上面層廢舊SMA再生利用配合比設計及性能評價

徐世法，梁凌子，梁峰銘，蔡碩果，高 山，王勝男

(1.北京建筑大學 未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044； 2.北京建筑大學，北京 100044； 3.北京市城市交通基礎設施工程技術研究中心，北京 100044； 4.河南省臺輝高速公路建設有限公司，河南 濮陽 457600; 5.北京特希達交通勘察設計院有限公司，北京 102299； 6.北京市城市道路養(yǎng)護管理中心，北京 100069)

SMA瀝青瑪蹄脂混合料是當前國際上公認的一種抗變形能力強、耐久性能較好的瀝青面層混合料，由于粗集料的良好嵌擠，混合料有非常好的高溫抗車轍能力[1-2]；同時由于瀝青瑪蹄脂的粘結作用，低溫變形性能和水穩(wěn)定性也有較多的改善；添加纖維穩(wěn)定劑，使瀝青結合料保持高粘度，其攤鋪和壓實效果較好，但造價相對較高，在北京高等級道路上面層中實用廣泛。隨著我國城市高等級瀝青道路建設由新建為主逐漸轉為養(yǎng)護、大修為主，頻繁地銑刨或者翻挖產(chǎn)生了大量的廢舊SMA瀝青混合料[3-5]。因此，回收并再生廢舊SMA瀝青混合料具有很強的經(jīng)濟價值及實用意義。

本文采用實際道路大修工程產(chǎn)生的上面層SMA-13廢舊瀝青混合料，研究其性能衰減情況，確定再生劑最佳用量及舊料最佳摻配比，再生混合料路用性能評價等幾個方面入手系統(tǒng)研究了廢舊瀝青再生技術，以期為工程實踐提供參考。

1 原材料性能及其衰減情況分析

1.1 廢舊瀝青及新瀝青

根據(jù)路段原始設計文件，該SMA—13瀝青混合料采用SBS改性瀝青，其各項性能指標滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)中的技術標準。本文通過離心抽提法及旋轉蒸發(fā)法，將廢舊瀝青混合料中的瀝青與集料分離，并分別測試廢舊瀝青的主要性質以及廢舊舊料的級配情況，以反映廢舊瀝青混合料的性能衰減情況。

所提取的廢舊瀝青主要技術指標見表1。

表1 廢舊SBS改性瀝青主要技術指標Table1 MaintechnicalindicatorsofwasteSBSmodifiedas-phalt廢舊瀝青5℃延度/mm軟化點/℃25℃針入度/0.1mm1組472.4632.632組570.8331.853組471.5633.73規(guī)范要求≥20≥6040～60

本文試驗中所新添的SBS改性瀝青為Ⅰ-D類改性瀝青，其各項性能指標應滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)中的技術標準，主要技術指標試驗結果見表2。

表2 新添SBS改性瀝青技術指標Table2 NewSBSmodifiedasphalttechnicalindicators類別針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/mm軟化點(TR&B)/℃試驗值47 34 69技術要求40～60≥20≥60試驗方法T0604T0605T0606

從表中可以看出廢舊瀝青混合料所提取的舊瀝青出現(xiàn)了比較嚴重的老化，針入度降低，軟化點顯著增加，延度顯著降低。因此，廢舊瀝青的性能嚴重衰減，不能滿足使用要求。

1.2 礦料及級配

對舊料抽提后，廢舊集料的篩分結果見表3。

表3 回收料礦料篩分試驗結果Table3 Recycledmineralsscreeningtestresults篩孔/mm通過百分率/%第1次第2次第3次規(guī)范要求/%16.010010010010013.292.693.192.290～1009.585.987.585.350～75 4.7554.253.453.620～34 2.3635.434.735.715～26 1.1824.823.025.314～24 0.624.122.523.612～20 0.319.319.518.910～16 0.1517.417.316.7 9～15 0.07516.115.215.3 8～12

礦物骨料粒度的精細化(細料比例提高)是RAP的重要特征[6]。這是因為在車輛載荷下的瀝青路面受到壓力碾壓使得石料破碎同時，礦物顆粒之間的摩擦也可以引起顆粒表面的磨損，從而增加了瀝青混合物的粉末[7-8]。由篩分結果可知，廢舊集料已不能滿足SMA—13級配規(guī)范通過率要求。需新?lián)郊希ㄟ^合成級配以滿足規(guī)范通過率要求。

2 再生劑摻量對廢舊瀝青主要技術指標影響研究

再生劑主要采用低黏度石油系的礦物油，如精制潤滑油時的抽出油、潤滑油、機油和重油等[9]，為節(jié)省成本，工程上可用上述各種油料的廢料，通過摻入，恢復老化瀝青的原有特性，以滿足路用性能要求是使用瀝青再生劑的目的。本次研究采用糠醛油作為廢舊瀝青再生劑，摻入3%、4%、5%、6%、7%后廢舊瀝青的主要技術指標見表4。

表4 不同再生劑摻量廢舊瀝青主要技術指標Table4 Maintechnicalindicatorsofdifferentregenerantsusedinwasteasphalt廢舊瀝青+3%再生劑廢舊瀝青+4%再生劑廢舊瀝青+5%再生劑廢舊瀝青+6%再生劑廢舊瀝青+7%再生劑類別針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/mm軟化點(TR&B)/℃針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/mm軟化點(TR&B)/℃針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/mm軟化點(TR&B)/℃針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/mm軟化點(TR&B)/℃針入度(25℃,100g,5s)0.1mm延度(5℃,5cm/min)/mm軟化點(TR&B)/℃試驗值53.815.168.254.217.064.054.821.361.256.123.560.258.423.859.1技術要求40～60≥20≥6040～60≥20≥6040～60≥20≥6040～60≥20≥6040～60≥20≥60試驗方法T0604T0605T0606T0604T0605T0606T0604T0605T0606T0604T0605T0606T0604T0605T0606

由表4可知，隨著再生劑摻加量的提高，廢舊瀝青軟化點降低，延性和針入度提高。經(jīng)比較，當再生劑摻量為5%時，針入度、延度及軟化點均可滿足規(guī)范要求。并且當摻加量提高時，軟化點將低于要求；參加量降低時，延度將低于要求。因此本次試驗選擇5%為再生劑摻加量。

3 再生瀝青混合料配合比設計方法研究

3.1 廢舊舊瀝青混合料中瀝青含量

由抽提法試驗結果得出，廢舊瀝青混合料中廢舊瀝青含量見表5。

表5 廢舊瀝青混合料提取的廢舊瀝青含量Table5 Wasteasphaltcontentextractedfromwasteasphaltmixture舊瀝青混合料的量/g提取瀝青的量/g廢舊瀝青百分比/%試驗方法3600144.04.0T06123600147.64.1T06123600154.84.3T0612平均值148.84.1T0612

通過對比設計油石比得知，廢舊瀝青混合料中的瀝青含量較之鋪筑時有一定的損失，原因如下[10-11]：

a.瀝青路面經(jīng)過長時間的碾壓、雨水的浸泡使得瀝青路面發(fā)生病害，造成瀝青損失。

b.瀝青路面經(jīng)過長期的熱曬、氧化，瀝青老化，內部分子發(fā)生反應致使瀝青損失。

3.2 新?lián)郊虾Y分試驗

對石灰?guī)r10～15 mm，5～10 mm，0～5 mm集料進行了水洗篩分，結果如表6示。

表6 水洗篩分結果Table6 Washingandsievingresults篩孔尺寸/mm不同石灰?guī)r通過篩孔百分率/%5～10mm10～15mm15～20mm16.000100.0010058.7013.200100.0097.0021.049.50099.3030.101.994.75013.201.900.632.3604.401.300.601.1803.801.300.580.6003.501.200.570.3003.101.100.550.1502.801.000.540.0752.601.000.53

3.3 摻配料礦料合成級配

本文以20%舊料摻配率為例，將銑刨舊料、新集料及礦粉進行級配合成，合成級配滿足《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50-2006)的級配范圍要求，具體見表7及圖1。

表7 SMA-13礦料合成級配Table7 SMA-13mineralcompositegrading篩孔尺寸/mm不同礦料的百分比/%舊料0～5mm5～10mm10～15mm礦粉級配范圍級配中值合成級配1610010010010010010010010013.292.210099.284.210090～1009592.59.585.310095.313.810050～7562.565.74.7553.6994.10.710020～342733.22.3635.783.40.50.610015～2620.522.71.1825.255.10.40.610014～241922.30.623.638.90.30.610012～201616.30.318.928.60.20.690.510～161312.30.1517.720.10.10.588.99～15129.50.07515.316.40.10.580.58～12108.1配比20%28%10%38%4%

圖1 SMA-13礦料合成級配

3.4 再生瀝青混合料油石比確定

對新集料和銑刨舊料分別預熱，新集料的預熱溫度為180 ℃，銑刨舊料預熱溫度為110 ℃，加入5%的再生劑，在155 ℃～165 ℃的拌合器中拌合30 s，加入預熱的新集料干拌30 s，再加入新瀝青及礦粉繼續(xù)拌合60 s，形成熱再生瀝青再生混合料[12-13]。

選用5.0%，5.5%，6.0%，6.5%，7%的5組遞增的油石比(即新瀝青摻配率分別為0.9%、1.4%、1.9%、2.4%、3.9%)按上述方法制備再生瀝青混合料，測定不同油石比下的再生瀝青混合料性能指標，結果見表8～表11及圖2～圖5。

表8 不同油石比下再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度Table8 Dynamicstabilityofrecycledasphaltmixtureatdif-ferentoil-stoneratios瀝青含量/%動穩(wěn)定度/(次·mm-1)技術要求/(次·mm-1)5.03156>30005.53269>30006.03668>30006.53989>30007.04005>3000

圖2 不同油石比下再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度

表9 不同油石比下再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比Table9 Freeze-thawsplittingstrengthratioofrecycledas-phaltmixtureatdifferentoil-stoneratios瀝青含量/%凍融劈裂強度比/%技術指標/%5.076.65>80.005.580.23>80.006.083.33>80.006.583.62>80.007.083.97>80.00

圖3 不同油石比下再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比

表10 不同油石比下再生瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度Table10 Marshallresidualstabilityofrecycledasphaltmix-turesatdifferentratiosofoiltostone瀝青含量/%殘留穩(wěn)定度/%技術標準/%5.081.1>80.05.584.2>80.06.085.5>80.06.585.8>80.07.086.1>80.0

圖4 不同油石比下再生瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度

表11 不同油石比下再生瀝青混合料的彎拉破壞應變Table11 Bendingandstrainingstrainofrecycledasphaltmixtureunderdifferentoil-stoneratios油石比/%彎拉破壞應變/με技術標準/με52249>25005.52349>250062636>25006.52688>250072715>2500

圖5 不同油石比下再生瀝青混合料的彎拉應變

由不同油石比下再生SMA—13瀝青混合料的性能指標變化曲線可知，當油石比大于6.0%(新瀝青摻配率為1.9%)時，各指標均滿足規(guī)范技術要求，且當油石比繼續(xù)提高時，各指標提高速度放緩。考慮實用性和經(jīng)濟性，選取6.0%(新瀝青摻配率為1.9%)為本次試驗油石比。

4.4 舊料最大摻配率確定

舊料摻配率很大程度上決定了混合料生產(chǎn)成本[14]，前文中以20%舊料摻配率為例研究再生SMA—13瀝青混合料設計方法，本節(jié)采用前文確定的油石比(6%)及再生劑摻配比，在10%舊料摻配率的基礎上逐步提高，并對再生料分別進行路用性能測試，以確定舊料最大摻配率，得到的結果見表12～表15。

表12 不同廢料摻配比下再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度Table12 Dynamicstabilityofrecycledasphaltmixturesatdifferentwastemixratios舊料摻配率/%動穩(wěn)定度/(次·mm-1)技術標準/(次·mm-1)104154>3000203668>3000393432>3000403355>3000503221>3000

表13 不同摻配比下再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比Table13 Freeze-thawsplittingstrengthratioofreclaimedasphaltmixturewithdifferentblendingratios舊料摻配率/%凍融劈裂/%技術標準/%1085.19>80.002083.33>80.003082.23>80.004080.42>80.005079.51>80.00

表14 不同摻配比下再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度Table14 Residualstabilityofrecycledasphaltmixtureun-derdifferentblendingratios舊料摻配率/%殘留穩(wěn)定度/%技術標準/%1087.3>80.02085.5>80.03083.2>80.04081.6>80.05078.8>80.0

表15 不同摻配比下再生瀝青混合料的彎拉破壞應變Table15 Bendingfailurestrainofrecycledasphaltmixtureunderdifferentblendingratios舊料摻配率/%彎拉破壞應變/με技術標準/με102881>2500202636>2500302599>2500402558>2500502521>2500

由表12～表15可知，當舊料摻配率提高時，再生瀝青混合料各指標呈下降趨勢，當舊料摻配率大于40時將出現(xiàn)個別指標不滿足規(guī)范技術要求的情況。因此，本次舊料所生產(chǎn)的再生SMA-13瀝青混合料最大舊料摻配率為40%。

4 結論

本文利用實際道路大修工程銑刨的上面層SMA—13廢舊瀝青混合料，抽提廢舊瀝青并測試其性能衰減情況，確定了再生劑摻量為廢舊瀝青的5%；以20%舊料摻配率為例，對不同油石比下路用性能結果進行分析，確定了此條件下最佳油石比為6%(新?lián)?.9%)；最后，通過逐步提高舊料摻配率，判斷該再生SMA-13混合料各路用性能在滿足規(guī)范要求的最大舊料摻配率為40%。本文所開發(fā)的再生SMA設計方法能夠保證瀝青混合料路用性能并盡量提高舊料摻配比率，具備很強的工程指導意義。