厂拌热再生沥青混合料关键技术研究

郑德江 ZHENG De-jiang

（山东康桥交通科技有限公司，济南 250000）

0 引言

我国进入公路建设高峰期已经有几十年的时间，公路通车总里程业已跃居全球第一位。随之而来的是建设初期的沥青路面陆续来到了服务寿命末期，由此产生了大量的废旧沥青混合料。这些混合料中的沥青及集料均属于不可再生资源，堆积、填埋或直接作为路基材料使用均会造成资源的浪费。国外发达国家，如美国、日本、英国及韩国等发达国家在沥青混合料热再生方面起步较早，已经形成了较为完善的政策、技术及产业链，如日本的废旧沥青路面材料的利用率达到90%以上[1]。我国在沥青路面材料的再生利用方面起步相对较晚，从2005年起，才开始了对沥青混合料再生利用的相关研究工作，但发展速度确十分迅猛，时至今日已经初步形成了再生利用的相关技术体系[2]。其中厂拌热再生作为性能恢复最佳的一种方式深受业界人员的青睐，不过废旧沥青混合料的厂拌再生利用仍然存在许多问题未能的得到有效的解决，一是面对组成相对复杂的再生沥青混合料（RAP），其性能恢复的方法与恢复效果的评价还不够成熟；二是厂拌热再生沥青混合料的材料组成设计方法基本沿用现行规范，未能充分考虑RAP材料的特殊性；三是厂拌热再生沥青混合料的施工工艺套用常规沥青混合料的施工方法，其适用性尚存在一定的不确定性[3]。针对上述问题，相关学者也开展过部分研究工作，并取得了一定的研究进展，在废旧沥青、混合料及集料技术性能的评价、废旧沥青的再生性能恢复机理等方面均有相关的报道，目前针对沥青再生的理论主要有组分调节理论、相容性理论以及橡胶增塑理论等，其中认可度较高的是组分调节理论[4-6]。在工程机械方面，我国已经实现了自主设计自主生产再生机，这为厂拌热再生的实现奠定了基础，再生机实现了废旧沥青路面材料的独立存放、温度控制、掺量控制等。再生机与原生机的相互配合，共同保证了再生后沥青混合料技术性能的达标。

文章便是在上述研究背景下，采用新旧沥青融合的方式，探索厂拌热再生材料性能恢复的关键技术，在充分考虑RAP材料的技术特点提出了厂拌热再生沥青混合料的材料组成设计方法，在此基础上研究了厂拌热再生沥青混合料的路用性能。旨在为厂拌热再生技术在公路工程中的进一步推广提供技术参考。

1 厂拌热再生材料性能恢复研究

1.1 原材料

文章采用的RAP材料为某二级公路的铣刨料，取代表性的部分RAP试样进行沥青抽提，剩余的矿质混合料利用方孔筛（2.36mm）过筛后分为再生粗集料和再生细集料，并对其进行技术检测，检测结果见表1。文章采用的新集料为玄武岩材料，其技术指标见表1。

表1显示，与新集料相比，再生集料的各项指标均存在着一定的降低，表现为软泥含量偏高，针片状偏高等，这提示在利用再生集料时，其掺量应该控制在一定的范围内，防止再生集料和新集料所组成混合集料的技术指标超过相关规范规定的限值。

表1 集料技术指标

对抽提得到的沥青进行技术性能检测，检测结果见表2。另外文章选择齐鲁石化生产的90#道路石油沥青作为调和沥青，其技术指标见表2。

表2 沥青技术指标

表2显示，再生沥青的技术性能已经老化严重，针入度远低于50#沥青的要求，延度指标过低，粘度偏大，这表明沥青经过老化后，其黏滞性过高，低温性能几乎丧失。

1.2 再生理论与方法

目前有多种理论用于对沥青再生进行解释，但最为流行的还是组分理论，该理论是基于沥青老化前后组分变化而提出的，一经提出便得到了相关研究人员的高度认可。RAP中的旧沥青经过多年的使用，其技术性能有着较大的损失，其根本原因是由于沥青内部组分的变化。一般而言，沥青中的芳香分和饱和分均属于轻质组分，在受到热氧、光照、荷载等综合作用下，会发生一定的组分挥发与转化，造成轻质组分缺失，同时部分胶质转变为沥青质，致使沥青质占比过高。上述组分的变化使得沥青的针入度和延度显著降低、软化点明显升高，黏滞性急剧增大，从而使得沥青失去了原有的路用技术性能。基于此，组分调价理论提出，向沥青中添加轻质组分从而补全缺失芳香分和饱和分，降低沥青质占比，可以较大程度的提升再生沥青的技术性能。基于该理论，结合复合材料性能规律模型，文章提出了再生沥青针入度和软化点指标恢复模型，如式（1）和式（2）所示。

式中：m1、m2为分别为旧沥青、新沥青质量分数；P1、P2、Pi分别为旧沥青、新沥青、再生后沥青的针入度；Ti、T1、T2分别为旧沥青、新沥青、再生后沥青软化点。

为了验证上述模型的准确性，文章设计了不同新旧沥青比例的工况，新旧沥青比例分别为0:10、1:2、2:1、5:1、10:1及10:0，并进行了相应的技术指标的检测，检测结果汇总于图1中。

图1 模型准确性验证结果图

基于上述结果，文章选择新旧沥青比例5:1作为推荐比例，在该比例下，再生之后的沥青的技术性能如下：针入度为75（0.1mm）、软化点为50.1（℃）、15℃延度（96.3）、60℃粘度（356.2Pa.s）。不难看出，新沥青的轻质组分有效的补充到了旧沥青之中，两者调和之后的沥青技术性能与70#基质沥青相仿。值得注意的是，并非所有RAP与新沥青的掺配比例均为5:1，这需要根据上文所述计算公式、我国现行施工技术规范等综合确定。

2 厂拌热再生沥青混合料路用性能研究

厂拌热再生沥青混合料的路用性能的优劣直接决定着其推广前景，由于RAP材料中沥青的技术性能较差，所以RAP掺配率必然是影响沥青混合料配合比设计的主要因素，由于RAP材料级配的不稳定性，文章推荐对不同来源不同路面结构层的RAP分类堆放、分类使用，最大程度的保持RAP材料的性能一致性。文章设计了RAP掺配量分别为0%、10%、20%、30%、40%等五种沥青混合料，以新集料为补充，以AC-16级配区间为控制，进行矿质混合料配合比设计，如图2所示。

图2显示，不同RAP掺量的沥青混合料能够调整到几乎相同的级配曲线，表明了经过分类使用的RAP材料可以与新集料组成满足规范要求的各种级配曲线类型。根据公式（1）和公式（2），以及RAP的掺量，分别预估新沥青的用量，并进行沥青混合料马歇尔试件的试打工作，根据不同油石比的毛体积相对密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等试验结果，按照沥青混合料最佳油石比的计算方法，确定RAP掺配量为0%、10%、20%、30%、40%时的最佳油石比分别为4.%、4.3%、4.4%、4.5%、以及4.75%。按照该油石比，对不用RAP掺量的路用性能进行了检测，试验结果如表3所示。

图2 设计级配

表3显示，随着RAP掺量的不断增大，沥青混合料的动稳定度并未出现降低的现象，反而是不断的增加，出现上述现象的原因，与旧沥青中沥青质含量比例的升高有关。根据文章公式（1）和公式（2）所述的规律，随着旧沥青比例的提升，再生沥青中的黏滞性是随之不断增大的，具体的表现为针入度的降低以及软化点的升高，最终造成沥青模量的提升。于是出现了如表3所示的动稳定度随RAP掺量的增大而提升的现象。同时该理论也相应的解释了弯曲进度模量试验规律。

表3 厂拌热再生沥青混合料技术性能

但是废旧沥青再生后的力学性能相对较低，特别是与低温相关的力学指标，如表3所示的最大弯拉应变，RAP掺量40%时的值几乎为无RAP掺量时的一半左右，说明RAP中的沥青虽然经过了轻质组分的再生作用，但无法恢复到新沥青的技术性能，尤其表现在低温性能上。上述规律提示RAP的掺配比率在冬季温度较低的地区不应该过高。

厂拌热再生沥青混合料的水稳定性指标主要是冻融劈裂强度比和残稳两项指标进行评价，表3显示，随着RAP掺配率的不断增加，再生沥青混合料的残留稳定度出现了显著下降的趋势，冻融劈裂强度比也出现了相应的下降。出现上述规律，提示RAR中旧沥青抵抗水损害的能力相对较低。这一点可以从沥青之间的粘结力上进行解释。一般而言，经过最佳油石比设计后的沥青混合料，沥青与石料、沥青与沥青之间均是以结构沥青的形式粘结在一起，部分沥青可能存在自由沥青黏结的情况，但整体黏结力较强，特别是结构沥青其黏结力远远超过沥青材料之间的分子力。而经过老化之后的沥青，沥青之间的粘结体系已经遭到破坏，残存的黏结力相对较小，经过再生补充了部分轻质组分后，其黏结力有所提升，但无法提升到新沥青的水平，于是造成了再生沥青混合料水稳定性相对较差的结果，且随着RAP材料在沥青混合料中质量占比的提升而愈发的明显。水稳定性的降低容易造成坑槽、松散、剥落等病害的产生，所以在降水量较多的地区需要限制RAP的含量不宜过高。

总之，厂拌热再生沥青混合料的高温稳定性随着RAP的掺量的增大而增大，但水稳定性和低温抗裂性能则随着RAP掺量的增大而减小。所以对于RAP的使用不应过度的追求高掺量，而应该以基本路用性能为基准。

3 结论

文章针对厂拌热再生沥青混合料的两个关键问题展开了研究工作，取得的主要结论如下：

①向旧沥青中添加轻质组分补全缺失芳香分和饱和分，降低沥青质占比，可以较大程度的提升再生沥青的技术性能。

②厂拌热再生沥青混合料的高温稳定性随着RAP的掺量的增大而增大，但水稳定性和低温抗裂性能则随着RAP掺量的增大而减小。