近年来, 国家大力推进环境友好型和资源节约型社会的建设, 沥青路面废料的再生利用技术直接反映了可持续发展的资源节约理念。将废旧沥青混合料再生应用于道路建设和养护, 可以避免废旧材料堆放对土地资源的占用和对环境的污染, 降低养路成本, 对实现道路资源可持续发展具有重要意义^[1,2,3]。

沥青混合料的再生技术在我国起步较晚, 现有的再生技术主要包括热再生和冷再生2大类, 其中热再生技术在实际工程中得到更多的应用, 然而其旧料的利用率仅有20%~30%^[4], 不利于废旧沥青混合料的快速有效利用。为了使再生沥青混合料具有较高的铣刨料 (RAP) 利用率和较好的路用性能, 工程应用中会采用一定的外掺剂改善再生沥青混合料的性能。

大量研究表明^[5,6,7,8], 在沥青混合料中添加外掺剂, 如高模量剂、抗车辙剂、纤维等, 对沥青混合料的路用性能具有一定影响。然而, 外掺剂的使用对再生沥青混合料路用性能影响的相关研究较少。本文尝试将2种外掺剂 (玄武岩纤维、高模量剂) 分别添加和同时添加到再生沥青混合料中, 分析2种外掺剂对再生沥青混合料各项性能特别是疲劳性能、低温抗裂性能的影响, 在此基础上提出不同外掺剂下最大旧料掺量比例, 这对于玄武岩纤维和高模量剂在再生沥青混合料中的推广应用具有十分重要的意义。

本文使用的RAP来源于扬州市城市南部快速通道改造工程中原江阳路段产生的废旧沥青混合料, 通过对旧沥青路面铣刨料进行抽提, 测得旧料的油石比为4.18%。测试回收沥青的技术指标如表1所示, 通过筛分对回收集料的级配组成进行分析, 其级配如表2所示。

本文试验集料选用镇江茅迪玄武岩粗、细集料, 填料选用镇江高资石灰石矿粉, 各矿料的技术性质均满足规范要求。SBS沥青采用成品改性沥青, 其性能试验结果如表3所示。

旧沥青再生是沥青老化的逆过程, 向再生沥青混合料中添加再生剂的主要目的是使老化沥青性能恢复到一个适当的水平。再生剂不仅可以使混合料具有适宜的黏度, 还可恢复老化沥青的化学性能, 使其具有耐久性。本文采用常州产RA-25再生剂, 其具体指标如表4所示。

玄武岩纤维是以玄武岩等矿石为原材料生产的纤维, 该纤维具有良好的化学稳定性, 抗氧化能力较强, 其表面亲和力能较好分散在沥青混合料中^[9]。本试验中选用的纤维为玄武岩高强纤维, 性能参数指标如表5所示。

高模量沥青混合料因其具有较好的路用性能而得到越来越多的研究和推广, 在沥青混合料中添加高模量剂是制备高模量沥青混合料的主要方法之一^[10]。本研究选取的高模量剂是江苏某公司产的外掺剂, 外观为纯黑色颗粒状固体, 由多种聚合物复合而成, 具有良好的物理力学性能, 高模量剂性能参数指标如表6所示。

沥青再生剂是掺加到再生沥青混合料中用于恢复已老化沥青性能的添加剂^[11]。根据铣刨料中沥青老化性能的情况, 加入不同剂量的再生剂 (再生剂剂量为再生剂与旧沥青的质量比) , 测试老化沥青在加入不同剂量再生剂后的针入度、延度、软化点和黏度指标, 直到达到合适的要求, 从而确定再生剂最佳掺量。通过试验分析, 最终采用掺量为5%的再生剂用于老化沥青的再生, 再生后的沥青性能得到较好的恢复。掺再生剂后的沥青性能指标随再生剂剂量变化关系如图1所示。

再生沥青混合料中添加了一定比例的旧料, 旧料的掺配率是指旧料占整个再生沥青混合料的质量百分率。本研究采用7种不同掺量进行试验, 分别为0, 15%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%。再生沥青混合料采用AC-13C密实型级配, 不同旧料掺量下的再生沥青混合料合成级配如图2所示。

最佳油石比按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》^[12]中的相关规定, 在一定试验经验基础上, 确定各种外掺剂的最佳掺量。外掺剂的掺量为与沥青混合料的质量百分比, 玄武岩纤维掺量为0.4%, 高模量剂掺量0.6%。对4种不同类型混合料进行了横向对比试验, 分别确定不同类型混合料在不同旧料掺量下的最佳油石比, 以30%旧料掺量为列, 其马歇尔试验结果如表7所示。

采用高温车辙试验对再生沥青混合料的性能进行研究, 试验结果如图3所示。

试验数据分析可知, 在标准车辙试验环境下, 不同类型再生沥青混合料的动稳定度均满足规范要求。随着旧料掺量的不断提升, 再生沥青混合料的动稳定度先急剧上升后趋于平缓。这表明:旧料的加入使再生沥青混合料的高温稳定性能得到提升。这主要是因为旧料中沥青老化增大沥青黏度, 导致沥青混合料抵抗高温剪切变形的能力变强。另一方面, 添加外掺剂再生沥青混合料较普通再生沥青混合料动稳定度提升明显。其中, 30%旧料掺量下添加玄武岩纤维和高模量剂的再生沥青混合料的动稳定度分别是普通再生沥青混合料动稳定度的1.6倍和2.3倍。这说明玄武岩纤维和高模量剂2种外掺剂对增强再生沥青混合料的高温稳定性效果十分显著。然而, 玄武岩纤维和高模量剂复掺下的再生沥青混合料的动稳定度较仅添加高模量剂的再生沥青混合料的动稳定度有一定提升, 但提升效果不明显, 这可能与沥青的性能有直接影响。

低温小梁弯曲试验按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》^[13]中沥青混合料弯曲试验T0715-2011方法进行, 加载速率为50mm/min, 试验温度为-10℃。以规定的速率50mm/min在跨中位置处施加集中荷载, 仪器同时记录荷载、跨中挠度曲线至试件破坏为止。试验结果如图4所示。

从试验结果可以看出, 随着旧料掺量的不断增加, 再生沥青混合料的弯曲破坏应变不断降低, 说明旧料的掺入对再生沥青混合料的低温性能有不利影响。对于普通再生沥青混合料, 当旧料掺量高于30%时, 弯曲破坏应变不符合规范要求。添加高模量剂的再生沥青混合料的弯曲破坏应变有一定提升, 但改善效果不显著。而添加玄武岩纤维和同时添加玄武岩纤维与高模量剂的再生沥青混合料, 其弯曲破坏应变提升效果显著, 30%旧料掺量较普通再生沥青混合料的弯曲破坏应变分别提升了18%和25%。玄武岩纤维以三维空间网络结构存在于再生沥青混合料中, 起到了加筋的作用, 能够承担和分散应力对混合料的损害^[14]。

根据现行试验规范要求, 采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性, 试验按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》^[13]中T0709-2011和T0729-2011试验方法进行, 试验结果如图5和图6所示。

由试验结果可以看出, 随着旧料掺量的不断增加, 残留稳定度和冻融劈裂强度比不断下降。当旧料掺量高于30%时, 残留稳定度和冻融劈裂强度比下降趋势明显, 表明旧料掺量越高, 再生沥青混合料的水稳定性越差。其中, 添加玄武岩纤维的再生沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度较普通再生沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比没有明显变化。而掺加高模量剂的再生沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比得到一定提升, 要优于使用玄武岩纤维及不添加外掺剂的再生沥青混合料。总的来说, 外掺剂的加入对再生沥青混合料的水稳定影响是复杂的, 这可能受外掺剂材料本身的性质、在混合料中的分布状态等因素影响。

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》^[13], 采用小梁四点弯曲疲劳试验评价沥青混合料的疲劳性能。试验条件中温度为 (15±0.5) ℃, 加载频率为 (10±0.1) Hz, 采用偏正弦波, 应变控制模式加载, 试验结果如图7所示。

将4种不同类型的再生沥青混合料在3种应变 (450, 650, 850με) 条件下进行试验, 研究表明:随着旧料掺量的不断提升, 不同类型再生沥青混合料的疲劳寿命也不断下降, 其中掺高模量剂和玄武岩纤维的再生沥青混合料疲劳寿命下降趋势明显这表明旧料掺量大小对掺外掺剂的再生沥青混合料疲劳寿命的影响幅度较大。另一方面, 30%旧料掺量下, 掺加高模量剂的再生沥青混合料的疲劳寿命是掺加玄武岩纤维的再生沥青混合料疲劳寿命的2.6倍, 是普通再生沥青混合料的8.3倍。而同时添加玄武岩纤维和高模量剂的再生沥青混合料的疲劳寿命较仅添加高模量剂的再生沥青混合料的疲劳寿命有所下降。

为研究不同旧料掺量下再生沥青混合料的疲劳寿命和测试应变之间的关系, 将疲劳寿命的对数和测试应变的对数进行曲线拟合, 如图8所示。

由试验结果可知, 拟合曲线的斜率可以表征疲劳寿命对测试应变的敏感性。其中, 仅添加高模量剂的再生沥青混合料拟合曲线的斜率最高, 意味着掺加高模量剂的再生沥青混合料的疲劳寿命对测试应变的敏感性最高, 这表明高模量试剂可以增强疲劳寿命对试验应变的敏感性。另一方面, 同一类型不同旧料掺量的再生沥青混合料的拟合曲线大致接近, 说明相比外掺剂对再生沥青混合料疲劳性能的影响而言, 旧料掺量的波动幅度影响较小。对于普通再生沥青混合料, 30%, 40%, 50%旧料掺量下拟合曲线之间的间隔较大, 意味着旧料掺量在30%~50%时, 疲劳寿命变化幅度较大。对于添加外掺剂的再生沥青混合料, 拟合曲线的间隔存在于30%与40%旧料掺量间, 表示旧料掺量高于30%时会导致疲劳寿命的急剧下降, 而旧料掺量达到40%以上时, 疲劳寿命的下降趋势减缓。

1) 随着旧料掺量的不断提升, 再生沥青混合料的高温稳定性得到提升, 低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性能不断下降。

2) 玄武岩纤维和高模量剂能有效提高再生沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳性能, 其中高模量剂的效果更为显著;相较于高温稳定性和抗疲劳性能, 分别添加玄武岩纤维和高模量剂的再生沥青混合料的低温抗裂性能提升效果不明显;不同外掺剂对再生沥青混合料水稳定性的影响值得进一步研究。

3) 将玄武岩纤维和高模量剂复掺运用到再生沥青混合料中, 能有效提高混合料的低温抗裂性, 且效果优于单独添加玄武岩纤维或高模量剂, 高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性都得到一定提升。

4) 结合路用性能, 普通再生沥青混合料的旧料掺量应≤30%。而同时添加玄武岩纤维和高模量剂的再生沥青混合料在保证工程质量的前提下, 旧料掺量最大可达到50%。