CN105948569B - 一种高模量改性再生沥青混合料及制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高模量改性再生沥青混合料及制备方法与应用，该再生沥青混合料包括40～60wt％的沥青路面回收材料及40～60wt％的新拌沥青混合料，新拌沥青混合料包括复合型改性沥青及新矿料，复合型改性沥青由55～65wt％的道路沥青及35～45wt％的岩沥青组成，再生混合料中总沥青含量为5～6wt％；其制备方法为将新矿料和沥青路面回收材料搅拌后，加入复合型改性沥青在规定温度下搅拌并成型。优点为制备的再生沥青混合料充分发挥了沥青路面回收材料老化后的硬化特征，提高了再生沥青混合料高温性能和动态模量；同时，其制备方法低碳环保，且利用其所设计的再生路面结构组合具有优越的抗车辙性能。

Description

一种高模量改性再生沥青混合料及制备方法与应用

技术领域

本发明属于沥青混合料领域，尤其涉及一种高模量改性再生沥青混合料及制备方法与应用。

背景技术

我国高速公路建设在近20年的发展过程中取得了前所未有的进步，其中90％以上的高速公路采用沥青混凝土路面形式。巨大的高速公路保有量导致我国每年约有12％的沥青路面需要进行养护维修，因翻修而产生的废旧沥青混合料高达220万吨，同时该数字正以每年15％的速度增长。这些废旧的沥青混合料仍然具有利用价值，如果将其丢弃，不仅需要占用大量的土地资源，同时还会对环境造成难以估量的危害。沥青混合料的再生技术自诞生以来已经取得了长足的发展，如果将废旧沥青混合料加以合理再生利用，在维修改建过程中将会节省材料费用40％～45％，从而使得工程的总体造价降低20％～25％。

当前，沥青混合料再生技术存在三大难题需要克服：

一是再生混合料的设计没有能够充分发挥出废旧沥青混合料潜在的性能优势。旧料由于受到长期的太阳辐射作用引起了热氧老化反应，沥青中的油分减少，导致针入度降低、软化点升高、延度减小、粘度增大。以上特征对于降低高速公路路表车辙病害是具有积极意义的，而以往在旧料再生实践当中，并未注意到要将此特征加以合理利用，有针对性地设计出具有抗车辙性能专项优点的再生混合料。

二是再生混合料的设计当中未能合理地运用沥青改性手段。目前，业界对路面再生技术的认识相对传统，为保证混合料的路用性能而尽可能降低了旧料在再生料中的掺配比例。绝大多数工程应用当中旧料的掺配比例不足25％，这依然无法有效消化废旧料的囤积量。实际上，通过施加合理的沥青改性手段，能够有效增加旧料的掺配比例，并保证再生混合料的路用性能。

三是在再生路面设计中常常把材料设计与结构设计分开考虑，不注意将二者有机结合。沥青路面在交通荷载和气象环境的共同作用下，不同深度位置产生的力学响应并不同，因此不同路面层位面对的功能要求也存在差异性。如果再生混合料的使用层位与其路用性能特点相匹配，则事半功倍；如果再生材料的使用层位与其路用性能特点不匹配，则事倍功半。因此，根据再生沥青混合料的路用性能特点设计特殊的再生路面结构是非常有必要的。

我国幅员辽阔，是基础设施建设大国。在世界范围内，在由中国所倡导的新丝绸之路发展战略及亚洲基础设施投资银行的推动下，更大规模的交通基础设施建设正紧锣密鼓的酝酿当中，绿色、低碳、环保将是未来公路建设的关注重点之一。因此，优良的沥青路面再生技术有着广泛的应用前景。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种具有极强的高温稳定性能及抗车辙性能的高模量改性再生沥青混合料；本发明的第二目的是提供该改性再生沥青混合料的制备方法；本发明的第三目的是提供该改性再生沥青混合料的应用。

技术方案：本发明的高模量改性再生沥青混合料，其包括40～60wt％的沥青路面回收材料及40～60wt％的新拌沥青混合料，其中，沥青路面回收材料包含旧石油沥青和旧矿料，新拌沥青混合料包括复合型改性沥青及新矿料，所述复合型改性沥青由55～65wt％的道路沥青及35～45wt％的岩沥青组成；所述再生混合料中总沥青含量为5～6wt％。

本发明通过添加岩沥青，不仅改善了再生混合料的路用性能，而且能够提高混合料的动态模量，优选的，复合型改性沥青可由55～60wt％的道路沥青及40～45wt％的岩沥青组成，其中，道路沥青可包括50号沥青、70号沥青或90号沥青。

进一步说，本发明的新矿料与旧矿料的合成级配按质量份数包括以下组分：

本发明通过将岩沥青与普通道路沥青配制成性能卓越的复合型改性沥青，充分发挥了沥青路面回收材料经过热氧老化后硬度升高、黏度增大的特点，在提高再生沥青混合料高温性能和动态模量的同时，复合型改性沥青的加入保证其低温性能及水稳定性能满足规范基本要求，进一步说，复合型改性沥青的制备方法包括如下步骤：按质量分数称取普通道路沥青及岩沥青，先将道路沥青加热至130～140℃，再加入岩沥青保温充分搅匀5min～10min，再将其放入烘箱中培育1h，并取出后在150℃～170℃温度下高速剪切15min，即制得复合型改性沥青，其中，该复合型改性沥青的软化点达到60℃以上。本发明制备权利要求1所述的高模量改性再生沥青混合料的方法包括如下步骤：

(1)采用离心抽提法测定沥青路面回收材料的级配以及旧沥青的含量，再根据再生混合料中新矿料与旧矿料的合成级配质量份数范围，确定新矿料中各档集料的加入量，再根据再生混合料总沥青含量范围，确定新矿料中的沥青加入量；

(2)根据所拟定再生混合料中沥青路面回收材料的掺入量，按质量分数称取复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料，首先将复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料分别同时加热至155℃～165℃、185℃～195℃及110℃～130℃后，将新矿料和沥青路面回收材料混匀搅拌，再加入复合型改性沥青搅拌，压实成型，即制得高模量改性再生沥青混合料试件。进一步说，压实的温度为155℃～165℃。

本发明将新矿料、回收材料、改性沥青的同步进行加热，是为后续的混合搅拌做准备，搅拌时先将新矿料和回收材料进行搅拌、然后将新制备的改性沥青加入，这是由于沥青路面回收材料是一种老化的沥青混合料，在旧的石料表面覆盖着经过长时间老化的旧沥青，将路面回收材料与新矿料先搅拌，能够使得路面回收材料中的老化沥青从旧矿料向新矿料部分进行转移，使得新、旧矿料表面都覆盖有老化沥青，然后再将新拌改性沥青加入，能够使沥青混合料的性质更佳均匀，否则在混合料中新、旧料的性质将不平衡。

本发明的高模量改性再生沥青混合料应用于再生路面，进一步说，该再生路面自上而下包括4～6cm抗磨耗上面层、6～15cm高模量改性再生沥青混合料中面层、4～8cm富油沥青下面层、15～20cm级配碎石防反射裂缝层以及20～40cm半刚性基层。

本发明的再生沥青路面结构中半刚性基层提供主要的承载力，铺设级配碎石层可有效缓解半刚性基层反射裂缝向上扩展；下面层作为路面结构中拉应力最大的位置，铺设富油沥青层能够有效提高路面的抗疲劳性能，延长路面的耐久性，弥补高模量改性再生沥青中面层疲劳性能不足的缺陷；中间层内高模量改性再生沥青混合料的使用，有效消除了沥青里面车辙病害。

有益效果：与现有技术相比，其显著优点为：一方面，本发明通过将岩沥青与普通70号道路沥青配制为高温性能卓越的复合型改性沥青，并在再生沥青混合料中加入高掺量(40％～60％)的沥青路面回收材料，不仅使得再生沥青混合料具备优于普通沥青混合料甚至改性沥青混合料的高温稳定性能(其在温度60℃，动稳定度DS≥4000次/mm)，同时还能够大量地应用和消化废旧沥青混合料，降低生产成本，减少资源开采和浪费，有利于生态环境的保护；另一方面，鉴于普通再生沥青混合料低温性能及水稳定性较差，本发明通过适当调整岩沥青的添加量、设计再生混合料合理的配制工艺以及严格的矿料级配范围，大幅度地改善了再生混合料的低温抗开裂(其在温度-10℃、加载速率50mm/min条件下，最大弯拉应变ε≥1800με)及抗水损害能力(劈裂强度比TSR≥80％)；同时，本发明通过添加适量的天然岩沥青，不仅改善了再生混合料的路用性能，还大幅度提高了混合料的动态模量(其在温度15℃、加载频率10Hz条件下的动态模量E≥18000MPa)，使其达到了普通沥青混合料动态模量的2～3倍；此外，本发明的制备方法简单，成本低，低碳环保。

本发明利用高模量改性再生沥青混合料设计的再生路面不仅具有优越的抗车辙性能、极强的承载力及优异的抗疲劳性能，降低了沥青路面在车辆荷载作用下的弹性变形和车辙，有效延长了再生混合料的耐久性，且回收利用了大量了沥青路面回收材料，低碳环保。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

本发明的高模量改性再生沥青混合料的制备方法包括如下步骤：

(1)制备复合型改性沥青：将普通道路沥青SK-70和布墩岩沥青BLA，先将70号道路沥青加热至135℃，再加入岩沥青保温搅拌10min，使得岩沥青在复合型改性沥青中均匀分布，再将复合型改性沥青放入160℃的烘箱中培育1h，取出后在170℃温度下高速剪切15min，进行软化点测试，达到60℃时代表复合型改性沥青复合要求，如不满足，继续添加岩沥青，使其达到要求，即可。制得的复合改性沥青性中普通道路沥青SK-70占60wt％，布墩岩沥青BLA占40％，其性能指标如表1所示。

表1沥青性能指标

(2)采用干筛法测定沥青路面回收材料的级配，将旧料放入60℃烘箱中烘干，向旧料中加入三氯乙烯并采取离心分离法抽提沥青溶液，采用阿布森法对沥青溶液中的沥青进行回收，并对老化沥青的各项性能以及旧料中矿料的级配进行分析，如表2、表3所示，根据再生混合料中新矿料与旧矿料的合成级配质量份数范围，确定新矿料中各档集料的加入量。

表2回收沥青老化前后性能指标

性能指标	老化前	老化后
			25℃针入度(0.1mm)	64.6	35.4
软化点(℃)	49.0	61.4
			10℃延度(cm)	65.2	10.2

表3旧料筛分级配

筛孔尺寸	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											通过百分率	100	96	88	65	44	33	23	17	12	7

(3)将复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料分别加热至155℃、185℃及110℃后，将新矿料和沥青路面回收材料混匀搅拌90s，再加入复合型改性沥青，在165℃条件下搅拌后，在155℃条件下压实，即制得高模量改性再生沥青混合料，其中，沥青路面回收材料占再生混合料40wt％，再生混合料中总沥青含量为5wt％，最终的新、旧矿料的合成级配如表4所示。

表4新、旧矿料的合成级配

实施例2

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于沥青路面回收材料占再生混合料50wt％。

实施例3

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于沥青路面回收材料占再生混合料60wt％。

将实施例1至3制得的高模量改性再生沥青混合料进行性能检测，获得的结果如表5至表9所示。

表5动态模量

性能	无	实施例1	实施例2	实施例3
					动态模量(MPa)	21024	22181	22783	24605

表6动稳定度

性能	无	实施例1	实施例2	实施例3
					动稳定度(次/mm)	4627	4809	5337	6980

表7低温性能

性能	弯拉强度(MPa)	最大弯拉应变(με)	弯曲劲度模量(MPa)
				无	8.51	2587	3289
实施例1	9.5	1926	4932
				实施例2	11.6	1905	6120
实施例3	12.1	1892	6367

表8水稳定性能

性能	冻融前强度(kN)	冻融后强度(kN)	冻融劈裂强度比(％)
				无	15.83	14.13	89.3
实施例1	15.23	13.33	87.5
				实施例2	17.75	14.30	80.6
实施例3	21.08	17.58	83.4

表9疲劳性能

由表5至表9可知，采用40％BLA岩沥青含量的复合改性沥青，使得沥青混合料在无旧料掺加的情况下动态模量已经达到了20000MPa，随着旧料掺配比例的提高，再生混合料的动态模量进一步提高，法国沥青混合料设计指南对高模量沥青混合料的定义为动态模量大于14000MPa，各实施例中动态模量都远超过该标准，同时也超过了本发明所提出的18000MPa高标准；各实施例中的动稳定度指标都大于4000次/mm，我国对重载沥青路面的沥青混合料动稳定度最严苛的要求是大于3000次/mm，而本发明的高模量改性再生沥青混合料完全超出该项指标的要求；各实施例中由于加入了不同比例的回收沥青混合料，低温极限拉应变随着旧料掺量而不断减小，基本符合本发明提出的1800με，说明在考虑旧料掺量时需要特别注意低温性能的保障；疲劳性能方面，各实施例中，随着旧料掺量的增加，疲劳性能逐渐下降，由于高模量改性再生沥青混合料适宜配合特定的再生路面结构使用，因此再生路面的疲劳性能基本不受到高模量改性再生混合料的制约。综上，各实施例中的混合料路用性能都能满足路用性能需要，再生混合料中旧料的最大掺量可以达到60％。

实施例4

本发明的高模量改性再生沥青混合料的制备方法包括如下步骤：

(1)制备复合型改性沥青：将90号沥青和布墩岩沥青BLA，先将90号道路沥青加热至130℃，再加入岩沥青保温搅拌5min，使得岩沥青在复合型改性沥青中均匀分布，再将复合型改性沥青放入160℃的烘箱中培育1h，取出后在150℃温度下高速剪切15min，进行软化点测试，达到60℃时代表复合型改性沥青复合要求，如不满足，继续添加岩沥青，使其达到要求，即可。制得的复合改性沥青性中50号沥青占55wt％，布墩岩沥青BLA占45wt％，其能指标如表10所示。

表10沥青性能指标

(2)旧料的筛分级配和合成级配与实施例1相同。

(3)将复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料分别加热至160℃、190℃及120℃后，将新矿料和沥青路面回收材料混匀搅拌10min，再加入复合型改性沥青，在160℃条件下搅拌后，在160℃条件下压实，即制得高模量改性再生沥青混合料，其中，沥青路面回收材料占再生混合料40％，再生混合料中总沥青含量为5.5wt％。通过室内试验验证，其动态模量达到23785MPa，动稳定度为5537次/mm，其余各项路用性能指标都满足规范要求。

将上述制得的高模量再生沥青混合料应用于再生路面中，该再生路面自下而上包括4cm抗磨耗上面层、15cm高模量改性再生沥青混合料中面层、8cm富油沥青下面层、20cm级配碎石防反射裂缝层以及20cm半刚性基层。

实施例5

本发明的高模量改性再生沥青混合料的制备方法包括如下步骤：

(1)制备复合型改性沥青：将50号沥青和布墩岩沥青BLA，先将50号道路沥青加热至140℃，再加入岩沥青保温搅拌10min，使得岩沥青在复合型改性沥青中均匀分布，再将复合型改性沥青放入160℃的烘箱中培育1h，取出后在170℃温度下高速剪切15min，进行软化点测试，达到60℃时代表复合型改性沥青复合要求，如不满足，继续添加岩沥青，使其达到要求，即可。制得的复合改性沥青性中50号沥青占65wt％，布墩岩沥青BLA占35wt％，其能指标如表11所示。

表11沥青性能指标

(2)旧料的筛分级配和合成级配与实施例1相同。

(3)将复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料，首先将复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料分别加热至165℃、195℃及130℃后，将新矿料和沥青路面回收材料混匀搅拌90s，再加入复合型改性沥青，在175℃条件下搅拌后，在165℃条件下压实，即制得高模量改性再生沥青混合料，其中，沥青路面回收材料占再生混合料40％，再生混合料中总沥青含量为6wt％。通过室内试验验证，其动态模量达到22765MPa，动稳定度为5234次/mm，其余各项路用性能指标都满足规范要求。

将上述制得的高模量再生沥青混合料应用于再生路面中，该再生路面自下而上包括6cm抗磨耗上面层、6cm高模量改性再生沥青混合料中面层、4cm富油沥青下面层、15cm级配碎石防反射裂缝层以及40cm半刚性基层。

实施例6

设计平行试验，岩沥青分别占复合型改性沥青30％、35％、40％、45％、50％，其余步骤与实施例1相同，制得的复合型改性沥青的性能及高模量改性再生沥青混合料的性能分别如表12和13所示。

表12不同含量的岩沥青制得的复合型改性沥青的性能对照表

表13不同含量的岩沥青制得的高模量改性再生混合料的性能对照表

由表13可知，添加35～45％的岩沥青制备的再生混合料的综合性能较优，当岩沥青的添加量低于35％时，制得的再生混合料的高温动稳定较差，而当岩沥青的添加量高于45％时，其低温性能和水稳定性能较差。

Claims (7)

1.一种高模量改性再生沥青混合料，其特征在于：该再生沥青混合料包括40～60wt％的沥青路面回收材料及40～60wt％的新拌沥青混合料，其中，沥青路面回收材料包含旧石油沥青和旧矿料，新拌沥青混合料包括复合型改性沥青及新矿料，所述复合型改性沥青由55～65wt％的普通道路沥青及35～45wt％的岩沥青组成；所述再生混合料中总沥青含量为5～6wt％；其制备方法包括如下步骤：

(1)采用离心抽提法，测定沥青路面回收材料的旧矿料级配和旧沥青含量，并根据再生混合料中新矿料与旧矿料的合成级配质量份数范围，确定新矿料中各档集料的加入量，再根据再生混合料总沥青含量范围，确定新矿料中的沥青加入量；

(2)根据所拟定再生混合料中沥青路面回收材料的掺入量，按质量分数称取复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料，首先将复合型改性沥青、新矿料及沥青路面回收材料分别同时加热至155℃～165℃、185℃～195℃及110℃～130℃后，将新矿料和沥青路面回收材料混匀搅拌，再加入复合型改性沥青搅拌，压实成型，即制得高模量改性再生沥青混合料试件。

2.根据权利要求1所述的高模量改性再生沥青混合料，其特征在于：所述普通道路沥青包括50号沥青、70号沥青或90号沥青。

3.根据权利要求1所述的高模量改性再生沥青混合料，其特征在于：所述复合型改性沥青由55～60wt％的道路沥青及40～45wt％的岩沥青组成。

4.根据权利要求1所述的高模量改性再生沥青混合料，其特征在于：所述新矿料与旧矿料的合成级配按质量份数包括以下组分：

5.根据权利要求1所述的高模量改性再生沥青混合料，其特征在于：所述复合型改性沥青的制备方法包括如下步骤：按质量分数称取普通道路沥青及岩沥青，先将普通道路沥青加热至130～140℃，再加入岩沥青保温搅匀5～10min，再将其放入烘箱中培育1h，并取出后在150℃～170℃温度下高速剪切15min，即制得复合型改性沥青，其中，该复合型改性沥青的软化点达到60℃以上。

6.根据权利要求1所述的高模量改性再生沥青混合料，其特征在于：步骤(2)中，所述压实的温度为155℃～165℃。

7.根据权利要求1所述的高模量改性再生沥青混合料应用于再生路面，其特征在于：该再生路面自上而下包括4～6cm抗磨耗上面层、6～15cm高模量改性再生沥青混合料中面层、4～8cm富油沥青下面层、15～20cm级配碎石防反射裂缝层以及20～40cm半刚性基层。