冷再生瀝青路面舊料性能評(píng)價(jià)

夏澤沛

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川　成都　610017)

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冷再生瀝青路面舊料性能評(píng)價(jià)

夏澤沛

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610017)

摘要：為了評(píng)價(jià)瀝青路面冷再生工藝中使用的舊料性能，文章從舊料級(jí)配、瀝青含量及性能、含水量、殘余強(qiáng)度等方面對(duì)冷再生工藝中使用的舊銑刨料性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：舊料中細(xì)料含量由于瀝青粘結(jié)等原因含量較低，瀝青含量顯著下降；舊料中含水量較高達(dá)到2.5%；舊料有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，但低于熱再生的混合料強(qiáng)度；舊料顆粒團(tuán)的劈裂強(qiáng)度相對(duì)較低，為0.62 MPa。

關(guān)鍵詞：道路工程；再生瀝青路面；冷再生；性能評(píng)價(jià)；三軸剪切試驗(yàn)

0引言

瀝青路面以其良好的連續(xù)性，行駛平穩(wěn)舒適，噪聲小，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)高等級(jí)公路中等到了廣泛的應(yīng)用。隨著通車?yán)锍痰脑黾?，目前很多瀝青路面已陸續(xù)進(jìn)入大、中修期。按照瀝青路面設(shè)計(jì)壽命15～20年算，從現(xiàn)在起全國(guó)每年有10%的瀝青路面需要翻修，舊瀝青層的廢棄量將達(dá)到每年200萬噸之

巨。如能加以利用，每年可節(jié)省材料費(fèi)3億元以上。而這個(gè)數(shù)字是以每年15%的速度增長(zhǎng)的，10年以后，瀝青路面大、中修產(chǎn)生的舊瀝青混合料每年將超過1 000萬噸，屆時(shí)再生利用每年將可節(jié)約材料費(fèi)15億元。為了妥善利用這些舊瀝青混合料，再生技術(shù)的推廣應(yīng)用是大勢(shì)所趨。因此，隨著路面養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，再生技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。

瀝青路面再生技術(shù)是將原有的路面材料，以不同方式加以再生或重復(fù)使用的一種路面養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)。按照不同的工藝，可以分為熱再生技術(shù)和冷再生技術(shù)。熱再生技術(shù)包括就地?zé)嵩偕蛷S拌熱再生，冷再生技術(shù)包括廠拌冷再生和就地冷再生[3]。

經(jīng)過長(zhǎng)期使用的瀝青路面，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，需對(duì)舊瀝青路面進(jìn)行回收，目前常用的回收方式為挖除和銑刨[4]。挖除所獲得的舊料能最大限度地保留舊料的各種性能，特別是對(duì)舊料原有級(jí)配的影響較小，但挖除時(shí)對(duì)路面標(biāo)高及平整度的控制較難。目前大規(guī)模維修工程中，最常使用的舊料回收方式是銑刨，銑刨工藝可以較好地控制銑刨量和舊路標(biāo)高。銑刨工藝雖然施工速度快，舊路標(biāo)高控制精確，但由于銑刨過程中，銑刨機(jī)的機(jī)械切削對(duì)舊路中的集料會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，因此銑刨后的混合料級(jí)配會(huì)與原路面的級(jí)配產(chǎn)生很大的變化。同時(shí)，公路等級(jí)、使用年限、最初使用的原材料性質(zhì)、銑刨方式等均會(huì)影響殘留的性能，因此在對(duì)舊料進(jìn)行再生利用前，必須對(duì)舊料的基本性能進(jìn)行研究[5-7]。本文主要從舊料級(jí)配、瀝青含量及性能、含水量、殘余強(qiáng)度等方面對(duì)冷再生工藝中使用的舊銑刨料性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1舊料級(jí)配變化

此次的研究是采用冷再生技術(shù)，經(jīng)過銑刨破碎的舊混合料成分比較復(fù)雜，包括粗集料、細(xì)集料和老化的瀝青塊等，其中集料是被瀝青裹附而成塊狀。在實(shí)際冷再生應(yīng)用中，舊瀝青是作為黑石頭，和原有材料作為整體考慮，忽略其瀝青的含量及性質(zhì)。

首先需要對(duì)銑刨破碎的舊混合料進(jìn)行原始狀態(tài)的分析。銑刨破碎的舊混合料最大粒徑一般在30 mm以下，對(duì)于未徹底粉碎的混合料，應(yīng)該人工粉碎或剔除。由于舊料中舊瀝青的存在，因此不能在高溫下對(duì)瀝青進(jìn)行烘干，高溫會(huì)使舊料中的瀝青軟化、松散而影響其級(jí)配。為了將RAP的級(jí)配變異性控制到最小，首先將RAP篩分為三檔，以16 mm和2.36 mm篩孔為界，將篩分好的三檔RAP按照四分法取樣，在40 ℃通風(fēng)烘箱內(nèi)烘干至恒重，按照規(guī)范要求篩分。銑刨料由于瀝青的裹附作用，改變了其實(shí)際級(jí)配。對(duì)銑刨料進(jìn)行瀝青的抽提，將瀝青裹附的礦粉等重新釋放出來。同時(shí)將由瀝青粘附的破碎集料重新恢復(fù)原來的級(jí)配。對(duì)比銑刨料的級(jí)配以及抽提后的級(jí)配，其通過率曲線如圖1所示。

圖1　抽提前后級(jí)配對(duì)比曲線圖

從圖1中可以看出，銑刨料在抽提前后的總體級(jí)配較為接近，總體表現(xiàn)為單峰形式，峰值出現(xiàn)在粒徑為4.75 mm的顆粒；大量4.75 mm顆粒的產(chǎn)生，一方面與原有級(jí)配的構(gòu)成特點(diǎn)有關(guān)，另一方面與銑刨過程中的機(jī)械破碎作用有關(guān)，大量生成的4.75 mm顆粒有助于后期再生混合料中骨架結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。

同時(shí)對(duì)比抽提前后的級(jí)配曲線可以看出，兩者的主要差別表現(xiàn)在>19 mm和<0.15 mm的顆粒。通過抽提可以發(fā)現(xiàn)，舊料中原有的>19 mm顆?；鞠?，而大量生成了<0.15 mm的顆粒。也即在銑刨料中原有的>19 mm的顆?；旧峡梢哉J(rèn)為是多個(gè)不同粒徑顆粒所組成的顆粒團(tuán)，各顆粒間仍依靠舊瀝青起到粘結(jié)作用。而銑刨料中<0.15 mm的顆?；旧隙颊辰Y(jié)在各個(gè)粒徑的顆粒上，共同組成顆粒團(tuán)。因此，當(dāng)使用舊料進(jìn)行再生利用時(shí)，再生混合料的性能不僅取決于所添加的新膠結(jié)料，也將在很大程度上取決于舊料顆粒團(tuán)內(nèi)的老化膠結(jié)料的性能。

2銑刨料中的瀝青含量

取自然晾曬干狀態(tài)下的銑刨料，將舊混合料放入60 ℃士5 ℃的烘箱烘干，待舊混合料軟化后將銑刨料破碎，在室內(nèi)使用瀝青混合料自動(dòng)抽提儀進(jìn)行銑刨料抽提試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的溶劑為常規(guī)的三氯乙烯。銑刨料的抽提試驗(yàn)分為兩步：(1)銑刨料在溶劑三氯乙烯的沖刷下，舊料與瀝青分離，各檔粗細(xì)集料留在振動(dòng)篩上繼續(xù)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行礦粉質(zhì)量的測(cè)定；(2)對(duì)舊瀝青與三氯乙烯的混合溶液進(jìn)行蒸餾實(shí)驗(yàn)，通過高溫蒸餾和冷凝回收三氯乙烯同時(shí)得到舊瀝青。由于抽提儀有最大的抽提質(zhì)量限值，故而抽提時(shí)每份質(zhì)量取大約1 kg左右。瀝青含量見表1。

表1　舊料瀝青含量表

由表1可以，舊料中的瀝青含量是較低的，一方面是由于銑刨料中包含了中下面層的混合料，其中的油石比較低，另一方面是由于瀝青路面在長(zhǎng)期使用中，由于水分的沖刷作用，造成了部分瀝青的流失。

在冷再生過程中，舊料中的老化瀝青基本處于惰性狀態(tài)，在再生過程中，老化瀝青不參與再生混合料的重新膠結(jié)過程，因此老化瀝青的性能對(duì)冷再生來講并不是很重要。但對(duì)老化瀝青性能的測(cè)試，有助于對(duì)瀝青的老化程度進(jìn)行評(píng)判；同時(shí)由于在舊料中存在大量舊料顆粒團(tuán)，在顆粒團(tuán)中顆粒的膠結(jié)仍主要依靠原有的老化瀝青，因此對(duì)瀝青老化程度的評(píng)判，也有助于對(duì)舊料顆粒團(tuán)的性能做出基本判斷。

3舊料中的含水量

含水量采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程JTG E42-2005》中T0305“粗集料含水率試驗(yàn)”測(cè)定。在進(jìn)行含水量的測(cè)定過程中，取三份舊料進(jìn)行測(cè)定，取平均值。其含水量的數(shù)據(jù)見表2。均值為2.50%。

表2　銑刨料含水量表

可以看出，舊料中的含水量是較高的，造成舊料含水量較高的原因較多。一方面舊路在長(zhǎng)期使用過程中，由于路表的開裂及空隙，造成雨水下滲。另一方面由于銑刨后的舊料通常需要堆放一段時(shí)間，由于雨水和空氣濕度的作用，也會(huì)造成舊料含水量的增加。工程經(jīng)驗(yàn)表明，含水量的增加對(duì)于瀝青路面的再生利用，會(huì)產(chǎn)生較明顯的負(fù)面影響。主要原因是大量水分的存在會(huì)使乳化瀝青冷再生時(shí)，實(shí)際加水量增加，影響再生路面的碾壓效果；同時(shí)過大的含水量將導(dǎo)致舊料在堆放時(shí)，不同層位的含水量不一致，從而增加再生施工中的變異性。因此，為降低舊料的含水量，瀝青路面的銑刨工作不應(yīng)在雨天或雨后進(jìn)行；而對(duì)于舊料的存放，也應(yīng)進(jìn)行必要的遮蓋，以減少雨水的影響。

4舊料殘余強(qiáng)度研究

舊料來源于原路面的銑刨料，雖然經(jīng)過了銑刨破碎，但舊料中仍存在大量的瀝青和集料，特別是舊料中的顆粒團(tuán)，其內(nèi)部狀態(tài)仍然是由瀝青起著膠結(jié)作用。所以在舊料中仍保留著部分來源于舊路面的殘余強(qiáng)度，這部分強(qiáng)度的大小及構(gòu)成特點(diǎn)，直接影響著再生后的混合料性能，因此有必要進(jìn)行深入的研究。本文采用三軸剪切試驗(yàn)測(cè)試舊料殘余粘聚力，采用劈裂試驗(yàn)測(cè)試舊料顆粒團(tuán)的強(qiáng)度。

4.1舊料殘余粘聚力的三軸剪切試驗(yàn)

三軸剪切試驗(yàn)是一種較為經(jīng)典的試驗(yàn)方法，其模擬了材料中一點(diǎn)的受力狀態(tài)，與實(shí)際路面中的三向受力情況相符合，可以得到混合料的抗剪參數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變特性、抗壓強(qiáng)度、破壞能量等。所用試件是高為150 mm、直徑為100 mm的圓柱體。對(duì)舊料分成五組來進(jìn)行，分別是60 ℃加熱10 h、60 ℃加熱24 h、120 ℃加熱16 h、未加熱的舊料和經(jīng)抽提后的舊料。每組5 500 g，經(jīng)過靜壓成型。

參考國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)，三軸試驗(yàn)中加載速率取1.27 mm/min，圍壓取68 kPa、136 kPa，因?yàn)槌樘岷蟮牟牧现胁缓瑸r青，粘結(jié)力c為零，所以只需做一組圍壓即可。所用的三軸剪切試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2　三軸剪切試驗(yàn)裝置圖

經(jīng)測(cè)試，各試件的內(nèi)部粘聚力和內(nèi)摩擦角如表3所示。

表3　三軸測(cè)試結(jié)果表

由上表可知，舊料經(jīng)抽提后，其混合料中僅剩下各種不同粒徑的集料，由三軸測(cè)試結(jié)果可以看出，此時(shí)各集料間由于沒有了瀝青膜的阻隔，所以具有最大的內(nèi)摩擦角，此時(shí)的混合料更接近于級(jí)配碎石。

而將舊料不經(jīng)加熱直接靜壓成型試件的三軸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，其試件內(nèi)部已經(jīng)開始具有了一定的粘聚力，此部分粘聚力是由舊集料表面的老化瀝青膜提供的；由于沒有經(jīng)過加熱，因此老化瀝青膜不能在成型過程中，重新裹附分布，而完全是依靠靜壓成型過程中，顆粒間的擠壓而形成了新的瀝青膜粘結(jié)力。雖然此粘結(jié)力較新拌瀝青混合料中的粘聚力小得多，但已從跟不上改變了試件的強(qiáng)度構(gòu)成機(jī)理；使其有上面類似級(jí)配碎石的松散材料變?yōu)橐环N整體性材料。在國(guó)外資料中經(jīng)常將RAP成為“黑石”，即其性質(zhì)主要是由集料決定的，殘留的瀝青經(jīng)是改變了集料的表面顏色，而對(duì)性能基本不起作用。有上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，“黑石”的論點(diǎn)并不充分，殘留的瀝青即使在冷再生條件下也可發(fā)揮一定量的粘結(jié)作用。也即，對(duì)于銑刨所獲得的舊料，在再生利用過程中，如果能加強(qiáng)碾壓，使各顆粒間能夠借助舊料表面殘留的老化瀝青膜重新起到粘結(jié)作用，將有助于提高再生混合料的強(qiáng)度。

對(duì)比表4中的第2組和第3組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，低溫加熱對(duì)舊料強(qiáng)度的提高作用并不明顯。第4組的試驗(yàn)結(jié)果中，粘聚力明顯增加，可能和長(zhǎng)時(shí)間加熱后瀝青膜的老化導(dǎo)致黏度提高有一段的關(guān)系。第5組試驗(yàn)中，120 ℃的加熱溫度接近于熱再生時(shí)舊料的加熱溫度，可以看出此時(shí)試件內(nèi)部的粘聚力大幅度增加，表明此時(shí)舊瀝青經(jīng)過重新分布和裹附，起到了更好的粘結(jié)效果，使試件的整體性進(jìn)一步提升。因此，從充分發(fā)揮和利用舊瀝青殘留的粘結(jié)力效果角度來講，熱再生的效果要明顯好于冷再生。

4.2舊料顆粒團(tuán)強(qiáng)度的測(cè)試

由上述已有研究可以看出，在銑刨料中含有大量的舊料顆粒團(tuán)，當(dāng)進(jìn)行冷再生時(shí)，舊料顆粒團(tuán)也是以整體型式存在于再生混合料中。當(dāng)再生混合料受力時(shí)，舊料顆粒團(tuán)作為一個(gè)獨(dú)立單元體，其分擔(dān)荷載的能力主要來源于顆粒團(tuán)內(nèi)部的原有強(qiáng)度；因此舊料顆粒團(tuán)內(nèi)殘留強(qiáng)度的大小直接決定了再生混合料的強(qiáng)度。

舊料顆粒團(tuán)是由舊路面經(jīng)銑刨而形成的，其顆粒大小不等、形狀各異，目前還沒有較為適宜的方法直接測(cè)試其強(qiáng)度，為此本文探索采用了砂漿膠結(jié)法。即采用固定配比的水泥砂漿，將不同比例的舊料顆粒團(tuán)膠結(jié)在一起，并測(cè)試試件的劈裂強(qiáng)度，依據(jù)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果外推，以水泥砂漿量為零時(shí)的強(qiáng)度來表征舊料顆粒團(tuán)的強(qiáng)度。

試驗(yàn)中按水∶水泥∶砂=1∶2∶3比例配置水泥砂漿，銑刨料只取2.36～16 mm粒徑。分別按重量比，砂漿∶舊料=100∶0、70∶30、60∶40、50∶50制作馬歇爾試件，試件振搗成型。試件首先在室溫下養(yǎng)生2 d(第一天脫模，對(duì)試件影響較大)，每隔一段時(shí)間灑水潮濕養(yǎng)護(hù)。脫模后，放在水泥混凝土養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3 d。第五天測(cè)試件強(qiáng)度。強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3　水泥砂漿舊料顆粒團(tuán)的強(qiáng)度曲線圖

由圖3可以看出，雖然由于舊料顆粒團(tuán)具有較明顯的離散性，所以導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的回歸相關(guān)性并不高，但仍可以看出，隨著砂漿比例的提高，試件的強(qiáng)度明顯提高，也即試件的強(qiáng)度隨舊料顆粒團(tuán)含量的提高而下降。將回歸曲線外推，可以獲得當(dāng)水泥摻量為零時(shí)，試件顆粒團(tuán)的劈裂強(qiáng)度為0.62 MPa。可以看出，按此方法所確定的顆粒團(tuán)的強(qiáng)度雖然較低，但與現(xiàn)行規(guī)范中冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度較為接近；這在一定程度上表明了現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)冷再生混合料確定的規(guī)定是有一定依據(jù)的。由冷再生混合料中舊料顆粒團(tuán)的比表面積所占比例和強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果可以看出，由于在冷再生混合料中，舊料顆粒團(tuán)的強(qiáng)度偏低而所占比例又偏高，因此冷再生混合料的強(qiáng)度不可能很高，也就不能對(duì)冷再生材料的強(qiáng)度提出過高要求。由于冷再生混合料是由舊料顆粒團(tuán)構(gòu)成，因此其強(qiáng)度構(gòu)成明顯不同于傳統(tǒng)的道路工程材料；舊料顆粒團(tuán)的固有強(qiáng)度在很大程度上限制了冷再生混合料的強(qiáng)度。

5結(jié)語

(1)對(duì)于舊料，其細(xì)料部分由于瀝青的粘結(jié)等原因，其細(xì)料含量偏少，在進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)需要加入新的細(xì)集料作為細(xì)料的補(bǔ)充。在級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)r青的裹附，其級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)配有很大的差別，因此設(shè)計(jì)級(jí)配時(shí)要充分考慮級(jí)配的骨架結(jié)構(gòu)。

(2)舊料中瀝青含量下降，含水量較高。

(3)三軸試驗(yàn)研究表明，即使在常溫下，通過適當(dāng)?shù)膲簩?shí)，RAP中的老化瀝青仍可以起到粘結(jié)作用，從而有助于提高再生混合料的性能；但其粘結(jié)強(qiáng)度，遠(yuǎn)低于熱再生效果。

(4)冷再生混合料中RAP顆粒團(tuán)所占比例較高，同時(shí)室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，RAP顆粒團(tuán)的強(qiáng)度降低，這在很大程度上限制了再生混合料的總體強(qiáng)度。

綜上對(duì)于冷再生技術(shù)來講，重要的不是對(duì)其強(qiáng)度提出過高的要求，而是針對(duì)其強(qiáng)度構(gòu)成特性，獲取優(yōu)良的綜合性能，同時(shí)根據(jù)其性能特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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Performance Evaluation for Old Materials of Cold Reclaimed Asphalt Pavement

XIA Ze-pei

(Sichuan Communication Surveying and Design Institute，Chengdu，Sichuan，610017)

Abstract：To evaluate the properties of old materials used in asphalt pavement cold-regeneration process，the article conducted the systematical study on the properties of old milling material used in cold regeneration process from the aspects of old material gradation，asphalt content and properties，moisture content，and residual strength.The results showed that：the fine aggregate content in old mate-rials is low due to the asphalt binding and other reasons，and the asphalt content decreases significantly；the moisture content in old materials is high up to 2.5%；the old material has a certain bonding strength，but lower than the strength of hot-regeneration mixtures；the splitting strength of old material particle group is relatively low at 0.62 MPa.

Keywords：Road engineering；RAP；Cold regeneration；Performance evaluation；Triaxial shear test

收稿日期：2015-12-12

文章編號(hào)：1673-4874(2016)01-0018-06

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.005

作者簡(jiǎn)介

夏澤沛(1963—)，高級(jí)工程師，主要從事監(jiān)理及技術(shù)質(zhì)量管理工作。