全再生瀝青混合料路用性能研究

黃維蓉，宋 鵬

(重慶交通大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.土木工程學(xué)院，重慶 400074)

隨著我國(guó)公路多年的使用，很多瀝青混凝土路面都面臨大修、中修的問題，而這將導(dǎo)致大量舊瀝青混合料需要處理.舊瀝青混合料性能雖不能滿足路用要求，但作為路面材料使用效果仍然很好[1].已有研究表明，對(duì)再生瀝青混合料進(jìn)行再處理后合理使用鋪筑而成的路面，具備不低于新瀝青路面的性能.充分利用回收瀝青路面材料(reclaimed asphalt pavement，RAP)，不僅可以節(jié)約大量新材料，還可以有效避免它們對(duì)環(huán)境造成的不利影響[2-3].近年來(lái)，再生瀝青技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與研究，并得以發(fā)展，但在我國(guó)，舊料利用率仍然偏低，有待進(jìn)一步提高.瀝青路面常用的4種再生方式中，廠拌熱再生技術(shù)由于其適應(yīng)性廣、操作精確方便、施工質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外被普遍采用[4].本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，采用廠拌熱再生技術(shù)，對(duì)全再生瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了研究.

1 試驗(yàn)原材料

1.1 RAP料

圖1 舊集料篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用丹寨羊甲至臺(tái)辰公路瀝青路面面層銑刨舊料；根據(jù)規(guī)范要求，將RAP料篩分為8～16 mm，0～8 mm兩檔；對(duì)抽提后的集料，按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，測(cè)試其物理指標(biāo)；對(duì)抽提和篩分后的RAP料進(jìn)行清洗，烘干，并進(jìn)行分檔.舊料級(jí)配見圖1，集料性能見表1.用離心抽提法測(cè)得粒徑為0～8 mm的回收瀝青質(zhì)量占比為5.1%，粒徑為8～16 mm的回收瀝青質(zhì)量占比為3.5%.舊瀝青性能見表2.

從圖1可以看出，舊料已經(jīng)發(fā)生了明顯的細(xì)化現(xiàn)象，究其原因是外部荷載與自然因素的長(zhǎng)期綜合作用以及銑刨設(shè)備作用導(dǎo)致的[5].

從表1可知，雖然RAP料各項(xiàng)物理指標(biāo)均符合規(guī)范要求，但都已經(jīng)接近規(guī)范極值，從而說明不能滿足路用性能要求.

從表2可以看出，回收瀝青低溫性能已經(jīng)較差.該RAP料瀝青針入度滿足規(guī)范規(guī)定，達(dá)到回收利用的要求.

表1 舊集料性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 回收瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

1.2 新瀝青

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的再生瀝青混合料中RAP料摻量高達(dá)80%，針入度以及延度有較大程度的減小，軟化點(diǎn)升高較為明顯，故而加入高標(biāo)號(hào)新瀝青，對(duì)回收瀝青進(jìn)行調(diào)和.選用的新瀝青為茂名石化90號(hào)，符合再生需求.新瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 新瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 新集料

為了使本試驗(yàn)的全再生瀝青混合料具備規(guī)范要求的路用性能，還需加入新集料，調(diào)整其級(jí)配.參照舊料中集料的級(jí)配及其各項(xiàng)性能，新集料全部為10～20 mm石灰?guī)r，針片狀含量<5%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

2 舊瀝青再生

目前，主要通過再生劑以及新瀝青調(diào)和回收瀝青，恢復(fù)其部分性能，實(shí)現(xiàn)回收瀝青再生.其原理是改變舊料瀝青中的部分組分結(jié)構(gòu)，從而將回收瀝青的黏彈性、溫度穩(wěn)定性等性能進(jìn)行恢復(fù)，使其可以再次具有良好的路用性能[6].本研究主要依據(jù)舊料中瀝青老化情況以及試驗(yàn)采用的廠拌熱再生技術(shù)，選擇同時(shí)加入適當(dāng)劑量的再生劑及高標(biāo)號(hào)新瀝青再生舊料中的回收瀝青[7-8].試驗(yàn)使用某公司研制的一種新型配方再生劑.為確認(rèn)再生劑最佳摻量，將舊料瀝青分為3組，加熱到110～120 ℃后，各摻入舊瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、5%、6%的再生劑劑量，靜置時(shí)間為6 h.根據(jù)規(guī)范的要求，測(cè)試其25 ℃時(shí)的針入度，15 ℃時(shí)的延度以及軟化點(diǎn).試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 再生劑不同摻量下的瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過加入適量的再生劑，可以將回收瀝青的針入度恢復(fù)到路用瀝青的技術(shù)要求.隨再生劑摻量的增加，舊料瀝青的針入度提高，延度增大，軟化點(diǎn)降低；再生劑摻量為5%時(shí)，對(duì)再生瀝青性能改善效果較好；再生劑摻量增加到6%時(shí)，瀝青性能指標(biāo)提高不大.因此，選擇加入舊瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的再生劑作為試驗(yàn)摻量.

選用茂名石化90號(hào)瀝青作為新瀝青，摻量是回收舊料中老化瀝青質(zhì)量的28%.試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 再生瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，再生后的瀝青性能已經(jīng)基本達(dá)到70號(hào)新瀝青性能，再生效果較好.

3 再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 礦料組成設(shè)計(jì)

圖2 全再生瀝青混合料合成級(jí)配

全再生混合料配合比設(shè)計(jì)包含確定集料級(jí)配類型以及選擇瀝青舊料摻量.由于瀝青舊料摻量與其各項(xiàng)性質(zhì)有關(guān)，所以根據(jù)RAP料的級(jí)配及性能情況，選擇恰當(dāng)?shù)男录细淖兣f料級(jí)配，使其具備較好的路用性能.本試驗(yàn)?zāi)康氖窃跐M足路用性能的前提下，盡量多的利用RAP料，所以根據(jù)RAP料和新料級(jí)配和性能，采用的RAP料摻量較高，達(dá)到了80%.其中，各組分比例為8～16 mm舊料∶0～8 mm舊料∶10～20 mm石灰?guī)r(新集料)=30%∶50%∶20%.試驗(yàn)通過單級(jí)配新料調(diào)整全再生瀝青混合料級(jí)配，具體見圖2.

3.2 最佳瀝青用量

由于長(zhǎng)期使用RAP料會(huì)出現(xiàn)集料棱角性降低、礦料間隙率減小的情況，易導(dǎo)致瀝青過飽和，故而設(shè)計(jì)全瀝青混合料的目標(biāo)空隙率為4.5%,合成級(jí)配為AC-16C型.混合料設(shè)計(jì)油石比分別為4.2%、4.5%、4.8%、5.1%、5.4%，先計(jì)算混合料所需瀝青的總質(zhì)量，再計(jì)算瀝青舊料中已有的老化瀝青質(zhì)量和摻入的再生劑質(zhì)量，最后確定添加的新瀝青用量.將新料、舊料、瀝青按規(guī)范要求，在不同溫度條件下分別加熱，在拌和機(jī)中拌和，用擊實(shí)法制作馬歇爾試件.通過5個(gè)不同油石比混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比各油石比瀝青混合料性能，最終計(jì)算出最佳瀝青用量.馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表6.由試驗(yàn)結(jié)果確定最佳油石比為4.8%.規(guī)范要求為空隙率3%～6%、礦料間隙率≥14%、瀝青飽和度65%～75%、穩(wěn)定度≥8 kN、流值1.5～4 mm.

表6 全再生瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

4 全再生瀝青混合料路用性能

4.1 高溫性能

通過車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)全瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.試驗(yàn)溫度為60 ℃，荷載為0.7 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見表7.從表7中可以看出，全再生AC-16C混合料在60 ℃時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度均超過4 100次/mm，可知其具備良好的高溫性能.這是由于全再生混合料中瀝青舊料的摻量高達(dá)80%，回收的瀝青在長(zhǎng)期使用后老化，瀝青質(zhì)含量增加，導(dǎo)致瀝青變硬，軟化點(diǎn)升高，黏度增大，從而具有較好的抵抗車轍產(chǎn)生能力及減少因高溫剪切應(yīng)力導(dǎo)致的變形能力[9-10].選擇的超高舊料摻配率充分發(fā)揮了RAP料的高溫性能，具有較高的動(dòng)穩(wěn)定度，可以有效減小瀝青路面的永久變形.

表7 AC-16C瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

4.2 低溫性能

通過試驗(yàn)溫度為-10 ℃時(shí)的小梁彎曲試驗(yàn)，評(píng)價(jià)全再生瀝青混合料低溫性能.試驗(yàn)結(jié)果見表8.

表8 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表8中可以看出，全再生瀝青混合料破壞應(yīng)變均大于規(guī)范要求，表明其低溫性能較好.這是由于RAP料中的老化瀝青本身延度較好，而再生劑以及新瀝青的加入又可以有效提高其低溫抗裂性[11-13].本試驗(yàn)摻加的再生劑和90號(hào)新瀝青對(duì)舊料瀝青的低溫抗裂性能恢復(fù)效果較好，滿足低溫抗裂性要求.

4.3 水穩(wěn)定性

對(duì)全再生瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)以及凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以測(cè)試其水穩(wěn)定性.試驗(yàn)結(jié)果分別見表9、表10.從試驗(yàn)結(jié)果可看出全再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比均大于85%，從而說明水穩(wěn)定性能滿足要求.

表9 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表10 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

RAP料中的瀝青老化會(huì)導(dǎo)致混合料黏附性能不佳、水穩(wěn)定性不足[14].本試驗(yàn)的全再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能較好，是因?yàn)樵囼?yàn)使用的RAP料中瀝青老化情況不是很嚴(yán)重，再生劑對(duì)舊料瀝青黏附性的改善作用較好.在高溫拌合過程中，RAP料上的舊瀝青會(huì)與新加入瀝青部分互溶，從而增加瀝青薄膜，使水更難侵入瀝青-集料界面，從而減弱其剝離作用[15-16].試驗(yàn)新加入的瀝青為高標(biāo)號(hào)的90號(hào)瀝青，使全再生瀝青混合料的黏聚力得到了較大的提升，提高了混合料的水穩(wěn)定性.

5 結(jié)論

1) 根據(jù)原舊料級(jí)配情況，適當(dāng)添加單級(jí)配的新料，可使混合料礦料級(jí)配滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)超高RAP料摻量的瀝青混合料全再生.

2) 在舊瀝青中，摻加適量再生劑后，再加入高標(biāo)號(hào)新瀝青，對(duì)舊瀝青性能具有較好的恢復(fù)效果.

3) 全再生AC-16C混合料60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到4 000次/mm以上，-10 ℃彎拉應(yīng)變達(dá)到3 000以上，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均大于85%，因而摻加適當(dāng)新礦料、再生劑和新瀝青的全再生瀝青混合料具有良好的路用性能.