高掺量RAP复合再生沥青混合料路用性能研究

Research on Road Performance of Composite Recycled Asphalt Mixture with High-content RAP

摘要

为探究高掺量回收沥青路面材料（RAP）复合再生沥青混合料的路用性能，利用数解法并结合马歇尔试验设计高掺量RAP复合再生沥青混合料的配合比，确定最佳油石比，选择XT-3再生剂制备再生沥青，通过比较再生沥青的针入度、软化点和延度随再生剂掺量的变化规律确定再生剂最佳掺量，并借助车辙试验、半圆弯曲试验（SCB）及残留稳定度试验检测复合再生沥青混合料的路用性能。结果表明：当再生剂XT-3质量分数为16.5%时，复合再生沥青的性能最佳。随着纤维的加入，复合再生沥青混合料的高温性能得到改善，质量分数为60%的RAP和质量分数为0.4%的玄武岩纤维的复合再生沥青混合料高温性能最好，动稳定度可达到11 886 次/mm；纤维的加入提升了复合再生沥青混合料的低温性能，质量分数为60%的RAP和质量分数为0.4%的玄武岩纤维的复合再生沥青混合料的断裂能最大，为8 253 J/m²；纤维的加入使复合再生沥青混合料的水稳定性出现一定的下降，除质量分数为60%的RAP和聚乙烯醇纤维再生沥青混合料，其他再生沥青混合料的水稳定性均满足规范要求。综合分析，质量分数为60%的RAP和质量分数为0.4%的玄武岩纤维复合再生沥青混合料性能最优。

Abstract

In order to explore the road performance of the composite recycled asphalt mixture with high reclaimed asphalt pavement (RAP) content, the mix design of composite recycled asphalt mixture with high RAP content was conducted by the mathematical method and Marshall test, and the optimum ratio of asphalt to aggregate was determined. XT-3 regenerant were selected to prepare recycled asphalts, and the optimum content of regenerant was determined by comparing the variation laws of penetration, softening point and ductility of recycled asphalts. Their road performances were characterized by the rutting test, semi-circular bending test (SCB) and residual stability test. The results showed that the composite recycled asphalt mixture had the best performance at the XT-3 regenerant mass fraction of 16.5%. With the addition of fibers, the high temperature performance of the composite recycled asphalt mixture was improved, and the high temperature performance of the composite recycled asphalt mixture was the best with RAP of 60% and basalt fiber of 0.4%, and the dynamic stability could reach 11 886 times/mm. The addition of fiber improved the low temperature performance of the composite recycled asphalt mixture, and the fracture energy of the composite recycled asphalt mixture with a mass fraction of 60% RAP and basalt fiber with a mass fraction of 0.4% was the largest, which was 8 253 J/m². The addition of fiber reduced the water stability of composite recycled asphalt mixture, except for RAP and polyvinyl alcohol fiber recycled asphalt mixture with a mass fraction of 60%, and the water stability of other recycled asphalt mixtures met the specification requirements. Comprehensive analysis showed that the composite recycled asphalt mixture with RAP with a mass fraction of 60% and basalt fiber with a mass fraction of 0.4% had the best performance.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 回收沥青路面材料 / 再生沥青混合料 / 断裂能 / 路用性能

Key words

Road engineering / Reclaimed asphalt pavement / Recycled asphalt mixture / Fracture energy / Road performance

在我国的公路网中，沥青路面占据主导地位。然而，沥青路面在服役一定时间后，在环境和荷载的作用下会出现车辙、裂缝、坑槽、松散等病害^[1]。在对沥青路面开展养护的过程中会产生大量的沥青路面铣刨料。对回收的沥青路面材料(RAP)进行再生利用变得尤为迫切。RAP的再生利用不仅可以缓解资源匮乏，还能避免其对环境造成污染^[2]。

在我国，沥青路面再生技术的应用较为广泛，但RAP的掺入质量分数通常限制在30%以下。当RAP质量分数超过30%时，较少应用于沥青面层，主要原因在于设备差异、操作规范等因素难以准确把控RAP中沥青的老化程度及旧集料的质量^[3-4]。为了拓宽RAP的再生利用范围，研究人员开展了高掺量RAP的设计方法及级配优化研究，并通过室内试验对其路用性能进行评估^[5-10]。此外，为提高再生沥青混合料的路用性能，道路工作者研究了不同类型纤维对高掺量RAP再生沥青混合料高低温性能、水稳定性、抗疲劳性能等路用性能的增强效果，并提出了纤维的最佳掺配比例^[11-16]。本文针对高掺量RAP复合再生沥青混合料的路用性能开展研究，在检测RAP中老化沥青基本性能的基础上优选高性能再生剂，制备再生沥青并测试其性能指标，确定再生剂最佳掺量。结合车辙试验、半圆弯曲(SCB)试验及残留稳定度试验研究高掺量RAP复合玄武岩纤维/聚乙烯醇纤维再生沥青混合料的高低温性能和水稳定性，以期为回收沥青路面材料的固废资源化高效利用和公路工程的低碳化发展提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 主要原料

RAP，源自高速公路沥青面层；再生剂，XT-3，常州信拓路面改性材料有限公司；沥青，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青，西宁博升防水建材厂；新集料为石灰岩，矿粉为石灰岩，灵寿县富恒矿产品有限公司。表1和表2分别为RAP的技术指标和筛分结果，表3为XT-3技术指标，表4~表6分别为新集料、矿粉和SBS改性沥青的技术指标。

根据现有研究^[17-20]，确定所用纤维为6 mm短切玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维，当玄武岩纤维质量分数为0.4%时，对沥青混合料的路用性能产生较大幅度改善，确定两种纤维的质量分数均为0.4%。利用软X射线-EBSD-EDS测试两者形貌。图1为纤维形貌。能谱分析表明，玄武岩纤维所含主要元素为C、O、Si、Ca等，聚乙烯醇纤维所含元素为C和H。

1.2 仪器与设备

离心式快速抽提仪，DLC-3，北京申克实验仪器厂；旋转蒸发器，R-205，瑞士步琦有限公司；高速剪切机，BME 200L，上海威宇机电有限公司；软X射线-EBSD-EDS，JSM-IT800，日本JEOL；全自动车辙试验仪，JTCZ-1，北京捷通恒信科技有限责任公司；微机控制电子万能试验机，CMT5105，美特斯工业系统(中国)有限公司；马歇尔稳定度仪，LX-AMSⅡ，南京领先公路仪器制造有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 老化沥青的制备

根据离心分离法(JTG E20—2011 T 0722)利用离心式快速抽提仪从RAP中抽提出老化沥青，并采用旋转蒸发器从抽提出的老化沥青中获得老化沥青。表7为老化沥青的技术指标。

1.3.2 再生沥青的制备

将老化沥青脱水后，分别将质量分数为12.0%、14.0%、16.0%、16.5%、17.0%、17.5%、18.0%的XT-3掺入加热的老化沥青中，并利用高速剪切机剪切60 min，剪切速率设定为3 000 r/min，制备再生沥青。

1.3.3 级配设计

以AC-13级配通过率上限、中值、下限作为约束条件，通过规划求解法，计算RAP质量分数分别为40%、50%、60%且纤维质量分数均为0.4%的再生沥青混合料级配。表8为高掺量RAP再生沥青混合料的级配。根据表8的级配分别按JTG E20—2011 T 0702击实成型标准马歇尔试件及T 0703碾压成型车辙试件，并以RAP掺量及添加纤维种类命名，如RAP质量分数为40%，记为“40%RAP”；RAP质量分数为40%，掺入玄武岩纤维，记为“40%RAP+玄”；RAP质量分数为40%，掺入聚乙烯醇纤维，记为“40%RAP+聚”，以此类推。

1.4 性能测试与表征

高温性能测试：制备车辙试件，并参照车辙试验方法(JTG E20—2011 T 0719)，利用全自动车辙试验仪测试其动稳定度。

低温性能测试：制备标准马歇尔试件，结合SCB试验要求，将马歇尔试件切割成直径为101.6 mm、厚度为30 mm的半圆柱形试件，利用微机控制电子万能试验机测试荷载、位移，从而计算断裂能。

水稳定性测试：制备标准马歇尔试件，并参照浸水稳定度试验方法(JTG E20—2011 T 0709)，利用马歇尔稳定度仪测试水稳定性。

2 结果与讨论

2.1 再生剂掺量的确定

通过测试不同XT-3再生剂掺量下再生沥青的针入度、延度及软化点确定再生剂XT-3的最佳掺量^[21-25]。图2为XT-3再生沥青的基本性能。

从图2可以看出，随着XT-3掺量的增加，再生沥青的针入度、延度均呈先增大后减小的趋势，当XT-3质量分数为16.5%时，再生沥青的针入度和延度达到最大值，软化点降至最小值。表9为再生沥青基本性能的变化程度。

从表9可以看出，随再生剂掺量的增加，再生沥青的针入度和延度先增大后减小，软化点随再生剂掺量的增加呈先减小后增大的趋势，再生沥青针入度、延度和软化点均在XT-3质量分数为16.5%时出现极值。与老化沥青相比，针入度提升243.62%，延度增至43.43倍，软化点降低33.72%。根据常规性能的增幅程度，确定再生剂XT-3最佳质量分数为16.5%。

2.2 最佳油石比的确定

根据表8中的再生沥青混合料级配，采用马歇尔试验方法确定最佳油石比。结合所确定的XT-3再生剂的最佳质量分数为老化沥青质量的16.5%，玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维的质量分数为0.4%，在此基础上进行复合再生沥青混合料最佳油石比的确定。表10为最佳油石比及再生沥青混合料性能。

从表10可以看出，稳定度、流值随着RAP掺量的增加而增大，与40% RAP掺量相比，50%和60% RAP掺量再生沥青混合料的稳定度分别提升45.11%和92.17%，流值分别增加1.70%和33.79%。在最佳油石比下，三者皆满足JTG F40—2004的规范要求。

2.3 高掺量RAP复合再生沥青混合料路用性能

2.3.1 高温性能

利用车辙试验与马歇尔稳定度试验分别测试高掺量RAP复合再生沥青混合料的动稳定度、稳定度，评价其高温性能。图3为高掺量RAP复合再生沥青混合料的动稳定度和稳定度。

从图3可以看出，高掺量RAP复合再生沥青混合料的动稳定度和稳定度随着RAP掺量的增加而增大。这主要是由于随着RAP掺量的增加，老化沥青所占比例增加，沥青混合料的劲度随之增大，弹性应变在总应变中所占比例增大，从而使动稳定度和稳定度随着RAP掺量的增加而增大。掺入两种纤维后，复合再生沥青混合料的动稳定度均得到改善，其中RAP质量分数为40%和50%时，聚乙烯醇纤维再生沥青混合料的动稳定度优于玄武岩纤维再生沥青混合料，而当RAP质量分数为60%时，玄武岩纤维再生沥青混合料的动稳定度显著高于聚乙烯醇纤维再生沥青混合料；玄武岩纤维再生沥青混合料的稳定度均大于聚乙烯醇纤维再生沥青混合料。

2.3.2 低温性能

采用SCB试验评价再生沥青混合料的低温性能，试验温度为-10 ℃。半圆形柱体试件直径为(101.6±0.2) mm，厚度为30.0 mm，并在试件底部中心切割深度为10.0 mm、宽度为1.5 mm的裂缝，以此模拟沥青路面的低温断裂情况。图4和图5分别为SCB试件及SCB试验。

断裂能可由半圆弯曲试验所测试的荷载-位移曲线所围面积计算得出，其值越大，沥青混合料的抗裂性能越好。表11为高掺量RAP复合再生沥青混合料的断裂能。从表11可以看出，在-10 ℃下，随着两种纤维的加入使不同RAP掺量再生沥青混合料低温性能得到提升。掺入纤维后，再生沥青混合料的低温性能依次提升86.0%、59.0%、265.0%、7.5%、25.5%、75.0%，掺入玄武岩纤维的60%RAP再生沥青混合料的断裂能最大，表明其低温性能最优。而未掺入纤维的60%RAP再生沥青混合料低温性能下降，其主要原因是RAP掺量增多，老化沥青中未活化的比例增大，与再生剂、新沥青融合效果变差，进而导致再生效果降低，低温性能变差。而加入玄武岩纤维后，其低温性能得到显著提升，特别是RAP质量分数为60%时，玄武岩纤维再生沥青混合料的断裂能远大于未掺加纤维和掺加聚乙烯醇纤维的再生沥青混合料。

2.3.3 水稳定性

水损害的发生影响沥青路面的服役寿命与行车安全，采用残留稳定度表征复合再生沥青混合料的水稳定性能。图6为再生沥青混合料的残留稳定度。

从图6可以看出，纤维的加入使再生沥青混合料水稳定性出现一定程度的降低，除60%RAP+聚乙烯醇纤维再生沥青混合料外，其他再生沥青混合料的水温定性皆满足JTG F40—2004中相关要求。此外，高掺量RAP复合再生沥青混合料的水稳定性无明显规律，产生一定波动，如在50% RAP掺量时，添加玄武岩纤维后水稳定性降低，但40% RAP掺量时，添加玄武岩后水稳定性反而得到改善。究其原因，是拌和时RAP掺量的增加导致老化沥青未能完全“活化”，导致新沥青和再生剂未能与老化沥青完全融合，残留的新沥青和再生剂与纤维产生团聚，形成天然缺陷从而导致水损害的发生，即水稳定性的降低。

3 结论

通过探究复合再生沥青基本性能的增幅，确定XT-3再生剂的最佳质量分数为16.5%。复合再生沥青混合料高温性能随着RAP掺量的增加而增大，其中RAP质量分数为60%时，掺入玄武岩纤维的再生沥青混合料高温性能最佳。高掺量RAP复合再生沥青混合料断裂能在未掺入纤维时先增大后减小，而掺加纤维后均随着RAP掺量的增加而增大，60%RAP+玄武岩纤维的再生沥青混合料低温性能最好。掺入纤维后，高掺量RAP复合再生沥青混合料的水稳定性出现一定的降低，除60%RAP+聚乙烯醇纤维再生沥青混合料，其他种类再生沥青混合料仍满足要求。综合评定沥青混合料的高温性能、低温性能及水稳定性，60%RAP+玄武岩纤维的复合再生沥青混合料性能最优。

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基金资助

青海省交通运输厅科技项目(2023-06)