高RAP摻量下熱再生混合料路用性能與加熱工藝研究

賀華剛, 賈曉東, 李小龍

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院， 重慶市 400052； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院)

隨著中國公路建設(shè)事業(yè)逐漸步入“建養(yǎng)并重”的新階段，道路升級改造、維修養(yǎng)護任務(wù)日益繁重，每年產(chǎn)生了大量廢舊瀝青混合料(RAP)?；诰G色公路發(fā)展理念，采用路面熱再生技術(shù)對RAP進行有效處理，在很大程度上取代新瀝青混合料用于道路建設(shè)，實現(xiàn)廢料再利用、節(jié)能環(huán)保的目的。

近年來，研究人員對再生混合料進行了深入探索，齊小飛等研究了高摻量 RAP下熱再生混合料性能在不同再生劑摻量、新料溫度、拌和溫度及拌和時間下的變化；林翔研究了再生混合料體積參數(shù)受瀝青針入度、含量以及礦料細度模數(shù)的影響；韓娟對4種高RAP摻量下的再生SMA混合料路用性能進行了分析對比；董曉進通過摻加橡膠粉對熱再生混合料的性能進行改善；張勤玲采用玄武巖纖維改善再生混合料路用性能。目前，對熱再生瀝青混合料的路用性能已經(jīng)進行了大量研究，而對于就地?zé)嵩偕^程中的相關(guān)工藝研究較少。因此，該文通過相關(guān)室內(nèi)試驗評價高 RAP摻量下 SMA-13型、 AC-13型兩種常用的熱再生混合料的路用性能，并設(shè)計正交試驗研究其再生工藝中最佳加熱溫度，為就地?zé)嵩偕旌狭鲜┕ぬ峁┮欢▍⒖肌?/p>

1 試驗方案

1.1 原材料

(1) RAP。取自級配類型分別為SMA-13和AC-13的重慶某兩段高速公路瀝青混凝土表面層，進行大修時服役時間均為7年，在服役期間兩條高速公路的交通量較為接近，且所用瀝青結(jié)合料均為SBS改性瀝青。通過對兩種RAP中舊瀝青抽提、回收以及舊料的篩分，測算出SMA-13型RAP中瀝青含量為6%，AC-13型RAP中瀝青含量為4.6%，舊集料級配篩分結(jié)果分別如圖1、2所示。

圖1 SMA-13型舊料級配曲線

圖2 AC-13型舊料篩分結(jié)果

由圖1、2可知：兩種舊料中的細集料均接近級配設(shè)計要求上限，且AC-13型舊料級配中0.075 mm檔已超出規(guī)范上限，表明路面在長期服役過程中承受行車荷載作用后導(dǎo)致石料發(fā)生明顯的破損細化現(xiàn)象。

(2) 新集料。由AC-13型和SMA-13型舊料篩分結(jié)果可知，集料出現(xiàn)明顯細化，所以需加入新集料以調(diào)整再生瀝青混合料級配使其滿足規(guī)范要求。根據(jù)取樣路段實際情況，SMA-13型再生料中新集料選擇玄武巖和機制砂，AC-13型再生料中新集料選擇破碎鵝卵石和機制砂，按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》對所選集料主要技術(shù)指標進行檢測，試驗結(jié)果表明各項技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。

(3) 新瀝青。選用SBS改性瀝青，其主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標

(4) 再生劑。瀝青再生劑常見類型主要有軟瀝青、低黏度油分、專用再生劑，近年來亦有研究人員對生物油再生劑進行研究。該文所用再生劑為某種常規(guī)的市售國產(chǎn)瀝青熱再生劑，其基本技術(shù)性能指標見表2。室內(nèi)相關(guān)試驗表明：再生劑摻量為舊瀝青的6%時，RAP中舊瀝青的常規(guī)物理性能指標針入度、軟化點以及延度指標恢復(fù)較好，試驗結(jié)果見表3，所以該文再生劑的摻量確定為6%。

表2 再生劑主要技術(shù)指標

表3 RAP中舊瀝青試驗結(jié)果

(5) 纖維。采用木質(zhì)素纖維，長度小于6 mm，含水率低于5%，摻量為0.35%。

1.2 礦料級配組成設(shè)計

(1) SMA-13熱再生混合料級配

根據(jù)實際施工經(jīng)驗以及對回收篩分后的舊料分析，確定SMA-13型RAP摻加比例為90%，通過調(diào)整10%新集料構(gòu)成比例確定SMA-13熱再生混合料的級配，經(jīng)計算調(diào)整后合成級配如表4所示。

表4 SMA-13熱再生混合料級配組成設(shè)計

(2) AC-13熱再生混合料級配

根據(jù)實際施工經(jīng)驗以及對回收篩分后的舊料分析，確定AC-13型RAP摻加比例為85%，通過調(diào)整15%新集料構(gòu)成比例確定AC-13熱再生混合料的級配，經(jīng)計算調(diào)整后合成級配如表5所示。

表5 AC-13熱再生混合料級配組成設(shè)計

1.3 最佳瀝青用量

根據(jù)確定的兩種再生瀝青混合料的級配，參考JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，采用馬歇爾試驗設(shè)計法進行熱再生混合料的目標配合比設(shè)計。試驗時先將RAP與再生劑拌和60 s后加入預(yù)熱好的新集料再拌和90 s，使舊瀝青完全分散，然后摻加木質(zhì)纖維(AC-13熱再生混合料省去該過程)拌和60 s，接著加入SBS改性瀝青拌和120 s，使新舊瀝青充分融合，最后加入礦粉拌和60 s。試驗結(jié)果為SMA-13熱再生混合料最佳油石比為6.1%，AC-13熱再生混合料最佳油石比為4.7%，其中最佳油石比=(舊料瀝青含量+再生劑用量+新瀝青用量)/再生混合料集料質(zhì)量，再生劑為RAP中舊瀝青的6%。通過計算可知：SMA-13熱再生混合料中新瀝青比例為新集料的3.76%，而RAP料與新集料比為9∶1；AC-13熱再生混合料中新瀝青比例為新集料的3.7%，而RAP料與新集料比為8.5∶1.5。各項體積參數(shù)及SMA-13熱再生混合料析漏試驗和飛散試驗結(jié)果如表6所示，各項指標均在相關(guān)規(guī)范要求范圍以內(nèi)。

表6 熱再生混合料試驗結(jié)果

2 路用性能分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性良好的瀝青混合料能夠保證路面在高溫狀態(tài)下仍具有優(yōu)良的抗車轍變形能力，進而使得道路的服務(wù)水平得以提升。因此，該文按照相關(guān)規(guī)范對所研究的熱再生瀝青混合料進行車轍試驗，評價熱再生混合料高溫穩(wěn)定性，結(jié)合重慶地區(qū)的氣候情況試驗溫度選擇70 ℃，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 車轍試驗結(jié)果

根據(jù)瀝青膠結(jié)料老化規(guī)律可知：其老化后由于瀝青中輕組分向重組分轉(zhuǎn)移，宏觀上表現(xiàn)為“硬而脆”，所以使得瀝青混合料的高溫性能變好。而再生劑中主要成分以低黏度油分為主，再生劑加入后會降低再生混合料整體高溫穩(wěn)定性，所以此次試驗選擇恰當(dāng)?shù)脑偕鷦搅恳员ＷC再生混合料的高溫穩(wěn)定性。由表7可知：兩種熱再生混合料動穩(wěn)定度結(jié)果均能達到夏季炎熱地區(qū)改性瀝青混合料動穩(wěn)定度要求， 所以其高溫性能滿足規(guī)范要求。

2.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性作為瀝青混合料路用性能的重要指標，其能反映瀝青混合料在低溫條件下抵抗收縮變形的能力。此次試驗按照相關(guān)規(guī)范對所研究的兩種熱再生混合料進行低溫小梁彎曲破壞試驗，評價兩種熱再生混合料低溫性能，對應(yīng)規(guī)范值按重慶地區(qū)實際情況確定，結(jié)果如表8所示。

表8 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

由表8可知：兩種高RAP摻量的熱再生混合料彎曲破壞最大應(yīng)變均超過規(guī)范要求，表明它們的低溫性能能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。但是，SMA-13熱再生混合料彎曲破壞最大應(yīng)變相較規(guī)范要求并未有明顯差距，其原因是由于SMA-13熱再生混合料中RAP摻量高達90%，再生之前其低溫性能損失嚴重，而摻加的再生劑在拌和過程中很難完全與RAP中舊瀝青相融合，導(dǎo)致再生效果下降，因而對于熱再生混合料低溫性能改善不甚明顯。

2.3 水穩(wěn)定性能

水穩(wěn)定性作為瀝青混合料耐久性的重要構(gòu)成部分，對道路服役水平有著重要影響。目前，對于水穩(wěn)定性的評價方法甚多，該文主要采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，對應(yīng)規(guī)范值按重慶地區(qū)實際情況確定，相關(guān)測試結(jié)果見表9、10。

表9 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

表10 凍融劈裂試驗結(jié)果

由表9、10可知：兩種熱再生混合料殘留穩(wěn)定度比MS0和凍融劈裂強度比TSR均滿足規(guī)范要求，表明在高RAP摻量情況下，兩種熱再生混合料都具有較好的抗水損害能力。

2.4 防滲水性能

再生瀝青路面應(yīng)具備足夠的防滲性以保證道路耐久性，該文通過瀝青混合料滲水試驗測定兩種熱再生混合料滲水系數(shù)，結(jié)果如表11所示。

表11 滲水系數(shù)測試結(jié)果

由表11可知：兩種熱再生混合料滲水系數(shù)平均值遠低于規(guī)范值， SMA-13熱再生混合料甚至達到了基本不滲水的狀態(tài)，表明在高RAP摻量下的兩種熱再生混合料都具備良好的防滲水性能，能有效地阻止水分對路面的損害，從而滿足道路實際需求。

3 加熱工藝研究

再生工藝加熱溫度的選擇對整個就地?zé)嵩偕^程的施工質(zhì)量及再生路面使用性能有著關(guān)鍵的影響，其中主要包括舊瀝青混合料加熱溫度、再生劑噴灑溫度及新瀝青混合料溫度的確定?；旌狭峡障堵首鳛槁访媸┕み^程中重要檢測指標，對混合料抗水損害能力及抗老化能力有著重要影響。相關(guān)研究表明：空隙率過大易使得外界水分滲入混合料內(nèi)部，在行車荷載作用造成的動水壓力下使得瀝青膜脫離集料表面甚至遷移，產(chǎn)生路面松散、坑槽現(xiàn)象。因此，該文以舊混合料溫度、再生劑溫度及新混合料溫度為試驗考察因素，空隙率為試驗考察指標，通過建立三因素四水平正交試驗研究兩種熱再生混合料再生工藝中各個環(huán)節(jié)最佳加熱溫度，正交試驗方案及結(jié)果見表12、13。

表12 正交試驗方案設(shè)計

表13 熱再生混合料正交試驗結(jié)果

由表13可知：極差大小為RA≥RB≥RC，所以試驗因素對試驗指標影響因素主次順序為舊料溫度、新料溫度、再生劑溫度，各因素的最優(yōu)水平均為A1、B1、C1。結(jié)合RAP、新料及再生劑摻加比例分析，可以發(fā)現(xiàn)3種因素對兩種再生混合料空隙率的影響顯著性基本與新料、舊料及再生劑摻量呈正相關(guān)關(guān)系，與正交試驗計算結(jié)果一致。其原因是再生混合料中，RAP占據(jù)了很大比例，在施工過程中其加熱溫度對再生路面性能影響最大。而再生劑作為低黏度油分，其在高溫拌和過程中易揮發(fā)，進而影響再生效果。因此，結(jié)合實際施工情況及影響顯著性差異，確定兩種熱再生混合料再生工藝中舊瀝青混合料、新瀝青混合料及再生劑最佳加熱溫度分別為165、165和145 ℃。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)SMA-13和AC-13型熱再生混合料舊料摻量分別高達90%、85%時，通過確定合適的級配和最佳瀝青用量后，兩者各項馬歇爾試驗結(jié)果及SMA-13熱再生混合料的析漏損失和飛散損失均符合規(guī)范要求。

(2) 通過對兩種熱再生混合料高低溫性能、水穩(wěn)性及防滲水性能測試，兩種熱再生混合料的高溫穩(wěn)定性良好，應(yīng)該是由于舊料摻量較高所致；在低溫性能方面，由于 RAP摻量過高以及拌和過程中舊瀝青很難與再生劑充分融合， SMA-13熱再生混合料的改善并不明顯，但基本能達到規(guī)范要求； 在水穩(wěn)定性和防滲水性能方面，兩種熱再生混合料均能較好地達到規(guī)范要求，且SMA-13熱再生混合料的防滲水性能非常好。

(3) 以再生料空隙率為考察指標設(shè)計正交試驗，通過極差分析確定兩種熱再生料再生過程中舊料、新料及再生劑的最佳加熱溫度分別為165、165和145 ℃。