梁擇聲，呂建兵，陳銳浩，李梓焜，邱鏡宇

(1.廣東交大檢測有限公司，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

由于我國各省(自治區(qū))高速公路與國省道陸續(xù)到達(dá)服役年限，近些年開始進(jìn)行的大修、中修及改擴(kuò)建工程會產(chǎn)生大量的廢舊瀝青路面材料(RAP)[1]。針對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，不僅會造成大量能源消耗而且也會污染周圍環(huán)境[2-3]。

隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)以及對環(huán)保理念的不斷加深，近年來國內(nèi)外學(xué)者不斷開展對溫拌再生瀝青混合料技術(shù)路用性能的相關(guān)研究，其中大體上來說就是相對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、抗剝落劑等來提升溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)性，以求能超過熱拌再生混合料的水穩(wěn)定性能[6-10]。對于車轍性能方面，發(fā)現(xiàn)溫拌再生瀝青混合料的抗車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轍變形[11-13]。針對隨著加大RAP比例之后溫拌再生瀝青混合料除車轍性能提升外，其他路用性能逐漸降低的情況，添加外摻劑是個較好的選擇，其中玄武巖纖維因其環(huán)境友好型的特點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的選擇。

目前國外關(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)劃的研討會上，與會的國外專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)用在近年來才剛剛開始，國外尚沒有很多關(guān)于玄武巖纖維對再生瀝青混合料各個路用性能影響研究成果的文獻(xiàn)報導(dǎo)。相對來說，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對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]，但尚未對玄武巖纖維溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行研究并在試驗中結(jié)合氣體檢測進(jìn)行分析。

本文主要通過馬歇爾試驗對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，并在混合料拌和過程中進(jìn)行氣體檢測，從而確定最佳的降溫溫度以及不同降溫幅度對拌和過程中氣體排放的影響。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

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)場銑刨回收的路面中上層材料，并通過篩分試驗，取石料級配均勻且性能良好的9.5～19mm檔位，其經(jīng)過抽提試驗后篩分鑒定為AC-16級配。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長度纖維(圖2)。70#基質(zhì)瀝青的各項基本性能見表1，玄武巖纖維性能指標(biāo)見表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長度的玄武巖纖維

1.2 試驗方案

本試驗首先進(jìn)行熱拌玄武巖纖維再生瀝青混合料的馬歇爾試驗，采用混合料級配為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)行全過程的降溫(包括新集料保溫溫度，拌和和壓實的溫度依次下降15℃、25℃和35℃)；然后在混合料的拌和過程中進(jìn)行氣體檢測；最后成型馬歇爾試件并以馬歇爾試件的各項指標(biāo)為基礎(chǔ)，探究不同降溫幅度對馬歇爾試件各項指標(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

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]，采用馬歇爾試驗進(jìn)行熱拌玄武巖纖維再生瀝青混合料的配合比設(shè)計。選取GAC-16為混合料級配曲線，通過篩分實驗確定混合料合成礦料級配組成，并參考經(jīng)驗公式選取五個油石比，按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(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后脫模并通過表干法測定試件的毛體積密度等指標(biāo)，進(jìn)而計算試件的空隙率、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

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%五個油石比進(jìn)行馬歇爾試驗，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。

馬歇爾試件的擊實溫度采用145℃，雙面擊實各75次。采用在12h后脫模并通過表干法測定試件的毛體積密度等指標(biāo)，進(jìn)而計算試件的空隙率、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摻量的增加也會使混合料變硬，因此為了達(dá)到更好的壓實度與密度，也會使最佳油石比相應(yīng)提高。

2.2 不同降溫幅度的馬歇爾試驗

得出各組混合料的最佳油石比后，就可以進(jìn)行全過程降溫幅度試驗(包括新集料保溫溫度，拌和和壓實的溫度依次下降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，以研究纖維和RAP摻量的變化是否會影響溫拌玄武巖纖維再生瀝青混合料的最佳降溫幅度。

對新礦料、瀝青的加熱溫度和壓實溫度分別進(jìn)行了15℃、25℃以及35℃的降溫處理，對應(yīng)的試驗溫度分別為135℃、125℃以及115℃。拌和過程與之前確定最佳油石比時的過程大致相同，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)的測定，進(jìn)而計算試件的空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率等。表4和表5為降溫幅度對馬歇爾試件物理指標(biāo)影響的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，表6為降溫幅度對馬歇爾試件穩(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，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的毛體積密度小，這是由于未降溫時馬歇爾試件的壓實溫度較高，因此有利于得到較好的壓實度，毛體積密度也相應(yīng)較高。另外從數(shù)據(jù)來看，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，毛體積密度可與不降溫時的毛體積密度接近。另外的四組試驗則是在降溫幅度為15℃時與不降溫時的毛體積密度接近。這是由于溫拌劑的加入使得拌合過程中瀝青粘度下降，即使在降溫15℃和25℃，也可以獲得一個良好的拌合和混合料壓實的效果，但是前提條件是降溫幅度不能超出25℃，否則試件的壓實度便會較大程度地下降。

由表5可見，六組試件的空隙率在降溫之后都會有明顯增大的規(guī)律，這是由于壓實溫度的降低也會導(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，空隙率都會超出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驗溫度下，RAP摻量的增加會導(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性能，進(jìn)而導(dǎo)致空隙率的上升。

由表6可見，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。并且在三個降溫幅度中，都是在降溫幅度為25℃時，試件的馬歇爾穩(wěn)定度最大，并與未降溫時的馬歇爾穩(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存在一個較佳的降溫溫度，使得試件的馬歇爾穩(wěn)定度最高。當(dāng)降溫幅度過低時，該摻入比例的溫拌劑相對過量，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，這會使得試件在60℃水浴0.5h之后整體偏軟。相反降溫幅度過高時，該添加比例的溫拌劑相對偏少，又會讓試件壓實度太低，空隙率過高，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，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，穩(wěn)定度最大。

2.3 氣體檢測試驗

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

圖4 混合料拌合過程中的氣體檢測

檢測的時段分兩次，第一次是加入再生劑后拌和的45s過程；第二次是加入瀝青和溫拌劑之后混合料拌和的90s過程。氣體檢測儀上顯示的都是每個拌和過程結(jié)束時的氣體排放濃度。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(本試驗之所以檢測這三種試件的原因是由于檢測完這三組試件之后氣體檢測儀被粉塵所堵塞損壞，儀器送去了原廠進(jìn)行維修，故只檢測了這三組試件)，圖5～圖10為試驗過程中的氣體檢測數(shù)據(jù)。

圖5 第一組試件第一次檢測時段的氣體排放

圖6 第二組試件第一次檢測時段的氣體排放

圖7 第三組試件第一次檢測時段的氣體排放

圖8 第一組試件第二次檢測時段的氣體排放

圖9 第二組試件第二次檢測時段的氣體排放

圖10 第三組試件第二次檢測時段的氣體排放

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，使得氣體檢測中重新檢測到一定濃度的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，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。除第二組試驗第一次檢測時段CO的氣體排放數(shù)據(jù)，降溫為35℃時與降溫25℃時的三種氣體的排放濃度大體相同，表明下降溫度一定大時(降溫35℃)，第一次檢測時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?℃時的數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩次氣體檢測時段三種氣體濃度比對，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，加入瀝青之后，混合料攪拌過程中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℃時的CO排放數(shù)據(jù)來計算，三組試驗CO的氣體濃度占比分別為64.1%、72.1%和75.7%。

從三組試驗在降溫幅度0℃～25℃之間的數(shù)據(jù)來看，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℃的過程中，加入瀝青后混合料攪拌過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時段相似的結(jié)論：下降溫度35℃時，第二次檢測時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提高0.2%。

(2)利用馬歇爾試驗對六組配比的玄武巖纖維再生瀝青混合料進(jìn)行三個不同降溫幅度的研究發(fā)現(xiàn)，降溫25℃時，玄武巖再生瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最高；降溫35℃時，開始有試件的空隙率高于5%，馬歇爾穩(wěn)定度也會低于8kN,這兩項指標(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，將存在一個降溫幅度使得試件獲得較好的物理與力學(xué)指標(biāo)。當(dāng)降溫幅度過低時，該摻入比例的溫拌劑相對過量，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)降溫幅度過高時，該添加比例的溫拌劑相對偏少，又會讓試件壓實度太低，空隙率過高。

(4)通過在降溫幅度研究的馬歇爾試驗中增加氣體檢測發(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℃這一個過程中，加入瀝青后混合料攪拌過程中的氣體排放下降最快，下降的溫度為35℃時，兩次檢測時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)檢測數(shù)據(jù)和氣體檢測數(shù)據(jù)來看，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。