高摻量RAP材料的廠拌熱再生混合料設(shè)計及應(yīng)用

王騰，黃軍瑞

(山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357)

0 引言

我國高等級公路瀝青路面陸續(xù)進入養(yǎng)護維修階段，維修養(yǎng)護數(shù)量不斷增加，路面翻修過程中產(chǎn)生大量廢舊瀝青混合料。廠拌熱再生技術(shù)是一種應(yīng)用較為廣泛的再生技術(shù)，在國內(nèi)的廠拌熱再生瀝青混合料中，回收瀝青路面(reclaim asphalt pavement，RAP)材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(簡稱摻量)大多為10%～25%[1-3]，施工完成后RAP料多有剩余，RAP料的過多堆積和廢棄帶來諸多后續(xù)經(jīng)濟和環(huán)境問題[4-8]；同時，高比例摻加RAP料往往使得施工溫度難以保證，直接影響其成型質(zhì)量，難以保證生產(chǎn)效率和再生混合料性能[9-13]。實現(xiàn)高速公路路面舊料的高摻量、大比例回收利用，符合節(jié)能減排、新舊動能轉(zhuǎn)換以及建設(shè)節(jié)約型社會的主旋律，是路面養(yǎng)護發(fā)展的必然趨勢[14]。

國內(nèi)外學(xué)者對廠拌熱再生過程中RAP料的摻量問題展開了廣泛的研究。美國在20世紀(jì)末已經(jīng)先后在喬治亞州和路易斯安那州對RAP摻量為10%～40%和20%～50%的廠拌熱再生瀝青混合料與不添加RAP的瀝青混合料進行試驗路鋪筑，結(jié)果表明：熱再生路面和新拌瀝青混合料路面并沒有表現(xiàn)出明顯的差異，其各項路用性能指標(biāo)相當(dāng)。以美國為首的西方國家已經(jīng)形成一套比較完整的瀝青路面再生利用技術(shù)[15-19]。國內(nèi)對瀝青路面再生利用技術(shù)的研究大致可以分為20世紀(jì)80年代末之前和20世紀(jì)90年代以后2個階段，主要針對廠拌熱再生混合料的拌和溫度、拌和時間、RAP摻量等進行系統(tǒng)的研究，如何提高RAP摻量并使再生混合料有較好的路用效果成為研究的重點[20-22]。朱海廷[23]、程英偉等[24]確定廠拌熱再生混合料的最佳RAP摻量范圍為10%～25%，但隨著RAP摻量的增加，路用性能降低。楊林等[25]、高崇等[26]研究在施工工藝及試驗方法的影響下，RAP的有效再生率及不同RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

本研究依托實際工程，通過添加再生劑、對RAP分規(guī)格處理、控制新舊料加熱溫度、優(yōu)化拌和工藝等措施達到提高RAP摻量的目的，實現(xiàn)舊料的高摻量、大比例回收利用，并在實際工程中鋪設(shè)試驗路段，取得良好的應(yīng)用效果。

1 試驗材料

1.1 新瀝青

本試驗采用70#道路石油瀝青，其各項指標(biāo)如表1所示。

表1 70#道路石油瀝青檢測結(jié)果

1.2 RAP料

將RAP篩分為細(xì)料和粗料2種規(guī)格以便于配合比設(shè)計，同時還可以消除銑刨料中超粒徑顆粒，達到準(zhǔn)確控制熱再生瀝青混合料的合成級配，進而實現(xiàn)在高摻量RAP料情況下級配滿足規(guī)范要求的目的。

1.3 新集料和填料

新集料和填料采用石灰?guī)r礦料，石灰?guī)r礦料取自拌和站不同熱料倉中的集料。集料的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足文獻[27]要求，礦料密度試驗結(jié)果如表2所示。

表2 礦料密度試驗結(jié)果

1.4 再生劑

再生劑選用HRA-1型瀝青再生劑，主要是含飽和分和芳香分較多的輕質(zhì)油。舊瀝青在路面使用過程中發(fā)生老化，因輕質(zhì)組分揮發(fā)造成瀝青變硬變脆，如果在老化瀝青中加入再生劑拌和，可以起到補充舊瀝青輕質(zhì)組分的比例，恢復(fù)老化瀝青路用性能的作用。再生劑各項指標(biāo)的檢測結(jié)果如表3所示。

表3 再生劑的各項指標(biāo)檢測結(jié)果

2 混合料配合比設(shè)計及性能驗證

2.1 舊料檢測

在對再生瀝青混合料進行配合比設(shè)計之前，必須通過試驗準(zhǔn)確測定RAP材料的相關(guān)性能指標(biāo)。本研究采用Auto extractor 20-1120 Infra Test高速離心抽提儀、RE-2000B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器對RAP料進行抽提、回收，測定回收瀝青3大指標(biāo)及RAP材料中瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，經(jīng)過篩分試驗確定舊料級配，檢測結(jié)果如表4～5所示。

表4 RAP試驗結(jié)果

表5 RAP抽提篩分各篩孔的通過率

通過對RAP材料的檢測，對比規(guī)范[27]中瀝青和礦料級配的范圍，可以看出舊瀝青發(fā)生明顯老化，路面礦料級配明顯細(xì)化。在進行高摻量RAP材料設(shè)計時，建議摻加再生劑調(diào)和、恢復(fù)舊瀝青的性能，并且添加新集料，調(diào)整合成級配滿足規(guī)范要求。

表6 再生劑摻量不同時舊瀝青性能指標(biāo)

2.2 確定再生劑摻量

再生劑摻量采用2%、3%、4%和5%摻入回收瀝青進行指標(biāo)檢測，分析其對回收瀝青性能的再生恢復(fù)情況，檢測結(jié)果如表6所示。

圖1 不同摻量級配曲線

由表6可知，隨著再生劑摻量的增加，舊瀝青的針入度和延度逐漸增大，軟化點降低，說明再生劑對舊瀝青起到了再生恢復(fù)作用；而當(dāng)再生劑摻量達到5%時，舊瀝青性能變化不大，說明再生劑的再生效果有一定局限性。采用再生劑摻量為4%時，則再生瀝青的25 ℃針入度、軟化點和10 ℃延度指標(biāo)可以滿足70#道路石油瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。綜合技術(shù)、經(jīng)濟因素，確定再生劑摻量為舊瀝青用量的4%。

2.3 合成級配設(shè)計

擬定RAP料的摻量為40%(方案1)、50%(方案2)和60%(方案3)，根據(jù)AC-20的礦料級配要求及各材料的篩分結(jié)果，控制粗細(xì)料摻加比例，調(diào)整RAP料不同摻量條件下的配比，使得合成級配符合規(guī)范要求，如圖1及表7所示。

表7 不同方案混合料中集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.4 確定最佳瀝青用量

利用馬歇爾試驗方法確定熱再生瀝青混合料的最佳總瀝青用量，使新舊料拌和時能夠充分進行混融，針對RAP料的不同摻量，調(diào)整不同新舊料加熱溫度，其溫度設(shè)置及最佳瀝青用量如表8～9所示。

表8 新舊料加熱溫度設(shè)置

表9 不同RAP料摻量下最佳瀝青用量及性能

由表9可知，再生混合料中瀝青的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著RAP料摻量的增加而降低，從馬歇爾試驗得到的結(jié)果來看，3個方案的再生混合料性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。

2.5 路用性能驗證

通過試驗得到高摻量熱再生瀝青混合料的配合比和最佳瀝青用量，進行路用性能驗證，主要測試材料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能，分別采用高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗以表征其路用性能，3種RAP摻量的熱再生瀝青混合料試驗結(jié)果如表10所示。

表10 不同RAP料摻量路用性能對比

由表10可知，高摻量熱再生混合料的高溫性能都遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，原因是RAP材料中的舊瀝青發(fā)生老化，在高溫條件下不宜發(fā)生變形，耐高溫性能提高，RAP材料摻量的提高使再生混合料具有較好的高溫性能；而低溫抗裂性以及水穩(wěn)性能隨著RAP材料摻量的增加不斷下降，當(dāng)RAP材料摻量為60%時，其低溫及水穩(wěn)性能不滿足規(guī)范要求，表明當(dāng)RAP材料摻量較高時，再生路面容易產(chǎn)生開裂和水損害。因此，當(dāng)RAP材料摻量為40%～50%時，熱再生瀝青混合料具有較好的路用性能。

3 工程應(yīng)用

2018-11—12，在山東省日照市某國道改擴建項目中鋪設(shè)4.2 km試驗路段，下層采用AC-20高摻量廠拌熱再生技術(shù)材料，采用設(shè)計方案1和2，并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，控制生產(chǎn)關(guān)鍵步驟，保證高摻量廠拌熱再生瀝青混合料的生產(chǎn)質(zhì)量。

3.1 設(shè)備改造

在混合料生產(chǎn)階段，首先對間歇式拌和設(shè)備進行改裝，組合成一套間歇式熱再生瀝青混合料生產(chǎn)設(shè)備，將舊料加熱筒安裝在拌和樓熱料倉的上部，將冷的RAP通過垂直提升機提升到舊料加熱筒，然后在重力的作用下，加熱的舊料下落到攪拌鍋和新料拌和。

3.2 新舊料加熱溫度控制

為滿足設(shè)計方案中對新舊料加熱溫度的要求，生產(chǎn)過程中需要將RAP料的加熱溫度穩(wěn)定調(diào)控到120 ℃，既可以防止過高的加熱溫度使RAP料老化，又可以保證RAP料具有一定的溫度，利于新舊瀝青融合。RAP料摻量不同，新料的加熱溫度不同，隨著RAP料摻量的增加，新料的加熱溫度也隨之增加，以保證熱再生瀝青混合料具有較好的拌和溫度，從而決定最終混合料的出料溫度。RAP料的加熱溫度設(shè)置如表11所示。

表11 生產(chǎn)溫度設(shè)置 ℃

3.3 優(yōu)化拌和工藝

將瀝青再生劑與RAP料在平行滾筒中混合并提前拌和，拌和時間為180 s，充分發(fā)揮再生劑對RAP料的再生恢復(fù)作用。再生后的RAP料與新礦料一同投入拌缸干拌，比普通熱拌瀝青混合料的拌和時間延長3～5 s，保證將新礦料熱量傳遞給RAP料，同時達到混合均勻的效果。噴入已稱量好的瀝青進行拌和，最后加入礦粉等。拌和工藝流程如圖2所示。

圖2 混合料拌和流程圖

通過上述優(yōu)化設(shè)計，在試驗路段鋪設(shè)RAP料摻量為40%和50%的廠拌熱再生瀝青路面材料。該路段現(xiàn)已通車2個月，試驗路段的壓實度、摩擦系數(shù)、滲水、平整度等指標(biāo)與普通路段相同，說明高摻量廠拌熱再生瀝青混合料具有良好的路用性能。

4 結(jié)論

1)廠拌熱再生瀝青混合料的RAP料摻量在40%～60%時，再生混合料性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求；RAP料摻量超過60%時，熱再生混合料的路用性能除高溫性能外均明顯降低，不滿足規(guī)范要求。

2)在配合比設(shè)計過程中，通過RAP料分規(guī)格添加、確定最佳再生劑摻量等措施，可以提高熱再生瀝青混合料的RAP料摻量，確?；旌狭系募夹g(shù)指標(biāo)達到要求。

3)改造設(shè)備、控制加熱溫度和優(yōu)化拌和過程等措施能優(yōu)化廠拌熱再生混合料的生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)RAP料的高摻量應(yīng)用。

4)在工程中應(yīng)用上述優(yōu)化設(shè)計方案，并鋪設(shè)試驗路段進行驗證。截至目前，試驗路段性能良好且未出現(xiàn)裂縫、坑槽等早期路面病害，但對于高摻量廠拌熱再生瀝青路面的長期性能表現(xiàn)還需要日后進行跟蹤檢測。