料进行车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验和汉堡试验以评价就地热再生沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性能和水稳定性。
Figure 8. Determination of optimum asphalt content. (a) Asphalt content of OAC1; (b) Asphalt content of OAC2
图8. 预拌料析漏试验。(a) OAC1沥青用量；(b) OAC2沥青用量
5.1. 高温稳定性
车辙试验通过模拟实际车轮荷载在路面行走造成沥青混合料发生塑性变形而行成车辙，被广泛用来评价沥青混合料的高温稳定性。论文在60℃ ± 1℃，0.7 ± 0.05 MPa的条件下对就地热再生沥青混合料进行车辙试验，试验结果如表9所示，混合料车辙曲线见图9。研究表明混合料动稳定度远远高于规范规定值，具有良好的高温稳定性。
Figure 9. Curve chart of mixture rutting test
图9. 混合料车辙试验曲线图
5.2. 水稳定性
水的存在是导致沥青路面发生病害的重要原因，水分的浸入会降低沥青与集料间的粘附性，导致集料与沥青发生剥离，从而造成松散剥落病害的发生，因此具备良好的水稳定性是保证沥青混合料发挥良好路用性能的重要评价指标。分别对就地热再生沥青混合料进行冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验以评价混合料的水稳定性，试验结果见表10。
Table 10. Water stability test of mixture
表10. 混合料水稳定性试验
研究表明，就地热再生沥青混合料水稳定性与传统的热拌沥青混合料无异，能够较好的抵抗水损害，保证沥青路面发挥良好的路用性能。
5.3. 低温抗裂性能
沥青混合料作为一种弹塑体，在低温条件下会发生体积收缩，当材料收缩到一定程度体积不能发生继续改变则会产生温度应力，当温度应力大于材料的抗拉强度时则会产生裂缝，造成沥青路面病害。论文通过弯曲破坏试验在−10℃的温度环境中对小梁试件进行单点加载，从而评价混合料的低温抗裂性能，试验结果如表11所示，混合料低温破坏曲线如图10所示。研究表明就地热再生沥青混合料低温性能较差，在季节性冰冻地区易发生低温开裂病害。
Figure 10. Low temperature bending test of mixture
图10. 混合料低温弯曲试验
5.4. 水热稳定性
汉堡轮辙试验是目前评价沥青混合料水敏感性和抗车辙性能最苛刻的试验，被广泛用来评价沥青路面现场混合料的路用性能。汉堡轮辙试验通过计算沥青混合料的轮辙深度和变形曲线的特征可以直接判定沥青混合料的水稳定性和抗车辙性能，美国科罗拉多州交通部提出当混合料剥落点低于10,000次混合料水稳定性较差，当碾压20,000次后的最大变形大于10 mm混合料容易产生车辙病害。
论文基于试验路的铺筑，在试验路段随机取芯样进行汉堡车辙试验，以评价现场就地热再生沥青混合料的水稳定性及抗车辙性能，试验结果如表12所示，混合料汉堡车辙曲线见图11，混合料汉堡试验前后试件对比见图12。
Table 12. Rutting test of mixture Hamburg
表12. 混合料汉堡车辙试验
Figure 11. Curve chart of mixture Hamburg rutting test
图11. 混合料汉堡车辙试验曲线图
Figure 12. Comparison of Hamburg rutting test before and after. (a) Hamburg rut specimen before test; (b) Hamburg rutting specimen after test
图12. 汉堡车辙试验前后对比图。(a) 试验前汉堡车辙试件；(b) 试验后汉堡车辙试件
研究表明，现场芯样试件剥落拐点大于10000次，且混合料最大变形均小于10mm，表明就地热沥青混合料具有良好的水稳定性和抗车辙性能，能够较好的满足沥青路面的性能要求。
6. 结论
1) 通过沥青三大指标试验(针入度、延度、软化点)和布氏粘度试验分析了再生剂掺量对回收沥青技术指标的影响规律，研究表明当再生剂掺量为8%时，回收沥青能够较好到恢复到沥青原有性能。
2) 根据就地热再生沥青混合的材料特性，提出混合料应先将新集料预拌然后与再生混合料拌合的方式，通过控制混合料的析漏指标确定预拌料沥青掺量为2.5%，基于马歇尔试验法确定再生沥青混合料外掺沥青用量为0.6%。
3) 基于室内车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验研究表明，就地热再生沥青混合料具有良好的高温性能和水稳定性，但其低温抗裂性能较差，季节性冰冻地区易发生低温开裂病害。
4) 依托试验路的铺筑，通过汉堡车辙试验对试验路芯样的水稳定和抗车辙性能进行验证，就地热再生混合料的剥落点大于10,000次，碾压20,000次后的最大变形量小于10 mm，表明就地热再生沥青混合料具有良好的水稳定性和高温抗车辙性能。
NOTES
*通讯作者。