王飔奇,黃曉明,胡 林(東南大學(xué) 交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)
廠拌熱再生路面回收料加熱溫度區(qū)間分析
王飔奇,黃曉明,胡林
(東南大學(xué) 交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)
廠拌熱再生瀝青混合料的拌和溫度對(duì)再生混合料(RAP)的性能有著很大的影響。若溫度過(guò)低,容易導(dǎo)致新舊材料無(wú)法完全融合,致使再生混合料路用性能下降;若溫度過(guò)高,則容易發(fā)生瀝青的再次老化,同時(shí)消耗更多的能源。文章通過(guò)室內(nèi)車轍板試驗(yàn)和RAP分散性試驗(yàn)初步確定RAP加熱溫度區(qū)間(100~140 ℃),并通過(guò)分析AC-20S再生混合料的整體路用性能(低溫性能與疲勞性能)與廠拌熱再生混合料加熱溫度的關(guān)系,提出RAP的合理加熱區(qū)間為120~130 ℃。
廠拌熱再生;RAP;加熱溫度;分散性;路用性能
廠拌熱再生設(shè)備需要對(duì)路面回收料(RAP)進(jìn)行加熱,加熱過(guò)程中需要控制RAP的加熱溫度。然而生產(chǎn)實(shí)際中,RAP加熱溫度區(qū)間的確定具有較大的隨意性,對(duì)此國(guó)內(nèi)的一部分學(xué)者建議將溫度設(shè)定在80~100℃。長(zhǎng)安大學(xué)的任拴哲[1]在其博士學(xué)位論文中提出這個(gè)溫度設(shè)定偏低,并通過(guò)車轍試驗(yàn)提出加熱區(qū)間應(yīng)設(shè)為90~130 ℃。長(zhǎng)安大學(xué)的時(shí)磊[2]根據(jù)RAP抽提瀝青老化程度,認(rèn)為加熱溫度應(yīng)設(shè)為130 ℃。俞志龍[3]認(rèn)為根據(jù)RAP確定的預(yù)熱溫度在100~140 ℃為宜。事實(shí)上,影響RAP的加熱溫度因素有RAP的分散程度、新舊瀝青混合料的融合、最佳油石比和再生混合料的路用指標(biāo)(高溫、低溫、疲勞性能等)等多種因素,這些因素之間互相關(guān)聯(lián)??刂芌AP摻量不變。對(duì)RAP在不同加熱溫度下上述指標(biāo)的變化進(jìn)行研究,可得出RAP合理的加熱溫度區(qū)間。該文以車轍試驗(yàn)、RAP的分散性指標(biāo)初步給出溫度區(qū)間范圍;利用RAP摻量為25%的再生混合料,對(duì)其低溫性能、疲勞性能等路用性能指標(biāo)校核溫度區(qū)間范圍的合理性,確定合理的加熱區(qū)間。
1.1 RAP分散性和機(jī)理分析
任栓哲[1]對(duì)舊料在 90 ℃和 130 ℃加熱溫度下進(jìn)行了再生試驗(yàn)。結(jié)果表明,其他條件不變時(shí),將舊料的預(yù)加熱溫度從90 ℃提高到130 ℃時(shí),變形量下降,動(dòng)穩(wěn)定度增加,即抗疲勞性能增加。這是因?yàn)?,在溫度較低(90 ℃)時(shí),RAP中的一部分瀝青并沒(méi)有參與新的混合料的融合而是僅僅裹敷在集料的表面,新的瀝青和舊料中的舊瀝青沒(méi)有完全融為一體,甚至一部分沒(méi)有融化的舊瀝青會(huì)阻礙新瀝青與RAP中集料的接觸。這時(shí)RAP分散程度較低,導(dǎo)致了再生混合料抗荷載碾壓能力的下降和較低的動(dòng)穩(wěn)定度。
從微觀機(jī)理上看,RAP主要是由集料和裹在外面的舊瀝青組成的,由于瀝青的黏性,不同RAP顆粒彼此結(jié)成團(tuán)塊,形成“顆粒團(tuán)”,在路面材料經(jīng)歷過(guò)銑刨、破碎、堆積等過(guò)程后這些團(tuán)塊依然存在,甚至?xí)ぷ「嗟牧A稀D1為南京某機(jī)場(chǎng)路面行車道上、中面層銑刨回收料抽提前后的級(jí)配分布情況。
圖1 行車道上中面層抽提前后級(jí)配分布圖
分別對(duì)比行車道上面層和中面層的情況,可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)率在16~0.15 mm區(qū)間差別最大,RAP經(jīng)過(guò)抽提后,>16 mm的那部分顆?;鞠?,而<0.15 mm的細(xì)粒比例明顯增加。分析可知在RAP中>16 mm的顆粒一般都是不同粒徑的顆粒所組成的顆粒團(tuán),由于瀝青的粘結(jié)作用使它們粘在一起;RAP中<0.15 mm的顆?;旧隙际钦掣皆谄渌罅筋w粒上共同組成顆粒團(tuán)的,只有抽提以后它們才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。
在RAP中顆粒極易結(jié)成團(tuán)塊,在廠拌熱再生工藝生產(chǎn)中,將RAP中的顆粒分散開需達(dá)到一定的溫度。若達(dá)不到這個(gè)溫度的下限,RAP將達(dá)不到分散度要求,顆粒始終以團(tuán)塊形式存在,新的集料、瀝青無(wú)法與RAP形成真正意義上的拌合,影響再生混合料的路用性能。
1.2 RAP的分散性指標(biāo)
針對(duì)南京某機(jī)場(chǎng)銑刨料進(jìn)行RAP不同溫度的分散性試驗(yàn),通過(guò)建立分散性指標(biāo),考察不同加熱溫度下RAP的分散程度。
對(duì)于分散性,其基本假設(shè)是[4]:隨著加熱溫度的升高,顆粒團(tuán)塊打開的程度越來(lái)越高,某些小粒徑的通過(guò)率增大。當(dāng)溫度超過(guò)一定數(shù)值的時(shí)候,RAP的分散程度達(dá)到充分,這時(shí)再提高溫度,其分散性變化不大了,亦即加熱溫度T1>T2時(shí),篩孔通過(guò)率Pr,T1≥Pr,T2。
對(duì)于量化評(píng)判RAP的分散程度,考慮到一般情況下抽提后的礦料通過(guò)率Psh比新拌混合料的要高,采用如下公式計(jì)算“結(jié)團(tuán)度”指標(biāo)ds:式中:Pr為溫度T時(shí),RAP各個(gè)篩孔通過(guò)率;Px為抽提礦料與新瀝青拌和的混合料在160 ℃(拌和溫度)分散溫度下各個(gè)篩孔通過(guò)率。
在某個(gè)溫度T下結(jié)團(tuán)度越小,說(shuō)明在此溫度下RAP的分散性越好。由式(1)知,“結(jié)團(tuán)度”的定義考慮了3種情況:溫度為T時(shí)RAP的級(jí)配,抽提后RAP的級(jí)配,模擬拌和RAP與新瀝青時(shí)在拌和溫度下的級(jí)配。
考慮到雖然RAP在抽提后的礦料級(jí)配與預(yù)加熱溫度無(wú)相關(guān)性,但在不同溫度下級(jí)配不相同,故針對(duì)RAP特點(diǎn)的定義細(xì)度模數(shù)μf。由于RAP在加熱分散的過(guò)程中,粗料(本文規(guī)定粒徑>2.36 mm的顆粒)會(huì)部分轉(zhuǎn)化成<2.36 mm的細(xì)顆粒。但同時(shí),這個(gè)過(guò)程會(huì)讓原來(lái)<2.36 mm的細(xì)粒中的粗粒比重增加,所以本文采用公式(2)和公式(3)分別表征細(xì)料和粗料的細(xì)化程度:
由定義可知,細(xì)度模數(shù)越小,礦料的分散性能越好。
1.3 RAP分散性試驗(yàn)
采用南京某機(jī)場(chǎng)快速路行車道中面層的回收料進(jìn)行分散性試驗(yàn),步驟如下:
(1)將路面回收材料RAP直接篩分,得到RAP的級(jí)配;通過(guò)抽提回收的方法,測(cè)定RAP的瀝青含量以及抽提礦料的級(jí)配。
(2)按規(guī)范要求取樣,稱取適量RAP(3 kg)。將RAP試樣置于通風(fēng)烘箱2 h,達(dá)到顆粒內(nèi)外溫度均衡,烘箱溫度調(diào)節(jié)為所需驗(yàn)證RAP的加熱分散溫度(100 ℃,120 ℃,140 ℃)。
(3)將保溫的RAP材料倒入攪拌鍋中拌和,并向其中加入同比例的食鹽(食鹽:RAP=1∶1),充分拌和1 min;將混合料倒出后反向倒回?cái)嚢桢佋俅伟韬? min,確保食鹽將RAP顆粒團(tuán)充分分散。
(4)將混合料倒出,按照規(guī)范要求進(jìn)行水洗篩分,去除食鹽部分;將水洗后的RAP風(fēng)干,并篩分得到分散后的級(jí)配。
(5)將(1)中抽提得到的礦料按照得到的油石比添加新瀝青,拌和新瀝青混合料(3 kg),拌鍋溫度為165 ℃;添加同等比例的食鹽,進(jìn)行本試驗(yàn)中的(3)、(4)步驟,得到的級(jí)配認(rèn)為是混合料理想均勻分散的狀態(tài),定義此級(jí)配為本試驗(yàn)的“標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配”。
試驗(yàn)結(jié)果見圖2。
圖2 各加熱溫度下RAP分散后的級(jí)配圖
由圖2知,2.36 mm以上各篩孔通過(guò)率由大到小的關(guān)系為:抽提礦料>“標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配”混合料>140 ℃>120 ℃>100 ℃>常溫RAP,亦即在>2.36 mm粒徑中,抽提后的礦料最細(xì),未抽提的常溫RAP最粗。隨著加熱溫度的升高,在>2.36 mm部分經(jīng)過(guò)加熱的RAP級(jí)配曲線均在未抽提RAP曲線之上,說(shuō)明加熱后RAP的分散性明顯得到改善。同時(shí)抽提后的RAP細(xì)料比例大幅增加,出現(xiàn)明顯的細(xì)化現(xiàn)象。
基于前面給出的評(píng)價(jià)分散性的量化指標(biāo),分別計(jì)算RAP在不同溫度加熱后的“結(jié)團(tuán)度”、粗料細(xì)化度和細(xì)料細(xì)化度,結(jié)果見表1。
表1 RAP分散性試驗(yàn)分散程度評(píng)價(jià)指標(biāo)值
從結(jié)團(tuán)度來(lái)看,隨著溫度的升高,RAP結(jié)團(tuán)度大幅下降,120 ℃時(shí),結(jié)團(tuán)度系數(shù)為9.1%,140℃時(shí)達(dá)到4.3%;從細(xì)化度來(lái)看,粗料在加熱溫度升高的過(guò)程中比例下降,但細(xì)料在加熱的過(guò)程中不減反增,這是因?yàn)镽AP加熱后部分粗料顆粒細(xì)化成細(xì)料(<4.75 mm),這些細(xì)化顆粒反而成為細(xì)料中比較粗的部分,使得細(xì)料的細(xì)化度模數(shù)增大。
綜上所述,考慮車轍試驗(yàn)時(shí),RAP加熱溫度越高(90~140 ℃),混合料動(dòng)穩(wěn)定度越高;在考慮RAP加熱分散性指標(biāo)時(shí),溫度升高將顯著改善RAP的分散程度,故加熱溫度區(qū)間定為100~140 ℃。
相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明,添加一定比例的RAP不會(huì)減弱再生混合料的高溫性能,其高溫技術(shù)指標(biāo)甚至增大,而對(duì)低溫性能、水穩(wěn)定性以及疲勞性能的影響較大。
2.1 RAP加熱溫度與再生混合料高溫性能的關(guān)系
本試驗(yàn)主要分析RAP的加熱溫度與高溫性能指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系,試驗(yàn)采用AC-20S再生混合料、RAP摻量為25%,礦粉摻加比例為4%。試驗(yàn)中溫度設(shè)置為90 ℃,110 ℃,120 ℃,130 ℃及140 ℃。動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖3。
圖3 RAP不同預(yù)熱溫度下的再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度
如圖3所示,隨著RAP預(yù)加熱溫度的提高,試件的動(dòng)穩(wěn)定度大幅提高,高溫性能不斷增強(qiáng),預(yù)熱溫度為90 ℃時(shí),再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也達(dá)到了2 000次/min以上,滿足規(guī)范中的要求。故提高RAP的加熱溫度的目的不在于提高再生混合料的高溫性能。
2.2 RAP加熱溫度與再生混合料體積參數(shù)的關(guān)系
體積參數(shù)設(shè)計(jì)中空隙率(VV)的控制非常重要。對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料,國(guó)內(nèi)外大量的研究表明,當(dāng)空隙率VV>5%時(shí),路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度出現(xiàn)下降;當(dāng)VV位于7%~8%時(shí),路面的滲水性急劇增加,易出現(xiàn)早期水損壞;當(dāng) VV位于8%~12%時(shí),盡管混合料中的空隙較多,但還未完全聯(lián)通,滲透的水分在空隙中難以排出,路面狀態(tài)處于水飽和。車輛荷載作用產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力,也容易導(dǎo)致水損壞的發(fā)生[5]。在廠拌熱再生技術(shù)中,RAP的摻加會(huì)導(dǎo)致再生混合料的空隙率較大,壓實(shí)較為困難。
試驗(yàn)采用AC-20S再生混合料,RAP摻配比例25%,預(yù)熱溫度90 ℃,110 ℃,120 ℃,130 ℃及140 ℃。試驗(yàn)注意嚴(yán)格控制瀝青用量(4.3%)、級(jí)配(AC-20S)等其他因素采用同一標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。
圖4 RAP預(yù)熱溫度與再生混合料空隙率關(guān)系圖
從圖4中可以看出,隨著RAP加熱溫度的升高,再生混合料的空隙率不斷下降,說(shuō)明溫度升高后RAP中的瀝青能較好地與新瀝青融合,混合料的結(jié)合更為充分,空隙率下降,在110~140 ℃空隙率下降最為明顯。
2.3 RAP加熱溫度與再生混合料低溫性能的關(guān)系
由圖4可知,在加熱到140 ℃時(shí),VV降到最低,但由于過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致瀝青的深度老化,降低其低溫抗裂性,因此對(duì)南京某機(jī)場(chǎng)道路回收料抽提回收的舊瀝青分別在90 ℃,110 ℃,130 ℃及140 ℃溫度下保溫2 h后進(jìn)行三大指標(biāo)測(cè)試,以此來(lái)觀察提高溫度后對(duì)瀝青的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 不同加熱溫度對(duì)舊瀝青的三大指標(biāo)的影響
從表2數(shù)據(jù)可以看出,加熱溫度升高,RAP中的舊瀝青的針入度和延度有不同程度的下降,在130~140 ℃的時(shí)候下降最為明顯。這說(shuō)明RAP的加熱溫度不能無(wú)限提高,溫度上升后瀝青老化明顯,直接導(dǎo)致再生混合料的低溫性能下降。
2.4 RAP加熱溫度與再生混合料疲勞性能的關(guān)系
在車輪荷載作用下,瀝青路面長(zhǎng)期承受應(yīng)力應(yīng)變重復(fù)循環(huán)變化,路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過(guò)一定次數(shù)后,荷載應(yīng)力超過(guò)材料極限強(qiáng)度,路面出現(xiàn)裂縫而發(fā)生疲勞破壞,疲勞破壞是瀝青路面重要的損壞形式之一[6]。對(duì)于廠拌熱再生工藝,RAP的添加對(duì)再生混合料疲勞壽命的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:(1)在某個(gè)加熱溫度下,RAP能否與新瀝青、新集料充分融合;(2)拌和后的再生混合料的空隙率是否滿足要求,因?yàn)榭障堵试酱螅旌狭现形⒘芽p越多,在反復(fù)荷載作用下這些微裂縫致使疲勞性能降低。
試驗(yàn)考察不同的RAP加熱溫度對(duì)于再生混合料的疲勞壽命的影響。試驗(yàn)采用AC-20S設(shè)計(jì)級(jí)配,RAP的摻配比例為25%。疲勞試驗(yàn)采用控制應(yīng)力的3點(diǎn)加載小梁試驗(yàn),結(jié)果見圖5。隨著RAP加熱溫度的升高,再生混合料的疲勞壽命隨之提高,在110~120 ℃的增幅最大;120~140 ℃區(qū)間,增幅不明顯。
圖5 RAP預(yù)熱溫度與再生混合料疲勞壽命關(guān)系圖
綜上所述,隨著RAP加熱溫度的升高,再生混合料的高溫性能、抗疲勞性能等均上升,空隙率下降,在90~120℃時(shí)尤為明顯。但溫度的升高會(huì)導(dǎo)致RAP中瀝青的老化,影響再生混合料的低溫性能,溫度在130~140 ℃時(shí)老化程度最高。結(jié)合車轍試驗(yàn)、分散性試驗(yàn)結(jié)果,建議的加熱溫度區(qū)間為120~130 ℃。
本文通過(guò)對(duì)RAP在不同溫度下的分散性以及再生混合料路用性能的研究,得出了如下結(jié)論:
(1)在其他條件不變的情況下,將舊料的加熱溫度從90 ℃提高到130 ℃時(shí),變形量下降,動(dòng)穩(wěn)定度增加,即抗疲勞性能增加。
(2)當(dāng)RAP的加熱溫度達(dá)到120 ℃時(shí),其結(jié)團(tuán)度系數(shù)為9.1%(小于10%),粗料的細(xì)度模數(shù)1.416(小于1.5),均已接近140 ℃的分散指標(biāo),分散程度已較為理想。
(3)RAP加熱溫度從90 ℃提高到140 ℃的過(guò)程中,材料間的拌和更加均勻,礦料間更加密實(shí),空隙率呈現(xiàn)降低趨勢(shì);隨著預(yù)熱溫度的提高,RAP的高溫性能不斷增強(qiáng),預(yù)熱溫度從90 ℃到120 ℃,RAP疲勞性能出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng),當(dāng)溫度超過(guò)120 ℃時(shí),疲勞壽命的增加比例較??;預(yù)熱溫度到達(dá)130 ℃時(shí),瀝青的針入度和延度的下降較為明顯,瀝青在該溫度下老化加劇,再生混合料低溫性能下降。
(4)對(duì)于本試驗(yàn)所用再生混合料,RAP理想加熱溫度區(qū)間為120~130 ℃。若RAP中舊瀝青已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的老化,建議取溫度下限,防止瀝青的深度老化;當(dāng)RAP的摻配比例較高且舊瀝青的老化程度不高時(shí),建議將RAP的加熱溫度適當(dāng)提高,以取得更好的軟化瀝青、融合新瀝青新集料的效果,但溫度不宜超過(guò)130 ℃。
[1]任拴哲.瀝青路面廠拌熱再生及其設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2008.
[2] 時(shí)磊.瀝青混凝土廠拌熱再生設(shè)備改造關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2011.
[3] 俞志龍.廠拌熱再生瀝青混合料路用性能及施工工藝研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2013.
[4] 王真. SBS改性瀝青路面性能恢復(fù)技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2012.
[5]沙慶林.空隙率對(duì)瀝青混凝土的重大影響[J].國(guó)外公路,2001,21(1):34-38.
[6]朱洪洲,黃曉明.瀝青混合料疲勞性能關(guān)鍵影響因素分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(2):260-263.
Heating Range Analysis for Hot in Plant Recycling of Asphalt Pavement
Wang Siqi, Huang Xiaoming, Hu Lin
(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Heating temperature has great influence on the pavement performance during the hot in plant recycling process of reclaimed asphalt mixture. The aging mixture and the virgin mixture can not be fully mixed if the heating temperature is too low and the performance of reclaimed mixture can not meet the mixture standard. Otherwise, the reclaimed mixture will be aged under high heating temperature which will also need more energy during heating process. The reasonable heating temperature is preliminarily presented based on both the wheel tracking test and the RAP's diversity (100~140℃). The optimum heating temperature is determined based on the relationship between the heating temperature of reclaimed mixtures (AC-20S) and general pavement performance (performance in low temperature and ability to prevent fatigue).
hot in plant recycling; RAP; heating temperature; diversity; road performance
U414
A
1672–9889(2015)05–0005–04
王飔奇(1991-),男,江蘇南京人,博士研究生,研究方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),路面新材料,路面紋理技術(shù)數(shù)字化研究。
(2014-12-19)