廠拌熱再生混合料旋轉(zhuǎn)壓實行為*

方 楊 王甲辰 吳傳海 舒 翔 展宏圖

(公路交通安全與應急保障技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心1) 廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420) (廣東龍浩集團有限公司3) 廣州 510623)

廠拌熱再生混合料旋轉(zhuǎn)壓實行為*

方 楊1,2)王甲辰1,2)吳傳海1,2)舒 翔3)展宏圖1,2)

(公路交通安全與應急保障技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心1)廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2)廣州 510420) (廣東龍浩集團有限公司3)廣州 510623)

利用旋轉(zhuǎn)壓實剪切試驗機(GTM)，對馬歇爾方法設(shè)計的19種廠拌熱再生瀝青混合料進行了壓實試驗，以空隙率變化率表征可壓實程度，以壓實次數(shù)表征可壓實速率，系統(tǒng)研究了廠拌熱再生混合料在不同RAP摻量時的旋轉(zhuǎn)壓實行為，并分析了壓實機理.結(jié)果表明，廠拌熱再生混合料在GTM旋轉(zhuǎn)壓實作用下，可壓實程度高，可壓實速率快，同時表現(xiàn)出類似溫拌瀝青混合料的降溫壓實特征.

道路工程；廠拌熱再生混合料；試驗研究；旋轉(zhuǎn)壓實剪切試驗機

0 引 言

瀝青路面廠拌熱再生技術(shù)由于使用效果良好，格外受到重視，在國外發(fā)展較為成熟[1-2].目前國內(nèi)外對于熱再生混合料的研究大量集中于再生混合料設(shè)計方法、使用性能、RAP材料質(zhì)量控制及施工工藝上[3-4].根據(jù)文獻[5]，熱再生混合料采用馬歇爾方法擊實成型，少有對再生混合料旋轉(zhuǎn)壓實行為的研究.紀小平等[6-7]采用旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)和旋轉(zhuǎn)壓實剪切試驗機(GTM)分別對廠拌熱再生混合料進行旋轉(zhuǎn)壓實研究，均得到了熱再生混合料容易壓實的結(jié)論.

本文采用GTM，對廣東省三個熱再生工程項目涉及到的19種廠拌熱再生混合料進行了旋轉(zhuǎn)壓實試驗，研究了廠拌熱再生混合料旋轉(zhuǎn)壓實行為.

1 原材料及級配設(shè)計

三個工程項目采用的原材料均符合文獻[8]要求，每個工程項目中相同類型的混合料使用相同的瀝青，原材料信息及級配設(shè)計如下.

GH高速維修工程，新集料為輝綠巖碎石，普通瀝青為東莞東交70號基質(zhì)瀝青，改性瀝青為東莞東交SBS(I-D)改性瀝青，RAP為該項目瀝青路面銑刨回收料.RAP中回收瀝青指標見表1，級配設(shè)計見表2.

ZX高速維修工程，新集料為輝綠巖碎石，改性瀝青為殼牌SBS(I-D)改性瀝青，RAP為該項目瀝青路面銑刨回收料.RAP中回收瀝青指標見表1，級配設(shè)計見表3.

XBYH高速維修工程，新集料為閃長巖碎石，普通瀝青為殼牌70號基質(zhì)瀝青，改性瀝青為殼牌PG76-10改性瀝青，RAP為該項目瀝青路面銑刨回收料.RAP中回收瀝青指標見表1，級配設(shè)計見表4.

表1 RAP中回收瀝青指標

表2 GH高速混合料級配

表3 ZX高速混合料級配

表4 XBYH高速混合料級配

2 壓實程度

研究方案為采用馬歇爾方法設(shè)計廠拌熱再生瀝青混合料，確定最佳油石比后利用GTM驗證，以混合料空隙率變化情況來表征廠拌熱再生混合料的可壓實程度.

按照文獻[9]，GTM試驗垂直壓強為0.7 MPa，機器角為2°，氣壓滾軸，混合料試件達到平衡狀態(tài)(GTM每旋轉(zhuǎn)50次試件密度變化小于0.008 g/cm3)時試驗停止.當新瀝青為普通瀝青時，壓實試驗溫度145 ℃；當新瀝青為改性瀝青時，壓實試驗溫度為165 ℃.

GH高速混合料試驗結(jié)果見表5，ZX高速混合料試驗結(jié)果見表6，XBYH高速混合料試驗結(jié)果見表7.

三個工程項目中，在級配類型、原料品質(zhì)、RAP來源等多重因素影響下，熱再生混合料仍呈現(xiàn)出高度一致的規(guī)律：經(jīng)GTM旋轉(zhuǎn)壓實至平衡狀態(tài)后，所有采用馬歇爾方法設(shè)計的混合料空隙率均有不同程度的降低；添加RAP的廠拌熱再生混合料空隙率降低幅度遠遠超過未添加RAP的非再生混合料；RAP摻量越大，廠拌熱再生混合料空隙率降低幅度越大.相對于馬歇爾擊實作用，廠拌熱再生混合料對GTM旋轉(zhuǎn)揉搓作用非常敏感.在旋轉(zhuǎn)壓實作用下，廠拌熱再生混合料表現(xiàn)出了比非再生混合料更大的可壓實程度.

表5 GH高速混合料壓實程度 %

表6 ZX高速混合料壓實程度 %

表7 XBYH高速混合料壓實程度 %

3 壓實速率

為研究廠拌熱再生混合料可壓實速率，采用了2種方法來評價，計算法和實測法.

1) 計算法 GTM試驗系統(tǒng)在工作過程中自動采集了混合料試件的密度，對這些數(shù)據(jù)進行計算處理，能夠一定程度反映混合料的壓實速率.首先以馬歇爾方法設(shè)計的混合料毛體積密度作為標準密度，將采集的密度換成為“GTM壓實度”；然后將旋轉(zhuǎn)次數(shù)做自然對數(shù)處理，做GTM壓實度-旋轉(zhuǎn)次數(shù)對數(shù)的曲線[10-11]，二者為直線關(guān)系，見圖1，相關(guān)系數(shù)R2在0.96以上.取直線起點至97%壓實度時的直線斜率為K，K值表示混合料壓實至97%GTM壓實度的速率.3個項目熱再生混合料GTM壓實參數(shù)匯總見表8～10.

圖1 壓實曲線

混合料類型97%壓實度時的壓實次數(shù)平衡狀態(tài)壓實次數(shù)K值改性瀝青AC-132663.952AC-13+30%RAP1132894.259AC-13+45%RAP582774.732普通瀝青AC-203183.203AC-20+30%RAP682783.774AC-20+45%RAP532684.854普通瀝青AC-252612613.257AC-25+30%RAP1302603.592AC-25+45%RAP722574.454AC-25+60%RAP402314.945

表9 ZX高速混合料壓實速率

計算法雖然簡便快捷，但采用的密度與毛體積密度在定有上有所不同，直接比較存在偏差，因此作為計算法的彌補，研究采用了實測法.

表10 XBYH高速混合料壓實速率

2) 實測法 仍以馬歇爾方法設(shè)計的混合料毛體積密度作為標準密度，采用GTM成型試件并實測其毛體積密度，以達到標準密度時的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)評價混合料壓實速率.XBYH高速混合料的GTM壓實次數(shù)見表11.

表11 XBYH高速混合料壓實速率

計算法和實測法結(jié)果均表明，在GTM旋轉(zhuǎn)壓實作用下，添加RAP的廠拌熱再生混合料比未添加RAP的非再生混合料壓實速率大，達到平衡狀態(tài)或標準密度時所需壓實次數(shù)少，壓實功小，更容易壓實；隨著RAP摻量提高，廠拌熱再生混合料壓實速率逐漸提高，壓實變得越來越容易，越來越快.

4 降溫壓實

在和非再生混合料相同試驗溫度下，熱再生混合料在GTM試驗中表現(xiàn)出壓實程度高、壓實速率快、壓實次數(shù)小的顯著特點，說明熱再生混合料對壓實功需求低.換個研究角度，如果保持壓實次數(shù)相同，熱再生混合料能否實現(xiàn)降溫壓實.

試驗方案為以馬歇爾方法設(shè)計的混合料毛體積密度作為標準密度，降低試驗溫度，采用GTM成型試件并實測其毛體積密度，以達到標準密度時的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)評價混合料降溫壓實效果.為對比較降溫效果，同時制備了溫拌瀝青混合料，采用某公司生產(chǎn)的EC120型溫拌外加劑，該外加劑能夠降低混合料拌合和成型溫度20℃，在混合料攪拌時加入，用量為瀝青質(zhì)量的3.5%.試驗結(jié)果見表12，其中次數(shù)“>400”表示超過400次后，GTM試件密度仍不能達到標準密度，試驗停止.

由表12可知，所有混合料在GTM旋轉(zhuǎn)壓實作用下，均能實現(xiàn)降溫壓實，只是降溫幅度不同；改性瀝青AC-16混合料和普通瀝青AC-20混合料試驗溫度降低10 ℃能正常壓實；添加EC120型溫拌劑的兩種混合料試驗溫度降低20 ℃能夠正常壓實，符合該產(chǎn)品的性能要求；熱再生混合料試驗溫度降低20～30 ℃能夠正常壓實，降溫效果甚至比溫拌瀝青混合料還要好；熱再生混合料在可壓實的溫度范圍內(nèi)，仍然保持著較少的壓實次數(shù).廠拌熱再生混合料在GTM旋轉(zhuǎn)作用下表現(xiàn)出了類似溫拌瀝青混合料的壓實效果.

表12 XBYH高速混合料壓實次數(shù)

5 機理分析

廠拌熱再生混合料在GTM中呈現(xiàn)上述獨特規(guī)律，分析認為與RAP材料自身特點和旋轉(zhuǎn)壓實方式兩方面原因有關(guān).

RAP材料是由瀝青路面經(jīng)銑刨-破碎-篩分而來，每個RAP顆粒都是碎石、碎屑和粉末通過集料嵌擠作用和瀝青粘附作用結(jié)合在一起的混合物，分布很多開口孔隙和閉口孔隙，不如普通的碎石集料完整致密堅固.當RAP用于生產(chǎn)廠拌熱再生混合料時，并非所有的RAP顆粒都會順利的破裂分散，并均勻分布于整個熱再生混合料體系中.實際上仍然有一定數(shù)量的RAP顆粒未在拌合過程中徹底解體，而是在隨后的壓實成型過程中繼續(xù)破碎剝落，直到不可再分為止.在馬歇爾擊實成型法中，RAP材料受到的是間斷的垂直沖擊作用，破裂、位移并重新排列填充的動力不足效率低下， RAP孔隙無法有效排除.熱再生混合料對擊實作用不敏感.而在GTM試驗系統(tǒng)里，旋轉(zhuǎn)揉搓壓作用劇烈連續(xù)均勻，RAP顆粒同時受壓應力和剪應力作用，迅速分散解體以消耗壓實功，開口孔隙和閉口孔隙隨即消失和閉合，混合料空隙率隨之快速降低.RAP摻量越高，揉搓-解體-壓實-閉合的作用就越明顯，熱再生混合料壓實的越快.熱再生混合料對GTM旋轉(zhuǎn)壓實作用非常敏感.

與此同時，熱再生混合料在GTM中能夠快速壓實也就意味著其可以降溫壓實，熱再生混合料表現(xiàn)出類似溫拌瀝青混合料的壓實特性，這其實是一個問題的兩個方面.而從GTM的角度，所有馬歇爾方法設(shè)計的混合料均能夠?qū)崿F(xiàn)不同程度的降溫壓實，對于減少混合料老化，降低能耗具有重要意義.

而對于非再生的常規(guī)瀝青混合料，由于旋轉(zhuǎn)作用的天然優(yōu)勢，GTM旋轉(zhuǎn)成型比擊實成型空隙率有所降低，但因其礦料缺乏類似RAP破裂解體行為，空隙率降低幅度和降溫幅度不及熱再生混合料.

6 結(jié) 論

1) 在GTM旋轉(zhuǎn)壓實作用下，廠拌熱再生混合料表現(xiàn)出可壓實程度高、和可壓實速率快的特性.

2) 在GTM旋轉(zhuǎn)壓實作用下，廠拌熱再生混合料能夠?qū)崿F(xiàn)降溫成型，表現(xiàn)出溫拌瀝青混合料的壓實特性.

3) 在GTM旋轉(zhuǎn)壓實作用下，所有馬歇爾方法設(shè)計的混合料均能夠?qū)崿F(xiàn)不同程度的降溫壓實，體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)壓實作用與擊實作用的差異.

[1]秦卓文.廠拌熱再生瀝青混合料設(shè)計及性能試驗研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[2]任栓哲.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：長安大學，2008.

[3]ARAVIND K, ANIMESH D. Pavement design with central plant hot-mix recycled asphalt mixes[J]. Construction and Building Materials，2007，21：928-936．

[4]MICHAEL S S, BRUCE A C, ANDREW D. Investigation of recycled asphalt pavement (RAP) mixtures[R]. Min-nesota Department of Transportation Office of Research Services，2002．

[5]交通部公路科學研究院.公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范:JTG F41—2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

[6]紀小平,鄭南翔,甘新立.再生瀝青混合料壓實特性的研究[J]．中外公路，2013，33(5)：265-267.

[7]方楊,吳傳海.基于GTM的高摻量RAP熱再生混合料壓實特性[J]．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2014，38(1)：181-183.

[8]交通部公路科學研究院.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范:JTG F40—2004[S]．北京：人民交通出版社,2004.

[9]交通部公路科學研究院.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社,2011.

[10]張爭奇,邊秀奇，杜群樂，等.瀝青混合料壓實特性影響因素研究[J]．武漢理工大學學報，2012，34(6)：36-41.

[11]蔣瑋，沙愛民，裴建中，等.多孔瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實特性[J]．長安大學學報：自然科學版，2010，30(5)：11-16.

Rotation Compaction Behavior of Central Plant Hot Recycling Mixture

FANG Yang1,2)WANG Jiachen1,2)WU Chuanhai1,2)SHU Xiang3)ZHAN Hongtu1,2)

(Highway Traffic Safety and Emergency Protection Technology and Equipment Transportation Industry R&D Center, Guangzhou 510420, China)1)(Guangdong Hualu Communications Technology Co. Ltd., Guangzhou 510420, China)2)(Guangdong Longhao Group Co. Ltd., Guangzhou 510623, China)3)

With gyratory testing machine (GTM), compaction tests are conducted for 19 kinds of hot recycling mixtures designed by the Marshall method. The compaction degree is characterized by the change rate of void and the compaction rate is characterized by the compaction time. The compaction mechanism is analyzed. The result shows that in the GTM rotation compaction effect, hot recycling mixture has high compaction degree, fast compaction speed and similar compaction characteristics of warm asphalt mixture at lower temperature.

road engineering; central plant hot recycling mixture; experimental research; gyratory testing machine

2017-03-24

*廣東省交通運輸廳科技項目(2009-04-005)、廣東省交通運輸廳科技項目(2011-02-001)資助

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.031

方楊(1983—)：男，碩士，主要研究領(lǐng)域為瀝青路面材料