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沥青热再生剂路用性能的试验分析

发布时间:2017-04-26
(1 重庆乐德交通发展有限责任公司 重庆400060;2湖北交通工程检测中心  武汉430051)
摘要:本文介绍了一种新型再生剂对老化沥青的性能改善作用及对再生沥青混合料路用性能的影响。包括:再生沥青的抗老化性能、再生沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及耐久性能等。试验结果表明,控制旧料掺配比例在一定范围的情况下,再生剂能有效的改善再生沥青混合料的路用性能。
关键词:再生剂 旧沥青混合料(RAP) 再生沥青混合料 路用性能
Laboratory analysis on Hot Asphalt Recycling Agent’s Road Performance
ShengXingYue1  XiongWei2 wenhai1
1 Chongqing road traffic development co., LTD Chongqing 400060
2 Hubei Traffic Construction Testing Center, Wuhan 430051
Abstract: A new asphalt recycling agent is introduced in this paper which include its influence on the old asphalt and recycling asphalt mixture’s road performance, recycling asphalt’s aging resistibility performance, recycling asphalt mixture’s high-degree performance, low-degree’s performance and water damage resistibility. The result indicates that the recycling agent can efficiently improve the recycling asphalt mixture’s road performance when the percentage of RAP is controlled in a certain range.
Key words: Hot recycling; Asphalt mixture; Road performance; Asphalt rejuvenator
 
沥青路面再生技术是综合提高资源利用效率、保护环境和保持可持续发展的一项最有效的技术经济措施,特别是沥青路面热再生技术作为一种应用最为广泛、经济性最好的再生方式而倍受关注。国外的应用经验表明[1],经过合理的热再生工艺后的再生沥青混合料,其基本性能可达到新拌混合料的标准,甚至比普通沥青混合料有更好的高温稳定性及耐久性等。
我国修筑高速公路的时间不长,受路面设计、施工技术不够成熟和材料、资源缺乏等因素的影响,沥青路面早期破坏相当严重,高速公路沥青路面往往达不到设计使用寿命(15~20年)的1/3就需进行大面积的翻修。我国沥青路面早期损害严重,沥青的老化不是主要原因。国内的相关研究成果也显示[2][3],对使用3-5年的旧沥青混合料进行抽提回收后进行技术指标检测,结果表明沥青的老化并不严重。因此对于老化不大严重的旧料进行热再生配合比设计时,有无必要掺再生剂,应选择何种再生剂以及对再生沥青混合料综合性能有何影响等,这些都需要进行研究。美国已有许多种再生添加剂应用于路面再生,并且有些在性能和使用上都有相应的指导性规范,我国近年来也有不少科研机构开始了这方面的研究,并开发了一些再生剂,如江苏交通科学研究院的ARA型再生剂,东南大学研制的A、B型再生剂等,目前这些产品都还在相关试验论证的基础上。本研究中的ZS再生剂是一种新型的溶剂型沥青热再生剂,本文将针对该再生剂对再生沥青混合料的性能影响展开讨论。 
1 原材料
1.1 旧沥青混合料(RAP)
试验采用三种不同类型的铣刨旧料,各自具有一定的代表性,其原材料类型及所取位置使用年限基本情况见表1。
表1 旧沥青混合料的基本情况
旧料经二次破碎、低温加热、三氯乙烯抽提、高速离心去矿粉以及最终用旋转蒸发器蒸馏回收等工序后,最终得到回收的老化沥青,对其技术指标检测结果如下:
表2 回收老化沥青的性能指标检测
试验结果表明,沥青已发生了一定程度的老化,与原样沥青的指标进行对比,主要表现在沥青的低温延度急剧下降和针入度指数PI的减少,说明老化沥青的胶体结构已发生改变,由原来的溶-凝胶型沥青转化为了温度敏感性较大凝胶型沥青。
1.2 新沥青材料及矿料
再生沥青混合料配合比设计中,新沥青采用科氏70号普通沥青,新矿料为普通石灰岩,其各项技术指标都符合规范的要求。再生添加剂为重庆乐德交通发展责任公司开发的ZS型沥青热再生剂。
2 再生剂对老化沥青的改善作用
沥青老化过程中其组分会发生迁移,主要表现为其中的芳香芬老化成胶质和胶质进一步老化成沥青质,使得原体系中的沥青质越来越多,原始胶体结构发生改变,导致沥青的胶体稳定性下降,宏观上的表现就是沥青的性能变差。沥青再生剂为恢复老化沥青的原始性能,一般应含有较多的芳香组分及一些能对沥青质能起塑化作用的物质,以通过这些物质来改善老化沥青的胶体结构,从而使沥青能重新形成稳定的胶体结构。各类沥青热再生剂的研究开发也主要是基于这个机理,只是原材料的选择不尽相同。
2.1  ZS型再生剂对老化沥青的性能改善
改性沥青混合料的再生,国内外仍有争议[4]。本研究中老化沥青掺再生剂后,其评价指标参照普通70号沥青的评价标准进行,再生剂的掺量根据目标粘度(>200pa.s)来确定,以下ZS型再生剂对不同老化沥青性能的改善结果,见表3:
表3 ZS型再生剂对老化沥青性能的改善
按照目标粘度确定再生剂掺量的方法是比较合适的,再生剂的掺入降低了老化沥青的旋转粘度及软化点,有效的增大了沥青的针入度、延度及PI等,再生后沥青的技术指标完全达到了规范中70号A级沥青技术指标的要求[5]。 针入度指数PI的增大说明老化沥青从凝胶型沥青又转化为了溶-凝胶型沥青。试验结果进一步表明,不论原旧料中的沥青是改性沥青还是普通沥青,掺入ZS型再生剂后,完全可达到规范中普通沥青的技术指标要求,而且有更高的粘度。
2.2 再生沥青的抗老化性能
诸多油类(如机械油、高芳烃油)及脂类(如DBP等)对老化沥青的性能都有相当大的改善作用,能有效的降低老化沥青的粘度、软化点和提高延度等,但这些物质却不是好的再生剂,其原因是利用这些物质再生后的沥青,其抗老化性能达不到要求,而沥青的抗老化性能又是最为关键的指标。表4是这几种物质对湖北京珠回收老化沥青性能改善的试验结果。
表4  再生沥青的抗老化性能
试验结果表明,掺ZS再生剂的再生沥青有相当好的耐老化性能,再生沥青经过TFOT后的技术指标基本上都能满足规范中A级沥青要求,接近于新科氏70号沥青的性能,而掺两种油脂类的再生沥青其抗老化性能则无法达到要求。这与再生剂原材料本身的耐老化性能有直接关系,一般要求再生剂本身TFOT后的质量损失不超过2%,老化后与老化前粘度比不大于3。再生剂实际使用过程中,由于再生沥青混合料中还要添加相当部分新沥青进行配合使用,因此混合后再生沥青的性能将更优,与新沥青性能差异将更小。
3再生沥青混合料性能
采用湖北京珠的旧沥青混合料进行再生沥青混合料的配合比设计及路用性能试验,为有效果的控制再生沥青混合料的变异性,将旧料经过二次破碎及筛分,油石比测定结果为4.9%。按照旧料配比例为100%、35%、55%进行再生沥青混合料的配合比设计,目标级配为AC-20C型(如旧料100%,则不按此级配),并根据旧料的级配和沥青含量掺入新矿料、沥青及再生剂。掺再生剂时,则新沥青+再生剂总量则作为新沥青,再生剂的掺量为旧料老化沥青5%。
3.1 马歇尔技术指标的影响
对规范中马歇尔配合比设计方法进行改进,按三个旧料掺配比例进行再生沥青混合料的配合比设计,再生剂分掺与不掺两种情况进行试验对比,马歇尔试验结果见表5:
表5 再生沥青混合料的马歇尔技术指标
利用100%旧料直接成型试件时,再生剂的掺入降低了马歇尔试件的空隙率,说明再生剂能有效的降低老化沥青的粘度,在相同的击实功情况下,使旧料有更小的空隙率。按照AC-20型结构进行配合比设计的结果表明,再生剂的掺入一定程度上降低了沥青混合料的稳定度和流值,最佳沥青用量比不掺时略少,掺再生剂后的再生沥青混合料完全能达到规范中热拌沥青混合料中马歇尔技术指标的要求[5]。
3.2路用性能的影响
在60℃,0.7Mpa条件下进行车辙试验,以动稳定度DS评价沥青混合料的高温稳定性,以-10 ℃的小梁弯曲的破坏应变ε来评价沥青混合料的低温抗裂性能,以冻融劈裂试验的残留强度比来评价沥青混合料的水稳定性。试验结果见表6:
 
表6 动稳定度与低温破坏应变测试结果
不掺再生剂的情况下,旧料掺配比例越大,再生沥青混合料的动稳定度将更高,而低温抗裂性和水稳定性能则更差。分析起原因,沥青的老化引起软化点与粘度升高,将使沥青混合料的高温性能得到提高,旧料用量越大,则高温稳定性越好。相反,沥青老化后在低温下则更脆,直接影响沥青混合料的水稳定性及低温抗裂性能。再生剂的掺入能有效的软化旧料中的老化沥青,使得新、旧沥青能融合、分散均匀,虽然一定程度上降低了再生沥青混合料的高温性能,但却有效的提高水稳定性和低温抗裂性。因此再生沥青混合料进行配合比设计时,严格控制再生剂的掺量是关键,实际工程应用时必须均衡再生沥青混合料综合路用性能来确定再生剂的掺量,并辅以合适的施工工艺确保再生剂能分散均匀,发挥其功效。
3.3抗疲劳性能的影响
为进一步研究再生剂对再生沥青混合料混合料长期耐久性能的影响,采用沥青混合料的重复加载试验来进行疲劳试验。疲劳试验采用标准击实马歇尔试件进行间接拉伸疲劳,试验温度为15℃,试验荷载采用连续无间歇半正矢荷载,荷载频率为10HZ。疲劳试验进行之前,先确定各个方案沥青混合料的静态劈裂强度,然后根据各自的静态强度,取不同应力比下的荷载作为疲劳试验最大强度,应力比分别取0.3、0.40、0.50、0.60。试验结果具体见下表。
表7 沥青混合料的耐久性能试验结果

图1 各方案下再生沥青混合料的抗疲劳性能图例
由于01、02与03、04、07的级配及沥青用量相差较大,直接影响到沥青混合料的疲劳性能,故试验结果中01与02进行对比,03、04、07进行对比。
各个应力比情况下,再生沥青混合料疲劳方程中的K值大则说明疲劳方程的位置高,混合料的抗疲劳性能好;斜率N值越大,则曲线越陡,说明应力水平的变化对疲劳寿命的影响越大。从K值来进行反映时,02方案中ZS再生剂的掺入反而降低了其抗疲劳性能导致K值变小。分析其原因主要有两点,第一:由于进行室内试验时,再生剂的量相当少(仅为旧料中老化沥青比例的5%),且是直接加入到旧料中进行拌和的,也没有添入新沥青,必然存在着分散不均匀及强度不均匀;第二:旧料中的老化沥青本身粘度较大,相当于“硬质”沥青的角色,在试验温度下有较高的强度和模量,反而有较好的抗疲劳性能,在这一问题上,具体原因还需要进一步的研究。
方案03、04中,旧料的掺配比例为35%,并掺入了一定比例的新料及新沥青,此时ZS再生剂已能均匀混合在新沥青中并与旧料中的老化沥青相融合,从K值增大,N值降低可以明显的说明ZS对再生沥青混合料抗疲劳性能的改善效果,并已经超过了新AC-20沥青混合料,主要表现在以下两个方面,第一:再生剂的渗透和软化作用有效改善了旧料中老化沥青的性能,并使新旧沥青相互能均匀的融合,解决了新旧沥青粘接不好的问题,且混合后沥青的整体粘度比新沥青要高(再生沥青旋转粘度高于新沥青);第二:掺入旧料的再生沥青混合料相对于新鲜沥青混合料的最佳油石比要大一些,油膜厚度要厚,以上两个因素对沥青混合料的抗疲劳性能都有利,以至再生沥青混合料反而比新鲜沥青混合料有更好的抗疲劳性能。因此,控制旧料的掺配比例在一定范围内,再生剂的掺入将有效的提高再生沥青混合料的抗疲劳性能。
4 结语
再生沥青路面的使用性能与再生沥青混合料的材料组成、设计及施工工艺的好坏直接相关,旧料的再生往往就是旧料中老化沥青的再生,如果将再生沥青混合料所含旧料中的那部分老化沥青的性能恢复到新沥青的水平,基本上就可以认为再生沥青混合料有新鲜沥青混合料的品质了。目前系统深入研究再生剂对再生沥青混合料的路用性能影响的研究工作进行得比较少,大部分还停留在再生沥青的层面上,主要原因是因为再生沥青混合料的级配及油石比受旧料的变异影响大,再生剂也不成熟等。本研究依托相关科研项目,有效的解决以上难点问题,对再生沥青混合料的部分路用性能做了初步的试验分析,以期能提供借鉴和参考,关于再生剂对再生沥青路面长期耐久性能的影响以及再生沥青混合料的评价指标等,还需进行更深入的研究。
参考文献:
[1] Pavement Recycling Executive Summary And Report, Publication No.FHWA-SA-95-060,
FHA, U.S.Department of Transportation, Washington, MC, 1995.
[2] 刘松,熊巍,黄洪涛等.厂拌热再生在孝襄高速公路孝南互通的应用.中国公路,2005(23)
[3] 盛兴跃,文海等 .ZS沥青路面再生剂的性能研究.中国公路,2005(23)
[4] 刘先淼,朱战良.厂拌热再生沥青技术在广佛高速公路路面大修工程的应用.公路.2004(11)
[5] 中华人民共和国交通部行业标准,公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004);
[6] 中华人民共和国交通部行业标准,公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ 052-2000);
作者简介:
盛兴跃,男,工程师,毕业于青岛科技大学精细化工专业,重庆乐德交通发展有限责任公司,主要从事水泥混凝土路面接缝技术和改性沥青、旧沥青混合料再生利用技术研究。在国内发表相关论文六篇,其中沥青再生方面二篇。

 
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