60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料性能研究

江 鋒

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢 430051)

瀝青路面設(shè)計使用年限一般為15年，然而由于種種原因，大部分瀝青路面往往使用不到設(shè)計年限就會出現(xiàn)不同程度的病害，影響行車舒適性，甚至危及行車安全。在對舊路面進行維修整治過程中，往往會產(chǎn)生大量的舊路面回收材料(RAP)，針對這些RAP材料的處理目前仍以堆放為主，回收利用率不高，不僅污染環(huán)境，還會導致大量的RAP資源被浪費[1]。

將RAP回收再生，重新用于路面的鋪筑中，是RAP變廢為寶的主要途徑[2]。但由于RAP存在級配變異性較大、拌和站加熱困難、性能下降過大等原因，目前在廠拌熱再生瀝青混合料中RAP摻量并不高，室內(nèi)試驗研究大部分采用30%～50%，在實際工程中應用更低，往往不到30%。針對RAP摻量超過50%的廠拌熱再生瀝青混合料性能研究仍鮮有報導[3-5]。如此低的RAP摻配率難以真正解決RAP資源利用問題[6]。

因此，為減少優(yōu)質(zhì)集料的開采及使用，有必要進一步提高廠拌熱再生瀝青混合料中RAP的摻量。鑒于此，本文通過分析可能導致RAP材料難以有效利用的影響因素，提出相應的改進措施；通過室內(nèi)制備60%RAP摻量的瀝青混合料，研究其各項路用性能，為提高廠拌熱再生瀝青混合料中RAP摻量提供理論依據(jù)與試驗基礎(chǔ)。并以湖北省某省道大修改造工程為依托，將60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料應用于該工程路段下面層，以期為該技術(shù)推廣應用提供實踐基礎(chǔ)。

1 材料性能

1.1 再生劑

本文瀝青再生劑采用北京中咨維克路橋工程有限公司生產(chǎn)的HMZS-1型RA-1瀝青再生劑，主要由飽和分和芳香分含量較多的輕質(zhì)油構(gòu)成。其相關(guān)技術(shù)性能指標見表1。

表1 RA-1瀝青再生劑技術(shù)性能檢驗結(jié)果

由表1可知，該再生劑符合JTG/T 5521-2019 《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》以下(簡稱《再生規(guī)范》要求)。

1.2 新集料

由于本文擬設(shè)計AC-20型級配，而從RAP舊礦料篩分結(jié)果來看，其粒徑在9.5 mm以上的粗集料含量極少。因此，為了能夠設(shè)計出合理的級配，需添加粒徑為9.5～19 mm新集料。新集料采用石灰?guī)r，對新集料進行性能檢驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 新集料技術(shù)性能檢驗結(jié)果

由表2可見，新集料各項性能指標均滿足《再生規(guī)范》的技術(shù)要求，可用于熱再生瀝青混合料中。

1.3 回收舊集料

瀝青路面通常采用分層攤鋪，且各瀝青層級配不一。因此，為確保RAP中舊集料的級配不出現(xiàn)較大的變異性，在銑刨過程中建議采用分層銑刨的方式，將同一瀝青層混合料統(tǒng)一堆放，統(tǒng)一處理、利用[7]。本文RAP采用分層銑刨的方式獲取，通過相關(guān)資料可知舊瀝青層級配為AC-16，瀝青為殼牌70號道路石油瀝青。對銑刨料進行隨機取樣共6個，抽提瀝青后測得舊瀝青含量平均值為5.2%，對剩余骨料進行篩分試驗，測得各檔通過率見圖1。

圖1 RAP篩分曲線圖

由圖1可見，級配曲線整體相差不大，各檔級配通過率變異性較小，表明采用分層銑刨可以有效降低級配的變異性。同時，RAP級配曲線高于JTG F40-2018《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《施工規(guī)范》中)AC-16上限，表明RAP中舊集料出現(xiàn)細化現(xiàn)象，這是由于瀝青層在行車荷載反復作用下粗集料出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，同時在銑刨過程中可能存在一部分粗集料被打碎，從而導致RAP中粗集料含量降低，細集料含量增大，材料整體細化。

1.4 回收舊瀝青、新瀝青及再生瀝青

舊瀝青在環(huán)境等因素影響下慢慢老化，各項性能均出現(xiàn)不同程度的下降，因此有必要對舊瀝青剩余性能進行檢測，以判斷其再生利用的可能性[8]。本文采用抽提試驗進行RAP舊瀝青的分離回收，對回收后的舊瀝青進行相應的性能試驗分析，結(jié)果見表3。

試驗中的新瀝青采用殼牌70號道路石油瀝青，主要技術(shù)指標檢驗結(jié)果見表3。

本文在舊瀝青的再生過程中，控制再生劑的摻量為舊瀝青質(zhì)量的10%，再生后的瀝青性能指標檢驗結(jié)果見表3。

表3 回收舊瀝青、新瀝青及再生瀝青性能檢驗結(jié)果

由表3可見，舊瀝青軟化點較高，針入度與延度已遠遠低于規(guī)范要求，這說明舊瀝青老化現(xiàn)象嚴重，需要進行再生處理以恢復其使用性能。新瀝青各項性能指標均符合有關(guān)規(guī)范要求。RAP中回收的瀝青經(jīng)再生后，各項性能指標均滿足《施工規(guī)范》對目標瀝青A-70號道路石油瀝青的技術(shù)要求，甚至較新瀝青指標還有所提升，這進一步表明該再生劑再生性能良好。

2 級配設(shè)計及拌和工藝研究

2.1 級配設(shè)計

選取AC-20型級配，為避免RAP中舊瀝青對級配計算的影響，采用RAP抽提瀝青以后的篩分結(jié)果及新集料篩分結(jié)果進行級配調(diào)整計算?？刂芌AP摻量為60%，新集料摻量為40%，最終合成級配見圖2。

圖2 合成級配曲線圖

采用馬歇爾擊實法確定該級配最佳油石比，試驗結(jié)果見表4。

表4 馬歇爾試驗結(jié)果

根據(jù)表4試驗結(jié)果，結(jié)合《再生規(guī)范》中有關(guān)方法計算最佳油石比為1.2%。本文采用1.2%作為固定油石比進行下一步試驗。

2.2 拌和設(shè)備

在路面實際應用中，由于RAP含有老化的瀝青，直接明火加熱會造成老化瀝青碳化，因此廠拌熱再生RAP加熱往往通過攪拌的方式將新加集料的溫度傳遞至RAP中[9]。這一方式在RAP摻量較低，新料摻量較高時對RAP加熱作用效果較好，而當RAP摻量提高后，新料所含熱量將無法滿足RAP充分加熱的要求，從而造成二者之間拌和效果不佳，進而導致再生混合料性能不足。為避免這一現(xiàn)象發(fā)生，有學者提出采用第二烘干筒設(shè)備對舊RAP材料進行預加熱處理。然而目前第二烘干筒技術(shù)在應用及推廣過程中仍面臨不少問題，如RAP加熱后會粘附于筒壁及運輸管路中，易造成堵塞且難以清理，針對這一問題，未來可通過在筒壁及運輸管路中添加聚四氟乙烯涂層等其他類型“不黏涂層”，以及提高第二烘干筒位置、縮短其與攪拌筒之間的距離等方式解決。

本文主要目的在于對60%RAP摻量條件下廠拌熱再生瀝青混合料進行性能分析，故采用將RAP預加熱的方式模擬第二烘干筒的作用。同時，為了研究RAP加熱溫度對再生混合料的性能影響，選取110，130，150 ℃ 3個不同的預加熱溫度進行對比試驗研究。

2.3 拌和工藝

廠拌熱再生瀝青混合料主要材料包括RAP、再生劑、新瀝青、新集料等，合理的拌和順序及拌和時間對再生瀝青混合料具有不可忽略的影響[10]。本文設(shè)計①再生劑→RAP→新瀝青→新集料；②再生劑→新瀝青→RAP→新集料2種不同拌和順序、在120 s與180 s 2種不同拌和時長下，分析60%RAP摻量條件下廠拌熱再生瀝青混合料拌和順序及時間對其性能的影響。

3 路用性能試驗及結(jié)果分析

分別采用車轍試驗、殘留穩(wěn)定度試驗、凍融劈裂強度試驗及小梁彎曲試驗對60% RAP摻量條件下廠拌熱再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能及低溫抗裂性能進行評價，試驗結(jié)果見表5。

表5 車轍試驗結(jié)果

3.1 高溫穩(wěn)定性

由表5可見，同一預加熱溫度、同一拌和時間條件下，第一種拌和順序動穩(wěn)定度值均高于第二種拌和順序，表明優(yōu)先將再生劑與RAP拌和有助于提高再生瀝青混合料的高溫性能，這是因為再生劑先與RAP混合可以使其和舊瀝青更好地結(jié)合，舊瀝青再生效果更優(yōu)，瀝青的流動性能加強，有利于提高熱再生瀝青混合料的和易性，從而表現(xiàn)出更好的高溫穩(wěn)定性能。

在同一預加熱溫度、同一拌和順序條件下，經(jīng)過180 s拌和的熱再生瀝青混合料較僅拌和120 s的熱再生瀝青混合料高溫性能要好，表明拌和時間的延長能夠使再生劑的再生效果進一步發(fā)揮，促進新舊瀝青之間的融合，因此適當?shù)匮娱L廠拌熱再生瀝青混合料的拌和時間對提高其高溫穩(wěn)定性能具有一定的作用。

在同一拌和順序、同一拌和時間條件下，RAP預加熱溫度越高，廠拌熱再生混合料高溫穩(wěn)定性能越好，且當預加熱溫度達到130 ℃時，其高溫穩(wěn)定性能增長迅速，表明RAP材料普遍使用的預加熱溫度110 ℃難以發(fā)揮其真正的高溫特性。

同時，試驗結(jié)果還表明，盡管RAP摻量為60%，但混合料動穩(wěn)定度結(jié)果仍能滿足《施工規(guī)范》要求。

3.2 水穩(wěn)定性能

由表5可見，RAP預加熱溫度、拌和順序及拌和時間對廠拌熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響規(guī)律與其高溫穩(wěn)定性影響規(guī)律一致。其中RAP預加熱溫度為110 ℃時，混合料凍融劈裂強度比值接近規(guī)范下限，表明RAP預加熱溫度對其水穩(wěn)定性能影響極大，在生產(chǎn)施工過程中需格外重視。

3.3 低溫抗裂性能

從表5低溫彎曲小梁試驗結(jié)果可以看出，60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料低溫抗裂性能普遍較差，其中在RAP預加熱溫度為110 ℃、拌和順序為第一種、拌和時間為120 s的情況下，其最大彎拉應變僅1 962.3×10-6，低于規(guī)范不低于2 000×10-6的要求。這一結(jié)果表明，在良好的拌和工藝前提下，仍需重點關(guān)注60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料低溫性能。

4 工程應用

4.1 拌和樓改造

為解決RAP加熱不充分、不均勻等問題，本項目拌和樓在原有間歇式拌和樓的基礎(chǔ)上添加了一個高位第二烘干筒設(shè)備。該設(shè)備可以有效去除RAP材料中的水蒸氣，以及加熱過程中RAP中輕質(zhì)油分揮發(fā)產(chǎn)生的“藍煙”。第二烘干筒與攪拌缸之間通過密封管道連接，管道表面添加聚四氟乙烯涂層，長度較短、高差較大，可有效避免RAP加熱后輸送過程中熱量的喪失及管道黏料堵塞的現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 拌和樓拌和工藝

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，確定本項目RAP材料在第二烘干筒加熱溫度為130 ℃，總拌和時間為180 s，采用先加入再生劑與RAP材料充分混合料，再添加新集料攪拌，最后再添加新瀝青的攪拌順序。

4.3 應用效果評價

對施工試驗段進行壓實度、平整度、滲水系數(shù)等性能檢測，結(jié)果見表6。

表6 現(xiàn)場檢測結(jié)果

由表6可見，各項試驗檢測結(jié)果均滿足有關(guān)規(guī)范要求，表明60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料能夠滿足道路使用的基本要求，可應用于工程實際。該試驗路段通車1年以后，路面未出現(xiàn)車轍、裂縫等明顯病害，平整度等性能均表現(xiàn)良好，表明60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料具有一定的耐久性能，值得推廣應用。

5 結(jié)語

本文通過分析認為阻礙廠拌熱再生瀝青混合料摻量提高的主要影響因素有RAP材料預加熱溫度、拌和料添加順序、拌和時間3種，并針對這3種因素設(shè)計60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料試驗方案，通過試驗結(jié)果得出如下結(jié)論。

1) 可通過分層銑刨的方式降低RAP級配的變異性，通過添加再生劑等方式恢復甚至提高RAP的各項性能，進而達到提高廠拌熱再生瀝青混合料中RAP摻量的目的。

2) 在實際工程中，采用新料熱傳遞的方式難以使RAP充分加熱，因此在RAP摻入之前，需要對其進行預加熱，可通過添加第二烘干筒等措施來實現(xiàn)，但仍需針對RAP易堵塞運輸管等問題對其進行改進；同時，室內(nèi)試驗證明預加熱溫度宜選擇130～150 ℃之間。

3) 試驗證明60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料拌和時間宜延長至180 s，拌和順序應優(yōu)先將再生劑與RAP拌和，再依次加入新瀝青、新集料進行。

4) 在拌和工藝良好的情況下，60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料各項路用性能均能夠滿足規(guī)范要求，表明如此高的RAP摻量用于生產(chǎn)實踐中具有一定的可行性。

5) 依托工程路面使用性能試驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求，進一步證明60%RAP摻量廠拌熱再生技術(shù)可用于工程生產(chǎn)實踐。