RAP分級(jí)對(duì)熱再生瀝青混合料路用性能變異性的影響

劉燕燕,裘秋波,紀(jì)文強(qiáng),龐露林,李 寧,唐 偉,詹 賀

(1.浙江順暢高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司,浙江 杭州 310051；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

1 概述

瀝青路面養(yǎng)護(hù)面臨著環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻、基礎(chǔ)建設(shè)原材料緊缺與大量RAP廢棄的多重矛盾，RAP的高效再生利用將成為公路養(yǎng)護(hù)必然的發(fā)展趨勢(shì)[1-4]。再生瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中由于缺乏對(duì)RAP變異性的精細(xì)化考慮，導(dǎo)致再生混合料存在較大的變異性[5-6]，影響再生混合料的路用性能。HONG[7]等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明RAP中的材料變異性會(huì)導(dǎo)致使用再生路面性能發(fā)生不同程度的變異。MCDANIEL[8]等也認(rèn)為控制RAP的變異性是保持再生混合料性能穩(wěn)定的關(guān)鍵點(diǎn)。張明杰[9]等提出了采用分層銑刨的方式來(lái)降低RAP的變異性，但是降低的幅度有限且影響施工效率。因此本文首先分析RAP的變異性，采用控制關(guān)鍵篩孔的方式對(duì)RAP進(jìn)行分級(jí)，然后研究分級(jí)后RAP級(jí)配和油石比的變化規(guī)律，最后分析RAP分級(jí)對(duì)熱再生瀝青混合料路用性能及其變異性的影響。

2 原材料與評(píng)價(jià)方法

2.1 原材料

RAP采用某高速使用年限為11 a的上面層SMA-13銑刨料，RAP性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 RAP性能指標(biāo)Table 1 Properties of RAP類別RAP的指標(biāo)抽提老化瀝青砂當(dāng)量/ %含水率/ %針入度/ 0.1mm軟化點(diǎn)/ ℃5 ℃延度/cm檢測(cè)值640.9824.571.80.8技術(shù)要求>55<3.00>20.0實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1再生混合料制備方法

再生瀝青混合料中RAP摻量為30%，RAP、再生劑分別保溫至130 ℃和120 ℃，將再生劑均勻噴灑到RAP上，在175 ℃的拌鍋中拌和90 s，加入新集料與新瀝青后拌和90 s，即制得熱再生瀝青混合料。

2.2.2再生混合料制備方法

采用全自動(dòng)抽提儀對(duì)RAP和再生瀝青混合料進(jìn)行抽提，測(cè)定混合料的油石比和級(jí)配。

2.2.3路用性能試驗(yàn)

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)，采用高溫車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)分別測(cè)試再生瀝青混合料的高低溫性能和水穩(wěn)定性。

3 RAP變異性計(jì)算方法

RAP的變異性包含RAP級(jí)配、RAP中集料級(jí)配與油石比的變異性，其中RAP級(jí)配是指將路面銑刨所得RAP直接篩分測(cè)定的級(jí)配，RAP中集料級(jí)配是指將RAP進(jìn)行抽提后篩分集料測(cè)定的級(jí)配。為了定量評(píng)價(jià)RAP的變異性，本文引入變異系數(shù)CV來(lái)衡量RAP中級(jí)配和油石比的變異程度。變異系數(shù)的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 RAP分級(jí)關(guān)鍵篩孔的確定

4.1.1RAP的變異性分析

將RAP進(jìn)行6次抽提平行試驗(yàn)，RAP的集料級(jí)配平均值與變異系數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 集料級(jí)配平均值與變異系數(shù)

從圖1可以看出，RAP抽提集料的篩孔通過(guò)率均超出了級(jí)配規(guī)范上限，說(shuō)明原路面集料在長(zhǎng)期車輛荷載作用和冷銑刨作用下發(fā)生了一定細(xì)化，尤其4.75 mm篩孔處通過(guò)率變化幅度最大。集料級(jí)配的變異系數(shù)隨篩孔尺寸的增加先增大后降低，細(xì)集料的變異系數(shù)顯著大于粗集料，4.75 mm篩孔處變異系數(shù)達(dá)最大值。4.75 mm作為SMA瀝青混合料支撐骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵篩孔，其變異程度最大，說(shuō)明篩孔處的RAP質(zhì)量較難控制，波動(dòng)性較大。RAP的油石比平均值為6.7%，變異系數(shù)為8.17，油石比的變異程度遠(yuǎn)大于集料級(jí)配，從而導(dǎo)致RAP的變異性增加。

4.1.2RAP細(xì)料關(guān)鍵篩孔的確定

參考美國(guó)NCHRP SYNTHESIS-495報(bào)告中對(duì)RAP級(jí)配及油石比變異性的控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定RAP細(xì)料分級(jí)的關(guān)鍵篩孔[10]，由圖1可知抽提集料在2.36、4.75 mm篩孔的變異性較大，初選與集料粒徑相近的3、5 mm作為RAP細(xì)料分級(jí)的關(guān)鍵篩孔，0～3、0～5 mm檔RAP的級(jí)配通過(guò)率、變異系數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 RAP級(jí)配通過(guò)率Table 2 Gradation pass rate of RAPRAP尺寸/mm不同篩孔(mm)的通過(guò)率/%4.752.361.180.60.3油石比/%0～397.971.346.326.107.40～5100.070.529.816.507.8

表3 RAP級(jí)配變異系數(shù)Table 3 CV of RAPRAP尺寸/mm不同篩孔(mm)的變異系數(shù)4.752.361.180.60.3變異性NCHRP控制標(biāo)準(zhǔn)0～30.008 0.0270.015 0.021 00.046≤0.050～50.0000.0740.063 0.074 00.105≤0.10

由表2可以看出，0～5 mm檔RAP的破碎篩分效果良好，4.75 mm篩孔的通過(guò)率達(dá)97%以上，該檔RAP在充分篩分后可以全部通過(guò)4.75 mm篩孔。0～3 mm檔RAP在充分篩分后2.36 mm篩孔的篩上含量仍有30%，RAP破碎篩分效果不佳，主要原因?yàn)檩^小粒徑的RAP極易在篩孔處結(jié)團(tuán)聚集，振篩機(jī)很難將RAP篩分完全。

從RAP級(jí)配變異系數(shù)來(lái)看，0～5 mm檔RAP細(xì)集料的級(jí)配和油石比變異系數(shù)均滿足NCHRP再生報(bào)告的控制標(biāo)準(zhǔn)，0～3 mm檔RAP易結(jié)團(tuán)導(dǎo)致油石比變異性偏大，據(jù)此將RAP細(xì)料分級(jí)的關(guān)鍵篩孔定為5 mm。

4.1.3RAP粗料關(guān)鍵篩孔的確定

RAP分級(jí)關(guān)鍵篩孔的確定主要考慮分檔后各檔RAP質(zhì)量的均衡性及變異性控制效果。由于RAP粗料變異性較小，主要考慮各檔RAP的質(zhì)量均衡性確定RAP粗料的分級(jí)關(guān)鍵篩孔，RAP的通過(guò)率見(jiàn)表4。

基于各檔RAP均衡性的原則，每檔RAP粗料占總量的比例應(yīng)不得低于30%。從表4可以看出，RAP粗料在13.2 mm處的篩上含量約為7%，9.5 mm處的篩上含量約為28%，因此RAP粗料分級(jí)關(guān)鍵篩孔應(yīng)分布在9.5～13.2 mm，結(jié)合RAP篩分的施工工藝，將RAP粗料的關(guān)鍵篩孔定為12 mm。根據(jù)關(guān)鍵篩孔將RAP分為以下3級(jí)(見(jiàn)圖2)。

表4 RAP的通過(guò)率Table 4 Gradation pass rate of RAP試驗(yàn)次數(shù)不同篩孔尺寸(mm)的通過(guò)率/%1613.29.54.752.361.180.60.3①10092.471.630.215.310.64.90②10093.172.331.116.311.05.70③10092.171.329.714.29.94.40④10094.573.133.217.912.46.00⑤10097.175.035.118.514.96.50⑥10089.268.328.113.613.44.00平均值10093.1 71.9 31.2 1612.0.5.3 0

(a) 12～22 mm

4.2 分級(jí)對(duì)RAP集料級(jí)配及油石比變異性的影響

4.2.1分級(jí)對(duì)集料級(jí)配及油石比的影響

分別選取6組分檔后的RAP進(jìn)行抽提篩分，分級(jí)前后RAP的集料級(jí)配與油石比結(jié)果分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 分級(jí)前后集料級(jí)配曲線圖

圖4 分級(jí)前后油石比圖

從分級(jí)前后的集料級(jí)配和油石比可以看出，分級(jí)后RAP粗料質(zhì)量較為穩(wěn)定，細(xì)料的波動(dòng)性仍較大，分級(jí)對(duì)降低RAP粗料變異性的效果顯著。

4.2.2分級(jí)對(duì)RAP變異性控制效果的影響

采用變異系數(shù)對(duì)分級(jí)前后各檔RAP的變異性進(jìn)行量化分析，集料通過(guò)率和油石比變異系數(shù)分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 分級(jí)前后各篩孔變異系數(shù)圖

圖6 分級(jí)前后油石比變異系數(shù)圖

由圖5各篩孔集料通過(guò)率的變異系數(shù)可以看出，隨著RAP分級(jí)粒徑的增加變異系數(shù)有所下降，4.75 mm篩孔處的變異系數(shù)下降最為顯著，分級(jí)后的0～5、5～12、12～22 mm相比于未分檔前分別下降了約100%、93%和80%，分級(jí)可以顯著降低4.75 mm篩孔集料通過(guò)率的變異性。從油石比變異程度來(lái)看，分級(jí)后的0～5、5～12、12～22 mm相比于未分檔前分別下降了36%、63%和75%，RAP細(xì)料的油石比變異性下降程度較小，主要原因?yàn)?～5 mm檔RAP細(xì)料中含有較多的細(xì)集料和填料，其比表面積大，能夠吸附更多瀝青產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。整體來(lái)看分級(jí)有助于降低RAP集料級(jí)配和油石比的變異性。

4.3 RAP分級(jí)對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響

4.3.1RAP分級(jí)對(duì)再生瀝青混合料變異性的影響

再生瀝青混合料的變異性來(lái)源于RAP和新瀝青混合料，且與兩者所占比例有較大關(guān)系。再生瀝青混合料的變異性計(jì)算如式(4)。

CVr=αCVa+(1-α)CVv

(4)

式中：CVr為再生混合料變異系數(shù)，無(wú)量綱；CVa為RAP變異系數(shù)；CVv為新瀝青混合料變異系數(shù)；α為RAP摻量，%。

采用分級(jí)前后RAP的再生瀝青混合料級(jí)配及油石比見(jiàn)表5。

從表5可以看出使用未分級(jí)RAP的再生瀝青混合料級(jí)配和油石比均存在一定波動(dòng)性，油石比的偏差為0.386%，9.5 mm的通過(guò)率偏差達(dá)3.955%，0.075 mm的達(dá)2.042%，這3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均接近或者已經(jīng)不滿足NCHRP的規(guī)范偏差允許值；采用分級(jí)后RAP制備的再生瀝青混合料級(jí)配和油石比偏差均滿足規(guī)范允許值，可見(jiàn)再生混合料的級(jí)配和油石比均得到有效控制。

表5 再生瀝青混合料的級(jí)配和油石比Table 5 Gradation and Asphalt-stone ratio of recycled asphalt mixture項(xiàng)目油石比/%不同篩孔(mm)的通過(guò)率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07516.2210095.363.628.522.718.515.713.41210.8RAP分級(jí)前25.4610093.657.922.318.714.212.19.68.46.935.7210094.356.026.822.716.314.211.410.89.9 標(biāo)準(zhǔn)差0.38600.8543.9553.2042.3092.1501.8081.9011.8332.04216.0810092.162.829.22117.614.912.210.38.9RAP分級(jí)后25.8610094.061.926.320.217.114.111.39.68.335.9410092.763.027.919.816.914.312.09.28.1 標(biāo)準(zhǔn)差0.11100.9710.5861.4530.6110.3610.4160.4730.5570.416 設(shè)計(jì)值5.910093.161.525.119.316.113.111.1108.6規(guī)范偏差允許值±0.3%±4% ±5% ±2%

4.3.2RAP分級(jí)對(duì)再生瀝青混合料路用性能變異性的影響

a.高溫性能。

RAP分級(jí)前后動(dòng)穩(wěn)定度DS試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，高溫性能良好，RAP分級(jí)后動(dòng)穩(wěn)定度提升了6.5%，變異系數(shù)下降了59.3%，RAP分級(jí)后顯著降低了混合料高溫性能的變異性。再生瀝青混合料的高溫性能主要受優(yōu)良的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)與老化瀝青流變特性的影響，RAP分級(jí)后集料級(jí)配和油石比變異性得到了有效控制，有助于降低高溫性能的變異性。

表6 RAP分級(jí)前后車轍動(dòng)穩(wěn)定度Table 6 DS of recycled mixture before and after grading材料動(dòng)穩(wěn)定度 /次①②③④⑤⑥平均值變異系數(shù)使用分級(jí)前RAP料6 7549 8657 5197 7718 9346 1128 1260.155使用分級(jí)后RAP料8 8989 2347 8668 0349 2498 6578 6560.063注: 技術(shù)要求為≥3 000次。

b.低溫性能。

低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 分級(jí)前后彎曲試驗(yàn)最大彎拉應(yīng)變Table 7 Ultimate flexural strain of bending test before and after grading材料最大彎拉應(yīng)變 / με①②③④⑤⑥平均值變異系數(shù)使用分級(jí)前RAP料3 345 4 032 3 472 3 867 3 629 3 676 3 6702.30使用分級(jí)后RAP料3 822 4 144 4 042 3 432 3 943 3 711 3 8492.33 注: 技術(shù)要求為≥2 500 με。

從表7可以看出，RAP分級(jí)后再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變提升了4.8%，變異系數(shù)基本無(wú)變化，表明RAP分級(jí)對(duì)再生瀝青混合料的低溫性能及其變異性控制無(wú)明顯的改善效果。由于再生瀝青混合料的低溫性能主要受瀝青性能的影響[11]，再生瀝青混合料中RAP摻量?jī)H為30%，老化瀝青添加再生劑和新瀝青再生后性能基本可以達(dá)到新瀝青的水平，因此RAP分級(jí)對(duì)再生瀝青混合料低溫性能的影響較小。

c.水穩(wěn)定性。

研究表明[12-13]浸水馬歇爾試驗(yàn)不能有效反映實(shí)際路用性能的水穩(wěn)定性，采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性，RAP分級(jí)前后凍融劈裂強(qiáng)度比見(jiàn)表8。

表8 RAP分級(jí)前后凍融劈裂強(qiáng)度比Table 8 TSR before and after grading材料凍融劈裂強(qiáng)度比TSR/%①②③④⑤⑥平均值變異系數(shù)使用分級(jí)前RAP料81.2 82.4 83.7 79.2 82.1 82.9 81.9 1.432 使用分級(jí)后RAP料85.2 84.1 84.8 86.5 83.7 84.0 84.7 0.944 注: 技術(shù)要求為≥80%。

RAP分級(jí)后再生瀝青混合料的TSR增加了3.4%，變異系數(shù)下降了34%，表明分級(jí)可以有效降低再生混合料水穩(wěn)定性的變異性。級(jí)配是影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要因素[14-17]，RAP分級(jí)明顯降低了級(jí)配和油石比的變異性，從而有效控制再生混合料中4.75、9.5 mm等關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率，使再生混合料的級(jí)配更接近設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)論

a.RAP細(xì)料的油石比和集料級(jí)配均具有較大的變異性，結(jié)合NCHRP報(bào)告和RAP篩分工藝確定了RAP粗料、細(xì)料分級(jí)的關(guān)鍵篩孔分別為12、5 mm。

b.RAP分級(jí)可以有效控制集料級(jí)配和油石比的變異性，4.75 mm關(guān)鍵篩孔處的變異系數(shù)下降幅度達(dá)80%以上；分級(jí)后RAP粗料的集料級(jí)配和油石比均比較穩(wěn)定，細(xì)料的波動(dòng)性仍較大，總體上RAP分級(jí)有助于降低級(jí)配和油石比的變異性。

c.RAP分級(jí)可以提升再生瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性，有效降低了動(dòng)穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比的變異性，對(duì)最大彎拉應(yīng)變的變異性影響較小。