基于溫拌再生技術(shù)的玄武巖纖維瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)溫降控制

梁擇聲，呂建兵，陳銳浩，李梓焜，邱鏡宇

(1.廣東交大檢測(cè)有限公司，廣州 510890；2.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006)

0 概述

由于我國(guó)各省(自治區(qū))高速公路與國(guó)省道陸續(xù)到達(dá)服役年限，近些年開(kāi)始進(jìn)行的大修、中修及改擴(kuò)建工程會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青路面材料(RAP)[1]。針對(duì)RAP的回收處理方法主要有熱拌再生和溫拌再生技術(shù)，目前熱再生技術(shù)已經(jīng)愈發(fā)成熟，但由于其在拌和過(guò)程中需要進(jìn)行高溫加熱，并伴隨著大量有毒氣體的排放，不僅會(huì)造成大量能源消耗而且也會(huì)污染周?chē)h(huán)境[2-3]。

隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)以及對(duì)環(huán)保理念的不斷加深，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷開(kāi)展對(duì)溫拌再生瀝青混合料技術(shù)路用性能的相關(guān)研究，其中大體上來(lái)說(shuō)就是相對(duì)于熱拌再生瀝青混合料，溫拌再生混合料的水穩(wěn)定性能稍差[4-5]，因此在之后的研究中，也開(kāi)始采用其他外摻劑，諸如新型的再生劑、活性劑、抗剝落劑等來(lái)提升溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)性，以求能超過(guò)熱拌再生混合料的水穩(wěn)定性能[6-10]。對(duì)于車(chē)轍性能方面，發(fā)現(xiàn)溫拌再生瀝青混合料的抗車(chē)轍性能與熱拌再生瀝青混合料的性能相當(dāng)，并且隨著RAP摻量的提高，可以減輕混合料的車(chē)轍變形[11-13]。針對(duì)隨著加大RAP比例之后溫拌再生瀝青混合料除車(chē)轍性能提升外，其他路用性能逐漸降低的情況，添加外摻劑是個(gè)較好的選擇，其中玄武巖纖維因其環(huán)境友好型的特點(diǎn)以及纖維本身性能良好且與瀝青相容，成為改善溫拌再生瀝青混合料路用性能又一不錯(cuò)的選擇。

目前國(guó)外關(guān)于玄武巖纖維在再生瀝青混合料方面的研究才剛剛開(kāi)始，在2017年世界多學(xué)科土木工程與城市建筑規(guī)劃的研討會(huì)上，與會(huì)的國(guó)外專(zhuān)家提出了在溫拌再生瀝青混合料中加入玄武巖纖維的可行性，并表明玄武巖纖維可以進(jìn)一步改善溫拌再生瀝青混合料的持久變形能力[14]。從文獻(xiàn)調(diào)研中可以看到玄武巖纖維在再生瀝青混合料的運(yùn)用在近年來(lái)才剛剛開(kāi)始，國(guó)外尚沒(méi)有很多關(guān)于玄武巖纖維對(duì)再生瀝青混合料各個(gè)路用性能影響研究成果的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)這方面有了一定的研究，并發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維在提升再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性能、抗鹽腐蝕性能以及疲勞性能方面有著明顯的效果[15-18]，但尚未對(duì)玄武巖纖維溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行研究并在試驗(yàn)中結(jié)合氣體檢測(cè)進(jìn)行分析。

本文主要通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維溫拌再生瀝青混合料的不同降溫幅度進(jìn)行分析，并在混合料拌和過(guò)程中進(jìn)行氣體檢測(cè)，從而確定最佳的降溫溫度以及不同降溫幅度對(duì)拌和過(guò)程中氣體排放的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用的新瀝青是普通70#石油瀝青，回收的廢舊瀝青材料(RAP)是從惠州某公路現(xiàn)場(chǎng)銑刨回收的路面中上層材料，并通過(guò)篩分試驗(yàn)，取石料級(jí)配均勻且性能良好的9.5～19mm檔位，其經(jīng)過(guò)抽提試驗(yàn)后篩分鑒定為AC-16級(jí)配。再生劑采用上海范威森倍克的FBK型再生劑，溫拌劑選用Sasobit公司的Sasobit REDUX溫拌劑(圖1)，玄武巖纖維采用浙江海寧安捷材料公司的6mm長(zhǎng)度纖維(圖2)。70#基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)基本性能見(jiàn)表1，玄武巖纖維性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 70#石油瀝青性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)

圖1 Sasobit REDUX溫拌劑

圖2 6mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)首先進(jìn)行熱拌玄武巖纖維再生瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)，采用混合料級(jí)配為GAC-16，RAP按40%和50%兩種比例進(jìn)行添加，得到0.2%、0.4%和0.6%三種不同纖維摻量下的再生混合料的最佳油石比；接著在此基礎(chǔ)上添加溫拌劑，并進(jìn)行全過(guò)程的降溫(包括新集料保溫溫度，拌和和壓實(shí)的溫度依次下降15℃、25℃和35℃)；然后在混合料的拌和過(guò)程中進(jìn)行氣體檢測(cè)；最后成型馬歇爾試件并以馬歇爾試件的各項(xiàng)指標(biāo)為基礎(chǔ)，探究不同降溫幅度對(duì)馬歇爾試件各項(xiàng)指標(biāo)以及氣體排放的影響，以確定玄武巖纖維溫拌再生瀝青混合料的最佳降溫幅度。

2 溫拌玄武巖纖維再生瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)

2.1 確定最佳油石比

本文根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T5521-2019)[19]和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[20]，采用馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行熱拌玄武巖纖維再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。選取GAC-16為混合料級(jí)配曲線，通過(guò)篩分實(shí)驗(yàn)確定混合料合成礦料級(jí)配組成，并參考經(jīng)驗(yàn)公式選取五個(gè)油石比，按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中T 0604-2011[21]的方法進(jìn)行熱拌玄武巖纖維再生瀝青混合料馬歇爾試件成型，并在12h后脫模并通過(guò)表干法測(cè)定試件的毛體積密度等指標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算試件的空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率等，并結(jié)合馬歇爾穩(wěn)定度與流值確定最佳油石比。

圖3 瀝青混合料拌和試驗(yàn)

以40%RAP+0.2%玄武巖纖維熱拌再生瀝青混合料為例，在參考了摻40%RAP熱拌再生瀝青混合料的最佳油石比為4.2%之后，選取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%五個(gè)油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，其中拌和溫度和新料礦料的加熱溫度采用165℃，瀝青加熱溫度采用160℃，RAP的加熱溫度采用120℃。

拌合順序是先加入新料與玄武巖纖維進(jìn)行拌合45s，再加入RAP與再生劑拌合45s，接著加入瀝青拌和90s，最后加入礦粉拌和90s。

馬歇爾試件的擊實(shí)溫度采用145℃，雙面擊實(shí)各75次。采用在12h后脫模并通過(guò)表干法測(cè)定試件的毛體積密度等指標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算試件的空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率等，并結(jié)合馬歇爾穩(wěn)定度與流值確定最佳油石比。表3為馬歇爾試驗(yàn)試件指標(biāo)，各組混合料確定的最佳油石比如圖4所示。

表3 馬歇爾試驗(yàn)試件指標(biāo)

圖4 各組混合料的最佳油石比

由圖4可以看到，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混合料的最佳油石比也在逐漸提高，并且每增加0.2%的纖維摻量，最佳油石比也相應(yīng)地提高0.2%。此外RAP摻量為50%的混合料在同等玄武巖纖維摻量下，最佳油石比要比RAP摻量為40%的混合料高出0.2%。這是由于玄武巖纖維具有吸附瀝青的特性，這一特性會(huì)使得瀝青的粘度升高，因此隨著纖維摻量的升高，在混合料中必須加入更多的瀝青。另外隨著RAP摻量的增加也會(huì)使混合料變硬，因此為了達(dá)到更好的壓實(shí)度與密度，也會(huì)使最佳油石比相應(yīng)提高。

2.2 不同降溫幅度的馬歇爾試驗(yàn)

得出各組混合料的最佳油石比后，就可以進(jìn)行全過(guò)程降溫幅度試驗(yàn)(包括新集料保溫溫度，拌和和壓實(shí)的溫度依次下降15℃、25℃和35℃)。本文選取六種比例的混合料進(jìn)行三種降溫幅度的馬歇爾試驗(yàn)，以研究纖維和RAP摻量的變化是否會(huì)影響溫拌玄武巖纖維再生瀝青混合料的最佳降溫幅度。

對(duì)新礦料、瀝青的加熱溫度和壓實(shí)溫度分別進(jìn)行了15℃、25℃以及35℃的降溫處理，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度分別為135℃、125℃以及115℃。拌和過(guò)程與之前確定最佳油石比時(shí)的過(guò)程大致相同，只是在加入新瀝青之后，加入瀝青比例的1.5%的Sasobit REDUX溫拌劑再進(jìn)行拌和，接著按照規(guī)范成型馬歇爾試件。每一組試件成型6個(gè)高度符合規(guī)范要求的馬歇爾試件，并在脫模后進(jìn)行試件的毛體積密度等指標(biāo)的測(cè)定，進(jìn)而計(jì)算試件的空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率等。表4和表5為降溫幅度對(duì)馬歇爾試件物理指標(biāo)影響的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，表6為降溫幅度對(duì)馬歇爾試件穩(wěn)定度的影響規(guī)律。

表4 馬歇爾試件毛體積密度的變化(單位g/cm3)

表5 馬歇爾試件空隙率的變化(單位：%)

表6 馬歇爾試件穩(wěn)定度的變化(單位：kN)

由表4可見(jiàn)，降溫后的玄武巖纖維溫拌再生瀝青混合料的毛體積密度比未降溫時(shí)的毛體積密度小，這是由于未降溫時(shí)馬歇爾試件的壓實(shí)溫度較高，因此有利于得到較好的壓實(shí)度，毛體積密度也相應(yīng)較高。另外從數(shù)據(jù)來(lái)看，加入溫拌劑之后的50%RAP+0.2%和50%RAP+0.4%玄武巖纖維的再生瀝青混合料在降溫幅度為25℃時(shí)，毛體積密度可與不降溫時(shí)的毛體積密度接近。另外的四組試驗(yàn)則是在降溫幅度為15℃時(shí)與不降溫時(shí)的毛體積密度接近。這是由于溫拌劑的加入使得拌合過(guò)程中瀝青粘度下降，即使在降溫15℃和25℃，也可以獲得一個(gè)良好的拌合和混合料壓實(shí)的效果，但是前提條件是降溫幅度不能超出25℃，否則試件的壓實(shí)度便會(huì)較大程度地下降。

由表5可見(jiàn)，六組試件的空隙率在降溫之后都會(huì)有明顯增大的規(guī)律，這是由于壓實(shí)溫度的降低也會(huì)導(dǎo)致空隙率的增大。除了40%RAP+0.4%玄武巖纖維的試件組可以在三個(gè)降溫幅度下保持孔隙率在3%～5%的范圍內(nèi)，其余的五組試件只能在前兩個(gè)降溫幅度中，才可以保持空隙率在3%～5%的范圍內(nèi)，在降溫達(dá)到35℃時(shí)，空隙率都會(huì)超出5%，明顯不符合所選定的試件應(yīng)該符合的孔隙率范圍。另外空隙率隨纖維含量的增加變化規(guī)律不明顯，但是在同纖維摻量和實(shí)驗(yàn)溫度下，RAP摻量的增加會(huì)導(dǎo)致試件空隙率不同程度地上升，這可能是由于RAP含量的增加導(dǎo)致了試件中老化瀝青含量比例的上升，影響了混合料的壓實(shí)性能，進(jìn)而導(dǎo)致空隙率的上升。

由表6可見(jiàn)，六組混合料在降溫之后，浸水0.5h的馬歇爾穩(wěn)定度都有不同程度的下降。并且在三個(gè)降溫幅度中，都是在降溫幅度為25℃時(shí)，試件的馬歇爾穩(wěn)定度最大，并與未降溫時(shí)的馬歇爾穩(wěn)定度較接近。這可能是該摻入比例的溫拌劑添加于瀝青混合料之中會(huì)存在一個(gè)較佳的降溫溫度，使得試件的馬歇爾穩(wěn)定度最高。當(dāng)降溫幅度過(guò)低時(shí)，該摻入比例的溫拌劑相對(duì)過(guò)量，在這溫度下與瀝青相作用之后，導(dǎo)致瀝青粘度降低，而且溫度敏感性提高，這會(huì)使得試件在60℃水浴0.5h之后整體偏軟。相反降溫幅度過(guò)高時(shí)，該添加比例的溫拌劑相對(duì)偏少，又會(huì)讓試件壓實(shí)度太低，空隙率過(guò)高，進(jìn)而影響了浸水0.5h的馬歇爾穩(wěn)定度。另外由表6的數(shù)據(jù)也可以看到，在降溫幅度均為25℃時(shí)，RAP摻量為40%的試件組，馬歇爾穩(wěn)定度隨纖維摻入量的增加而變小，而在RAP摻量為50%的試件組中，可以看到馬歇爾穩(wěn)定度隨纖維摻入量的增加先變大后變小，在0.4%玄武巖纖維摻入量時(shí)，穩(wěn)定度最大。

2.3 氣體檢測(cè)試驗(yàn)

本文采用氣體檢測(cè)儀對(duì)玄武巖纖維溫拌再生混合料拌和過(guò)程中的氣體排放進(jìn)行檢測(cè)(圖4)，該檢測(cè)儀可以檢測(cè)拌和過(guò)程中CO、CH2O和NH3的濃度變化，具體的檢測(cè)位置位于全自動(dòng)瀝青混合料攪拌鍋的出氣口，并且控制每次測(cè)試的點(diǎn)位相同。

圖4 混合料拌合過(guò)程中的氣體檢測(cè)

檢測(cè)的時(shí)段分兩次，第一次是加入再生劑后拌和的45s過(guò)程；第二次是加入瀝青和溫拌劑之后混合料拌和的90s過(guò)程。氣體檢測(cè)儀上顯示的都是每個(gè)拌和過(guò)程結(jié)束時(shí)的氣體排放濃度。第一組試件為40%RAP+0.2%玄武巖纖維，第二組試件為40%RAP+0.4%玄武巖纖維，第三組試件為50%RAP+0.2%玄武巖纖維(本試驗(yàn)之所以檢測(cè)這三種試件的原因是由于檢測(cè)完這三組試件之后氣體檢測(cè)儀被粉塵所堵塞損壞，儀器送去了原廠進(jìn)行維修，故只檢測(cè)了這三組試件)，圖5～圖10為試驗(yàn)過(guò)程中的氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖5 第一組試件第一次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放

圖6 第二組試件第一次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放

圖7 第三組試件第一次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放

圖8 第一組試件第二次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放

圖9 第二組試件第二次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放

圖10 第三組試件第二次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放

從圖5至圖7可以看到，加入再生劑后，由于再生劑恢復(fù)舊瀝青的作用，使得氣體檢測(cè)中重新檢測(cè)到一定濃度的CO和NH3，CH2O的濃度則很低，而且隨降溫幅度的變化不明顯?？傮w來(lái)看由于降溫幅度的逐漸增大，CO和NH3這兩種氣體的濃度均有不同程度的下降，而且由圖6和圖7可以看到，降溫幅度在0℃～25℃之間時(shí)，隨著降溫幅度的增加，這兩種氣體濃度下降的斜率大致相同。除第二組試驗(yàn)第一次檢測(cè)時(shí)段CO的氣體排放數(shù)據(jù)，降溫為35℃時(shí)與降溫25℃時(shí)的三種氣體的排放濃度大體相同，表明下降溫度一定大時(shí)(降溫35℃)，第一次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放濃度將不再大幅度變化并趨于平緩。

從圖8至圖10可以看到，加入瀝青之后，CO、NH3和CH2O這三種氣體的濃度均不同程度地增加，這是由于瀝青中含有高分子聚合物，因此在高溫下與空氣進(jìn)行攪拌會(huì)產(chǎn)生CO、NH3和CH2O等氣體，因此使得這三種氣體的濃度均不同程度地增加?；诮禍貫?℃時(shí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩次氣體檢測(cè)時(shí)段三種氣體濃度比對(duì)，可以看到加入瀝青后CO的濃度平均升高約7.8倍，NH3的濃度平均升高約2.5倍，CH2O的濃度平均升高約11倍。由此可見(jiàn)，加入瀝青之后，混合料攪拌過(guò)程中CH2O的排放濃度提升最大，CO的排放濃度升高幅度僅次于CH2O，而NH3的排放濃度增加最小。由圖5至圖7也可以知道加入瀝青之后的氣體排放中，CO的氣體濃度占比最高，NH3排在第二，CH2O則占比最低。由降溫為0℃時(shí)的CO排放數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，三組試驗(yàn)CO的氣體濃度占比分別為64.1%、72.1%和75.7%。

從三組試驗(yàn)在降溫幅度0℃～25℃之間的數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著降溫幅度的增加，三種氣體的排放濃度均有不同程度的下降，其中三組試驗(yàn)CO、CH2O和NH3的氣體濃度在0℃～15℃之間平均下降百分比為17.3%、29.2%和18.6，15℃～25℃之間平均下降百分比為47.2%、44%和41%。由以上數(shù)據(jù)可以看到，從降溫幅度15℃到降溫幅度25℃的過(guò)程中，加入瀝青后混合料攪拌過(guò)程中的氣體排放下降最快，0℃到15℃次之，降溫25℃到降溫35℃之間氣體排放濃度變化最小。因此也可以得到與第一次檢測(cè)時(shí)段相似的結(jié)論：下降溫度35℃時(shí)，第二次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放濃度將不再大幅度變化并趨于平緩。

3 結(jié)論

(1)基于馬歇爾試驗(yàn)確定了不同玄武巖纖維摻量的再生瀝青混合料的最佳油石比，發(fā)現(xiàn)每多添加0.2%的玄武巖纖維，不管是40%RAP還是50%RAP的再生瀝青混合料的最佳油石比都會(huì)提高0.2%。

(2)利用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)六組配比的玄武巖纖維再生瀝青混合料進(jìn)行三個(gè)不同降溫幅度的研究發(fā)現(xiàn)，降溫25℃時(shí)，玄武巖再生瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最高；降溫35℃時(shí)，開(kāi)始有試件的空隙率高于5%，馬歇爾穩(wěn)定度也會(huì)低于8kN,這兩項(xiàng)指標(biāo)皆超出規(guī)范所選的馬歇爾試件指標(biāo)范圍。

(3)當(dāng)固定好溫拌劑的添加比例時(shí)，將存在一個(gè)降溫幅度使得試件獲得較好的物理與力學(xué)指標(biāo)。當(dāng)降溫幅度過(guò)低時(shí)，該摻入比例的溫拌劑相對(duì)過(guò)量，在這溫度下與瀝青相作用之后，導(dǎo)致瀝青粘度降低，而且溫度敏感性提高，使得試件整體偏軟；相反當(dāng)降溫幅度過(guò)高時(shí)，該添加比例的溫拌劑相對(duì)偏少，又會(huì)讓試件壓實(shí)度太低，空隙率過(guò)高。

(4)通過(guò)在降溫幅度研究的馬歇爾試驗(yàn)中增加氣體檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，加入瀝青后，CO和CH2O兩種氣體排放濃度迅速升高，降溫幅度15℃至降溫幅度25℃這一個(gè)過(guò)程中，加入瀝青后混合料攪拌過(guò)程中的氣體排放下降最快，下降的溫度為35℃時(shí)，兩次檢測(cè)時(shí)段的氣體排放濃度將不再大幅度變化。

(5)綜合以上馬歇爾試件指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)和氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，選擇降溫幅度為25℃為該溫拌劑摻入比例下的玄武巖纖維溫拌再生瀝青混合料的最佳降溫幅度。