摘 要

高摻量的舊瀝青混合料(RAP)用于瀝青路面再生具有一定的挑戰性和困難性，主要是由于RAP中老化后的瀝青勁度較高，在二次使用后變得更硬，對瀝青的低溫開裂性能不利。具有明顯環保優勢的生物再生劑可降低RAP的勁度并增加其黏性成分，該再生劑同RAP的結合應用也受到了相關研究者的廣泛關注。但是目前尚無研究進行生物再生劑、軟瀝青以及溫拌添加劑對高摻量人工RAP老化瀝青再生效果的完全評估和比較瀝青網sinoasphalt.com。為了解決這一問題，本研究中，使用了生物再生劑和另外兩種再生劑，即軟瀝青和Evotherm-DAT來比較這3種典型再生劑對含有不同比例人工RAP老化瀝青的再生效果。通過進行針入度、軟化點、旋轉黏度、動態剪切流變儀(DSR)和彎曲梁流變儀(BBR)實驗，來表征所制備再生樣品的基本性能、施工和易性和流變性能。測試結果表明：該生物再生劑在較高摻量RAP瀝青中使用時具有較好的再生效果，盡管在低溫性能方面的改善不大。此外，Evotherm-DAT對含有30%人工RAP老化瀝青的試樣具有顯著的軟化作用。實驗結果同時表明，當摻量分別為50%和80%時，Evotherm-DAT和生物再生劑可以分別發揮其優良的再生性能。

關鍵詞 人工RAP老化瀝青 | 再生性能 | 軟瀝青 | Evotherm-DAT | 生物再生劑

概述

近年來，在瀝青路面的修建過程中，很多具有可持續性和環保型的應用技術被開發和推廣。例如，將工業垃圾和生活垃圾材料循環應用到路面工程中是廢物回收利用的好方法[1]。溫拌瀝青技術(WMA)的應用減輕了施工過程中的有害氣體的排放。此外，從已損壞或老化的舊路面獲取路面材料加以重新利用，該技術在節能和環保方面具有顯著的優勢，也一直作為路面研究人員和工程師的熱門研究課題。根據冷真等的研究發現[2]，在相同的使用壽命(15年)下，就地熱再生可以節省5%的成本，減少對環境產生的不利影響為16%?；赪illis的研究[3]，通過再生利用25%~50%的舊瀝青混合料(RAP)，建筑材料成本可降低20%~35%。此外，含有一定比例的RAP的再生瀝青混合料可具有與原始瀝青混合料相似的工程性能，并具有更好的抗車轍性能[4]。

盡管如此，通過再生利用RAP來修建高質量和高性能的路面仍然存在挑戰。一方面，使用RAP會帶來一系列的問題，諸如早期路面病害(低溫和疲勞開裂)，新老瀝青不能完全混合和使用壽命縮短[5，6]等。隨著再生技術的發展，對RAP再生利用率的要求不斷提高。但是，再生混合物中RAP的一般使用比例低于25%，即回收利用比例仍不高。

為了在不損害路面性能的情況下提高瀝青混合料中的RAP含量，許多相關研究都關注于再生劑的應用。再生劑在瀝青路面再生中的使用一般可分為以下3種方法：第一種方法是將較軟的瀝青與RAP老化瀝青混合來降低瀝青較高的剛度[7]；第二種方法是溫拌添加劑的應用，該技術可降低生產中混合和壓實時的溫度，溫拌技術不僅可以在瀝青混合料中使用高比例的RAP，而且還可以通過降低生產溫度來產生巨大的環境經濟效益[8]；第三種方法是使用再生劑恢復老化瀝青的性能，同時，生物再生劑由于其可再生和環保特性而在工程建設中應用較廣。生物再生劑主要來自一系列植物或動物的可生物降解物質，例如植物油，廢物衍生油，豬糞等[9-12]。Ahmad等發現從麻風樹籽中提煉得到的植物油有助于降低黏合劑在低溫下的黏度，同時還可改善施工和易性[9]。根據Elkashef等的研究，從大豆中提取的植物油再生劑也已被證明可以有效地恢復老化瀝青的疲勞和低溫性能[10]。龔明輝等研究了從廢棄食用油中獲得的生物再生劑來再生老化瀝青的性能，并得出結論，該再生劑能夠提高老化瀝青的施工和易性和流變性[11]。Fini等發現從豬糞中提取的生物油可以通過降低黏度，提高再生瀝青瓦(RAS)的延展性和斷裂能來起到再生的作用[12]。盡管已有學者們對于生物再生劑的再生效果進行了大量研究，但是再生性能影響方面的數據仍較少，并且缺乏對不同再生劑的再生性能的全面研究和比較。在這項研究中，引入了一種不同的含有改性劑的生物再生劑，并研究了不同含量的人工RAP老化瀝青對它的再生效果。同時，將其再生效果與軟瀝青和Evotherm-DAT進行了比較。為實現上述的研究目標，一系列試驗在本研究中展開，并將在以下部分中介紹。預期該研究的結果將探索在老化瀝青再生上使用3種再生劑的可能性，從而滿足對低成本、節能和環保效益的需求。

試驗方案

材料和樣品制備

本研究中使用的原樣瀝青是70號瀝青，為中國華南地區最常用的瀝青。人工RAP老化瀝青(簡稱RAP)是通過實驗室旋轉薄膜烘箱試驗(RTFO)和壓力老化試驗(PAV)老化獲得的[13]。在RTFO實驗中，將原樣瀝青在163℃加熱85min，同時使其以4L/min的速度連續流動，以模擬瀝青在生產、混合和壓實過程中的短期老化。然后，通過PAV將準備好的RTFO樣品進行長期老化，將樣品在100℃下加熱20h，同時承受2.1MPa的壓力。處理20h后，將樣品取出，脫氣并存儲以備將來測試。表1列出了70號原樣瀝青和人工RAP老化瀝青的性能。

本研究中使用的3種再生劑分別是軟瀝青，WMA添加劑和生物再生劑。90號瀝青被選作軟瀝青，因為它可以減小RAP老化瀝青較高的剛度。用作再生劑的WMA添加劑是Evotherm-DAT(簡稱DAT)。Evotherm由Mead Westvaco ASPHALT  INNOVATIONS公司發明，DAT作為Evotherm的第二代產品，是一種含有少量水的液體表面活性劑。由于其對提高施工和易性，已被用于RAP和RAS。根據Arega等的研究[14]，本研究中DAT劑量為5%。第3種再生劑，即生物再生劑(Bio-rejuvenator，BR)，是由80%的含有生物基成分的新型再生劑，15%的WMA添加劑(Evotherm-3Ｇ)和5%的苯乙烯丁二烯橡膠(SBR)組合而成。其中，新型再生是從環氧化植物油中提取的，然后用一種名為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)的增塑劑進行改性。選擇和添加DBP的原因在于可以提高生物瀝青的低溫性能，從而獲得的再生性能[15]，DBP的劑量為5%。作為Evotherm第三代產品的Evotherm-3Ｇ在許多方面類似于Evotherm-DAT，但無水分。盡管在降低溫度方面，Evotherm-3Ｇ在所有版本的Evotherm產品中效果不佳，但它已被認為是一種成功的熱拌添加劑，可提高瀝青的施工和易性，并被用作改性劑以增強瀝青的再生能力。使用SBR膠乳則可以提高抗車轍性能和低溫性能[16]?；赯hu等的研究[15]，本研究中BR的劑量為老化瀝青質量的10%。表2列出了軟瀝青和BR的基本性能。

通過改變RAP摻量，原始瀝青摻量和3種再生劑的使用制備了14個樣品。本研究中使用的不同劑量的RAP老化瀝青分別占瀝青總質量的30%，50%和80%。為了生產均勻的共混物，將原始樣品在135℃下混合10min，然后立即在相同溫度下將共混物再加熱10min以消除氣泡。為了模擬生產過程中的實際工業過程，首先將再生劑與新瀝青及原樣瀝青混合，然后將所有組分加熱并混合。表3描述了所有樣品中不同成分的對應含量。

實驗方法

為了研究和表征上述再生劑對高摻量RAP的再生效果，在本研究中進行了以下實驗，包括針入度和軟化點、黏度、動態剪切流變儀(DSR)、彎曲梁流變儀(BBR)和頻率掃描。試驗方案流程見圖1。

(1)基本性能試驗

所制備的瀝青樣品的工程性能測試包括通過針入度(25℃)和軟化點試驗，依照ASTMD5和ASTMD36規范。瀝青的旋轉黏度反映了它們在混合和壓實過程中的流動阻力和施工和易性。根據AASHTOT316，使用BROOKFIELD RV-DVⅢ超旋轉黏度計在135℃和150℃下測量所有制備樣品的黏度。針對每個實驗，重復試驗為3次。

(2)DSR試驗

為了表征瀝青試樣在高溫和中溫下的流變性，本研究遵循了AASHTOT315-12中的要求，使用動態剪切流變儀(DSR，MalvernKinexusLab+，Malvernanalytical Company，英國)來進行。

通過車轍因子試驗研究了瀝青的高溫性能。在該測試中，選定的轉子直徑為25mm，轉子與板之間的間隙為1mm。測試溫度開始于58℃，然后在自動升高6℃直至達到標準規定的界限。耐車轍性通過車轍因子G＊/sinδ進行評估，G＊/sinδ對于未老化的瀝青等于1kPa，對于RTFO老化的瀝青等于2.2kPa。每個樣品準備3次重復試驗，并對每種未老化或RTFO老化的試樣進行測試。

根據AASHTOTP101-14，通過線性振幅掃描(LAS)測試評估了經受長期老化的每種樣品的抗疲勞性能。LAS測試分兩個階段進行。在第一階段，在特定溫度(本研究中為25℃)下進行頻率掃描(0.2~30Hz)，并在線性黏彈性范圍水平(0.1%)內進行恒定振幅應變，以確定材料的未損壞特性(α)。在第二階段，以10Hz的頻率水平執行振幅掃描測試，其中負載幅度從0線性增加到30%?；赩ECD理論的瀝青樣品中的損傷累積可以用等式(1)表示[17]。

(3)BBR試驗

通過根據AASHTOT313在-6℃，-12℃和-18℃的溫度下進行BBR測試，評估了測試樣品(PAV老化樣品)的低溫性能。確定的彎曲蠕變勁度和ｍ值可表征瀝青在低路面使用溫度下的蠕變行為，并顯示出熱裂的可能性。較低的彎曲蠕變勁度傾向于減輕路面中產生的熱應力，較高的m值有利于迅速分散積聚的應力，這都意味著更好的抗裂性[18]。在測試中，為每組PAV老化的樣品準備了兩個重復樣品。

(4)主曲線

頻率掃描用來評估中溫下瀝青的線性黏彈性能。選擇所有經受過RTFO老化過程的瀝青樣品，以確定再生效果。在4個不同溫度(0℃，10℃，25℃和45℃)下，在線性范圍內以0.01%的恒定小應變幅度對每個樣本進行了0.1Hz~10Hz的頻率測試(11個點)黏彈性范圍。在測試過程中使用間隙設置為2mm的8mm平行板。然后通過將曲線在不同溫度下移至參考溫度25℃來構建主曲線。Chiristenson-Anderson-Marasteanu(CAM)模型用于復雜的剪切模量擬合[19]。對于CAM模型，擬合函數可以寫為方程式(5)。

結果與討論

針入度和軟化點

針入度和軟化點試驗的結果分別見圖2。隨著RAP含量的增加，在相同的混合方案中，瀝青的針入度降低，而軟化點則增加。此外，在相同的RAP含量下，與包括RAP和原始瀝青的混合樣品相比，3種再生瀝青樣品具有更高的針入度和更低的軟化點。原因是軟瀝青、DAT和BR可以在一定程度上減少RAP老化瀝青的硬度。其中，DAT具有最佳的軟化效果，這可以從30-V-D和50-V-D的針入度和軟化點值看出。30-S和30-V-BR的針入度值分別為59和57(0.1ｍｍ)。這意味著當RAP含量為30%時，軟瀝青的軟化效果略好于BR，這同時可以從30-S和30-V-BR的軟化點結果看出。然而，當RAP含量增加到50%或更高時，觀察到BR再生的瀝青樣品與包括軟瀝青的瀝青樣品相比，表現為針入度的增加和軟化點的降低。這意味著BR可以用作再生劑，并且使用在更高比例RAP中，比軟瀝青具有更好的再生效果。

施工和易性

高溫下的旋轉黏度被認為是表征瀝青膠結料施工和易性的重要參數之一。通常，具有較低黏度的瀝青，表明具有更好的流動性和涂覆能力。圖3顯示了在135℃和150℃下的布魯克菲爾德黏度測試結果，可以看出，老化作用對瀝青的黏度有顯著影響。隨著RAP含量的增加，在135℃和150℃的黏度值均呈上升趨勢。與135℃下的VB黏度值相比，30-V，50-V和80-V的黏度分別增加了15.8%，35.7%和74.5%。在老化過程中，輕組分的氧化和蒸發導致瀝青變硬，從而導致黏度急劇上升。結果也清楚地表明，添加這3種再生劑可以降低黏度。對于含30%RAP的共混樣品，軟瀝青和BR的黏度值幾乎與VB相同，而DAT的添加導致黏度小于VB。50-V-BR在135℃時的黏度為449MPa·ｓ，而50-S中為540MPa·ｓ，表明當RAP含量增加到50%時，BR再生的樣品具有更好的施工和易性。此外，在RAP含量為80%時，BR在降低黏度方面效果最好?？赡艿脑蚴荁R的流動性和其含有大量輕質組分。黏度結果與之前分析的試驗結果一致，3種再生劑在RAP含量為30%時效果良好，而DAT和BR在RAP含量為50%時表現出更好的再生效果。

車轍性能

圖4和圖5分別顯示了未老化和RTFO老化瀝青試樣的車轍因子與溫度的關系，而表4給出了失效溫度測試結果。正如所預期，G＊/sinδ值隨溫度的升高而降低，這歸因于隨著溫度升高，瀝青變軟，黏度降低。還可以發現，隨著RAP含量的增加，樣品的耐車轍性逐漸提高。這是由于老化瀝青的存在導致混合瀝青樣品的硬化。在未老化狀態下，可以從圖4(a)得知，BR的添加導致G＊/sinδ值降低，表示高溫性能降低。值得注意的是，當在相同溫度下使用30%和50%的RAP時，含DAT的混合物的Ｇ＊/sinδ值最低，見圖4(b)，失效溫度最低(參見表4)。這表明DAT對瀝青在高溫下的勁度影響較大。但是，隨著RAP含量增加到80%，80-V-BR的Ｇ＊/sinδ值最低，見圖4(b)，并且80-V-BR的破壞溫度為70.3℃，80-S和80-VD相比更低(見表4)，表明BR的軟化效果在高RAP含量下仍能發揮有效作用。

短期老化后，見圖5(a)，與VB相比，30-V-BR和50-V-BR的G＊/sinδ值略有增加，但是3種瀝青樣品之間的增加幅度變小。還應注意的是，RTFO后DAT的軟化作用降低。見圖5(b)，50-V-D的G＊/sinδ值略高于VB，而80-V-D的G＊/sinδ值與80-S幾乎相似。這些結果與未老化條件下的比較結果不同。這意味著高含量的RAP和短期老化過程可能會導致DAT的軟化效果急劇下降。

疲勞性能

已有研究表明，疲勞因子是在線性黏彈性范圍內測量的，并不能作為測量瀝青膠結材料抗疲勞性的完全可靠的參數，原因是它無法用于評估實際的抗損傷性[21，22]?？紤]到包括振幅、加載周期、加載條件和材料類型在內的一些因素會影響瀝青路面的疲勞性能，并且在評估疲勞響應時也值得考慮其損傷特征，因此進行了LAS試驗可以準確地評估混合物的疲勞行為。討論了損傷特征曲線和疲勞壽命隨應變的變化。

根據VECD理論[17]，繪制了具有不同樣品的完整性參數(C)與損傷強度(D)曲線(即C~D曲線)，并在圖6(a)和圖6(b)中顯示。由圖6(a)，RAP和BR的加入會影響瀝青結合料的疲勞損傷演變。與VB相比，在相同損壞水平下，30-V，50-V和80-V的C值呈下降趨勢。同早期的研究[23]一樣，材料完整性的降低率隨著較高的RAP百分比而增加。此外，BR對C和D之間關系的影響也很明顯?？梢钥闯?，BR的添加有助于提高材料的抗損傷性。另外，50-V-BR的C~D曲線與30-V-BR的C~D曲線相當，但是與VB相比，BR再生的黏合劑的C~D曲線仍顯示出C的降低，這表明BR的應用仍無法恢復瀝青在疲勞損傷方面與原始狀態相同的性能。此外，圖6(b)表明，在RAP含量為30%和50%時，添加DAT可以最大程度地提高抗損傷性，其次是軟瀝青，然后是BR。當RAP的含量增加到80%時，80-V-BR顯示出與80-V-D相似的C~D曲線，并且兩者均顯示出比80-S更好的抗損傷性。

與原始瀝青相比，含有30%，50%和80%RAP的瀝青的疲勞壽命與施加應變曲線的關系見圖7。曲線以對數形式表示可使曲線顯示直線，每條線的斜率等于-B(B＝2α)。B參數的增加意味著在較高的應變速率下較高的損傷率。與相同的RAP含量的原始瀝青和其他3種再生的瀝青相比，沒有任何再生劑的共混樣品的疲勞曲線都顯示出更陡峭的趨勢，這意味著更大的B值。這表明，加入老化的瀝青可以提高對應變率變化和疲勞壽命損失的敏感性，而3種再生劑能夠逆轉這種影響。同樣，可以觀察到，與在2.5%以下的應變水平下的原始瀝青相比，RAP與原樣瀝青結合表現出改善的疲勞壽命。正如該文獻所提到的[24]，由于具有較硬性質的材料(如老化的瀝青)顯示出較低的疲勞壽命，因此該結果不如預期。但是，當應變水平超過5%時，50-V產生的疲勞性能幾乎與VB相同，而80-V顯示出疲勞壽命的顯著下降，無法與VB相比。因此，就疲勞性能而言，在工程實踐中確定RAP的摻量需要謹慎。

在5%應變水平下的疲勞壽命進行評估，與現場性能更具相關性[10]，因此本研究中考慮了該應變水平。對加有3種不同再生劑的再生瀝青，在RAP含量為30%時，與其他兩種再生劑相比，使用軟瀝青對延長疲勞壽命的影響突出。隨著RAP百分比的增加，3種再生瀝青之間的Nf值差距逐漸縮小。當使用80%的RAP時，80-S和80-V-D具有相似的疲勞壽命，見圖8，盡管BR再生的瀝青在5%應變水平下顯示出最差的疲勞壽命，但應注意的是，與VB相比，BR再生的瀝青在不同應變水平下(1%，2.5%，5%和10%)，其中50-V-BR表現出比較好的疲勞性能。這意味著通過增加再生的RAP含量，瀝青的疲勞壽命并不總是持續增長的趨勢?？傮w而言，從疲勞性能的角度來看，軟瀝青的引入更適合30%的RAP含量，當RAP含量限制為50%時，使用軟瀝青和DAT均被視為最佳選擇。隨著RAP含量增加到80%，3種再生劑對疲勞性能的影響差異很小。

低溫性能

瀝青的低溫性能可以通過兩個參數來表征，包括通過BBR測試的彎曲蠕變勁度和ｍ值。具有較低彎曲蠕變勁度和較高ｍ值的瀝青顯示出更好的抗裂性。根據Superpave規范(AASHTOT313)，要滿足低溫瀝青登記，勁度不應該超過300MPa，m值應不小于0.3。

圖9給出了在-6℃，-12℃和-18℃下，RAP和3種再生劑對的蠕變勁度和ｍ值的影響。如圖所示，所有瀝青的蠕變勁度都隨溫度的降低而增加，m值降低，這證明了瀝青的黏彈性為溫度依賴性。對于同種混合瀝青樣品，RAP的量對低溫性能都有重要影響。隨著RAP含量的增加，蠕變勁度呈上升趨勢，m值減小，這不利于抗裂性。正如所預期的，3種再生劑的使用在一定程度上扭轉了蠕變勁度和ｍ值的變化趨勢?？梢钥闯?，在-6℃的測試溫度下，所有樣品均滿足Superpave規定的要求。當溫度為-12℃時，大多數其他樣品均未達到m值的要求，這可能歸因于RAP硬化對施加載荷時瀝青硬度變化率的強烈影響。但是，30-S，30-V-D和30-V-BR的ｍ值分別為0.31、0.31和0.30。這一結果表明這3種樣品通過規范要求，并顯示出比VB更好的低溫性能。在-18℃時，所有樣品均無法通過規定要求?？傮w而言，在RAP百分比為30%的情況下，與BR再生的再生瀝青相比，含有軟瀝青的再生樣品和添加DAT的樣品顯示出更好的低溫性能。隨著RAP含量提高到50%，3種再生的樣品之間沒有顯著差異。然而，當RAP含量限制為80%時，盡管BR不能將瀝青的蠕變勁度和ｍ值恢復到原始狀態，但其效果最佳。因此，可以得出結論，當使用較高的RAP含量時，引入BR可以減小蠕變勁度并提高ｍ值。

主曲線

本研究以25℃為基準溫度，建立了復數模量和相位角主曲線，描述了瀝青在較寬的頻率和溫度范圍內的流變性。圖10(a)示出了原樣瀝青，由原始瀝青和RAP混合的瀝青樣品，BR再生的瀝青樣品以及RAP的主曲線。正如預期的那樣，隨著RAP百分比的增加，瀝青的復數模量持續增加，而PAV老化瀝青顯示出最高的復數模量。BR的引入可以減緩這一硬化作用，并且隨著RAP含量的增加，復數模量的增長范圍變得較小，這可以從80-V-BR的主曲線與50-V-BR接近。另外，從這些瀝青樣品的主曲線來看，不同樣品復數模量的間隙在低頻和中頻時仍然顯著，但是在低溫和極高的頻率下不再那么明顯。主曲線傾向于以很高的頻率收斂到漸近線，這與文獻中先前的發現是一致的[25]。另外，瀝青膠結料的相位角隨RAP比例的增加而減小，而含BR的樣品的相位角比不含再生劑的樣品的相位角高，這與復模量的結果分析相符。

圖10(b)，圖10(c)和圖10(d)分別顯示了與原始黏合劑相比，含有30%，50%和80%RAP的瀝青樣品的主曲線。對于含有相同比例的RAP樣品，與原瀝青和RAP組合的樣品相比，軟瀝青、DAT和BR對黏合劑的軟化效果表現為模量主曲線向下移動，而相位角主曲線在移動方向則相反。從圖10(b)可以看出，在RAP含量為30%時，DAT的軟化作用極強，而軟瀝青比BR具有更好的軟化作用。圖10(c)顯示了當RAP含量增加到50%時，BR再生的樣品和含軟瀝青的樣品之間沒有明顯的區別。當百分比增加到80%時，如圖10(d)所示，BR對軟化RAP的影響比軟瀝青和DAT更大，這符合先前討論的結論，即50-V-BR和80-V-BR的主曲線相似。這表明BR在使用較高比例的RAP中仍能有效地抵消老化瀝青的硬化作用。

結語

本文研究了生物再生劑對含有不同比例RAP的瀝青的再生作用，并將其與軟瀝青和Evotherm-DAT這兩種再生劑進行了比較。根據測試結果，總結如下。

(1)3種再生劑均能夠在一定程度上抵消由于加入RAP而產生的不利影響。

(2)在含有30%RAP的條件下，與生物再生劑相比，添加軟瀝青的樣品在RTFO后具有較低的復數模量和較高的相角，并且對改善低溫性能具有更好的影響。此外，它具有恢復疲勞性能的最大潛力。

(3)RAP含量不超過50%時，Evotherm-DAT表現出最佳的軟化效果，并表現最佳的施工和易性。但是較高的RAP和老化過程可能會對Evotherm-DAT的再生效果產生不利影響。

(4)當RAP含量為80%時，盡管使用生物再生劑不能使其恢復到原始性能，但添加生物再生劑是提高低溫性能和軟化效果的最有效方法，并且可以使瀝青具有同原樣瀝青類似的耐疲勞性能。