熱再生鋼渣瀝青混合料性能研究

宋俊濤

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山東 太原 030001)

瀝青路面服役過程中在溫度、荷載和水的耦合作用下會出現(xiàn)車轍和裂縫等病害，在維修過程中會產(chǎn)生大量的廢舊瀝青路面材料(RAP)。隨著中國公路的大規(guī)模擴(kuò)建，瀝青路面發(fā)展需求已進(jìn)入建養(yǎng)并重的階段。RAP的再生利用是降低道路行業(yè)資源依賴性、節(jié)能減排的關(guān)鍵，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，RAP材料的再生循環(huán)利用成為中國道路養(yǎng)護(hù)中的重點(diǎn)研究課題。大量研究表明:在RAP中加入再生劑與新集料和新瀝青拌和，可以實(shí)現(xiàn)對RAP的再生利用，且再生混合料性能良好。游金梅研究了RAP摻量對熱再生混合料路用性能的影響，結(jié)果表明隨著RAP摻量的增加，熱再生混合料的抗車轍性能和抗疲勞性能增強(qiáng)，水穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能降低:左鋒進(jìn)行了相似的研究工作，結(jié)果表明在低RAP 摻量下(小于30%)，RAP 摻量的增加可以提升再生瀝青混合料的高溫性能、疲勞性能和水穩(wěn)定性能，明顯降低其低溫性能。較高RAP 摻量下再生瀝青混合料的各項(xiàng)性能均明顯降低;韓永強(qiáng)研究發(fā)現(xiàn)，溫拌再生瀝青混合料的RAP摻量宜控制在40%～50%;査旭東依托實(shí)體工程將30% RAP制備AC-20C再生瀝青混合料，并在浙江省102省道鋪筑了試驗(yàn)段，經(jīng)過兩年考察后試驗(yàn)段使用性能優(yōu)良;程培峰研究了不同細(xì)RAP 比例對再生瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明再生瀝青混合料的路用性能隨著細(xì)RAP 比例的增加會出現(xiàn)峰值。近年來鋼渣作為天然集料的替代礦料，用其制備的鋼渣瀝青混合料的性能優(yōu)異，也廣泛應(yīng)用在各大高等級路面中。而且轉(zhuǎn)爐鋼渣本身具有較好的儲熱性，將其瀝青混合料回收料與新料拌和回收利用可以最大程度發(fā)揮鋼渣的潛能;譚沖將轉(zhuǎn)爐鋼渣瀝青混凝土刨除料進(jìn)行回收利用，研究了AC-20轉(zhuǎn)爐鋼渣再生瀝青混合料的性能，結(jié)果表明鋼渣RAP摻量為40%時瀝青混凝土各項(xiàng)性能最優(yōu)。

以上研究表明：天然集料RAP和鋼渣RAP的回收利用所制備的再生瀝青混合料性能良好。該文基于室內(nèi)模擬老化的方法，得到與室外服役5年左右的鋼渣RAP，制備不同摻量的熱再生鋼渣瀝青混合料，并測試其基本路用性能，以期為實(shí)際工程中鋼渣RAP的應(yīng)用提供參考。

1 原材料與鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的瀝青為內(nèi)蒙古生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其基本性能指標(biāo)見表1。

鋼渣為來自上海寶鋼產(chǎn)滾筒渣(簡稱寶鋼鋼渣)。通過JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對寶鋼鋼渣的性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。鋼渣和玄武巖的化學(xué)組成見表3。

表1 SBS改性瀝青的主要性能指標(biāo)

表2 寶鋼鋼渣的性能指標(biāo)

表3 鋼渣和玄武巖的化學(xué)組成 wt%

試驗(yàn)細(xì)集料統(tǒng)一采用湖北京山生產(chǎn)的玄武巖，其基本性能指標(biāo)見表4。采用江蘇常州產(chǎn)XT-2再生劑。

表4 玄武巖細(xì)集料(0～2.36 mm)的基本性能指標(biāo)

1.2 鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中粗集料采用鋼渣，細(xì)集料使用玄武巖，制備AC-13瀝青混合料，其合成級配曲線見圖1。依據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法成型鋼渣瀝青混合料，在各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求下，確定鋼渣瀝青混合料的最佳油石比為4.7%。

圖1 鋼渣AC-13級配設(shè)計(jì)曲線圖

2 再生鋼渣瀝青混合料的制備與性能測試

2.1 鋼渣RAP的室內(nèi)模擬

采用烘箱延時室內(nèi)模擬老化的方法得到鋼渣RAP，即采取短期老化和長期老化結(jié)合的方式。先將按上述AC-13配合比拌和好的混合料松鋪約 21 ～ 22 kg/m2,將其放入(135±3)℃的烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)條件下加熱4 h±5 min，每隔1 h翻拌一次。將加熱后的混合料從烘箱中取出成型馬歇爾試塊。再將試件置于(85±3)℃烘箱中，加熱5 d (120 h ±0.5 h)，冷卻不少于16 h即得到模擬老化的鋼渣RAP。采用德國InfraTest全自動瀝青抽提儀對模擬得到的RAP進(jìn)行瀝青的回收，得到的瀝青性能指標(biāo)見表5。

表5 RAP中回收瀝青的基本性能指標(biāo)

2.2 再生劑摻量的確定

選擇2%、4%、6%、8%和10%共5個再生劑質(zhì)量摻比制備再生瀝青，測試不同摻量對應(yīng)的再生瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度，測試結(jié)果見表6。由表6可知:隨著再生劑摻量的增大，再生瀝青的針入度和延度逐漸增大，軟化點(diǎn)逐漸下降。當(dāng)摻量為6%時，再生瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度均滿足SBS改性瀝青的性能指標(biāo)要求，故再生劑的摻量應(yīng)為瀝青質(zhì)量的6%。

表6 不同再生劑摻量下再生瀝青的性能指標(biāo)

2.3 再生鋼渣瀝青混合料的制備

再生鋼渣瀝青混合料采取與上述AC-13鋼渣瀝青混合料相同的油石比(即4.7%)。RAP摻量分別采取0、10%、20%、30%、40%和50%共6個質(zhì)量摻比。制備過程如下：先將加熱到110 ℃的鋼渣RAP倒入拌鍋拌和10 s，接著加入再生劑拌和30 s，使再生劑與舊料融合；其次加入新鋼渣集料拌和30 s后加入SBS改性瀝青，再次拌和90 s；最后加入礦粉，繼續(xù)拌和90 s得到再生鋼渣瀝青混合料。

2.4 再生鋼渣瀝青混合料的性能測試

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對再生鋼渣瀝青混合料的路用性能進(jìn)行測試：① 測試了不同RAP摻量的鋼渣瀝青混合料的空隙率、瀝青飽和度和礦料間隙率等體積性能指標(biāo)；② 采用肯塔堡飛散損失、殘留穩(wěn)定度(RMS)和凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性；③ 選取60 ℃下尺寸為300 mm×300 mm×50 mm車轍板的動穩(wěn)定度來表征混合料的高溫性能；④ 混合料的低溫性能測試采用-10 ℃下小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的彎拉應(yīng)變等指標(biāo)來評價，試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。

3 再生鋼渣瀝青混合料性能研究

3.1 體積性能

不同RAP摻量的鋼渣瀝青混合料的體積性能指標(biāo)測試結(jié)果見表7。

表7 再生鋼渣瀝青混合料的體積性能

由表7可知：隨著RAP摻量的增加，再生料的毛體積密度波動不大，5組瀝青混合料的空隙率均在設(shè)定空隙率之間。瀝青混合料的礦料間隙率和瀝青飽和度隨RAP摻量增加的變化不大，其值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。這表明RAP的摻入不會對再生鋼渣瀝青混合料的體積性能造成影響，且高摻量RAP再生鋼渣瀝青混合料的體積性能仍滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3.2 水穩(wěn)定性能

3.2.1 肯塔堡飛散損失

肯塔堡飛散損失試驗(yàn)常被用來評價開級配瀝青混合料中瀝青與集料間的黏附性。該文研究的鋼渣瀝青混合料雖然采取的是密級配，但高摻量RAP的再生瀝青混合料中由于老化性能與集料的黏附性相對較低，可能會對瀝青混合料整體的黏結(jié)性產(chǎn)生較大影響。且考慮到研究的AC-13瀝青混合料作為瀝青路面的上面層，在其服役過程中可能因車轍和雨水的雙重作用，導(dǎo)致表層脫落。因此采取標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)對不同RAP摻量的再生鋼渣瀝青混合料進(jìn)行黏結(jié)性測試，從而表征其在常溫下的抗水損害能力。

不同RAP摻量的再生鋼渣瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。隨著RAP摻量的增加，鋼渣瀝青混合料的飛散值逐漸增大，但上升幅度不大。50%RAP摻量的再生料的飛散值達(dá)到了5.8%，較新拌瀝青混合料4.5%的飛散損失值僅增大了28.9%。這說明一方面RAP中的老化瀝青導(dǎo)致混合料中集料與瀝青的黏附性降低，在水的作用下使得表層黏結(jié)料脫落；另一方面，在再生劑的作用下，老化瀝青的黏性得到恢復(fù)，從而使得再生料的整體黏結(jié)性得到一定程度的提升。綜合來看，RAP摻量的增加會適當(dāng)降低再生鋼渣瀝青混合料的黏結(jié)性，但不會對其造成結(jié)構(gòu)性破壞。

圖2 再生鋼渣瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 殘留穩(wěn)定度

不同摻量RAP混合料的馬歇爾穩(wěn)定度測試結(jié)果見圖3。與未摻RAP的新拌瀝青混合料相比，再生鋼渣瀝青混合料的穩(wěn)定度隨RAP摻量的增大而增大，在摻量達(dá)到50%時其穩(wěn)定度達(dá)到24.06 kN。這是因?yàn)镽AP中的高模量的老化瀝青提升了再生瀝青混合料的整體彈性，使得其力學(xué)性能得到增強(qiáng)。從殘留穩(wěn)定度(RMS)來分析混合料的水穩(wěn)定性，可以看出再生料的RMS隨著RAP摻量的增大先增大后減小，在摻量為30%時RMS達(dá)到最大值94.3%。在摻量超過30%后，隨著RAP摻量的增大，再生料的RMS值迅速下降，其值均低于新拌瀝青混合料的RMS值，但仍滿足規(guī)范中潮濕地區(qū)對改性瀝青混合料RMS不小于85%的要求。

圖3 再生鋼渣瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度測試結(jié)果

3.2.3 凍融劈裂殘留比

凍融劈裂能最真實(shí)地反映瀝青混合料的抗水損害性能，一般在殘留穩(wěn)定度滿足施工規(guī)范要求下，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)也可能不滿足。圖4為不同摻量RAP混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果。隨著RAP摻量的增大，再生瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度和強(qiáng)度比均呈現(xiàn)線性下降的趨勢。其中，50%摻量的再生料的TSR值較摻量為0的新拌組下降了近8%，但其仍滿足規(guī)范中TSR值不小于80%的要求。整體來看，再生鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能維持在一個較高的水平。RAP含量的增加使得混合料中瀝青的模量增加，減小了瀝青與集料間的黏結(jié)力，致使混合料在浸水狀態(tài)下瀝青從集料表層剝離，從而影響再生料的力學(xué)性能。因此，RAP摻量的增加會降低熱再生鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

圖4 再生鋼渣瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

3.3 高溫穩(wěn)定性能

不同RAP摻量鋼渣瀝青混合料的車轍深度和動穩(wěn)定度見圖5。

由圖5可知：摻量為0的新拌組的混合料的動穩(wěn)定度高達(dá)5 431次/mm，遠(yuǎn)高于普通集料制備的瀝青混合料，這主要是由于鋼渣具備抗滑耐磨和高黏附性等優(yōu)點(diǎn)。隨著RAP摻量的增加，再生鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸增加，在RAP摻量為50%時其動穩(wěn)定度為7 326次/mm，是摻量為0的新拌組的動穩(wěn)定度的1.35倍。再生鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于規(guī)范中不小于2 400次/mm 的要求，這說明熱再生鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能良好。RAP的摻入對高溫穩(wěn)定性提升的主要原因是其含有的高軟化點(diǎn)和高勁度的老化瀝青，老化瀝青的加入可以明顯降低混合料的車轍深度，提升其高溫性能。

圖5 再生鋼渣瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.4 低溫抗裂性能

瀝青混合料的彎拉應(yīng)變可以有效地反映其在低溫下出現(xiàn)脆性斷裂的可能性，表征其低溫抗裂性。一般彎拉應(yīng)變越大，混合料的低溫抗裂性能越好。不同摻量的再生鋼渣瀝青混合料的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 再生鋼渣瀝青混合料的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：隨著RAP摻量的增大，混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變逐漸下降，其勁度模量逐漸上升。這表明RAP的摻入大大降低了熱再生鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性能。主要是由于RAP中的老化瀝青其塑性降低，從而變硬發(fā)脆，降低了熱再生瀝青混合料抵抗低溫變形的能力。從彎拉應(yīng)變值的變化可以看出：當(dāng)RAP摻量高于30%后，再生鋼渣瀝青混合料的彎拉應(yīng)變均小于規(guī)范中冬冷區(qū)域的最小值2 500 με，表明若熱再生鋼渣瀝青應(yīng)用在嚴(yán)寒地區(qū)，其最大摻量不能高于30%。

4 結(jié)論

通過對不同摻量的熱再生鋼渣瀝青混合料的性能研究，得到如下結(jié)論：

(1)RAP的摻入對再生鋼渣瀝青混合料的礦料間隙率和瀝青飽和度波動不大，不會對其體積性能造成不利影響。

(2)隨著RAP摻量的增加，熱再生鋼渣瀝青混合料的黏結(jié)性能、水穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能逐漸降低，高溫抗車轍性能明顯提升。綜合考慮各項(xiàng)路用性能指標(biāo)，初步推薦RAP 在熱再生鋼渣瀝青混合料中的摻量應(yīng)不高于30%。

(3)考慮RAP摻量在對熱再生鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能的影響存在差異，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中需根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚍謪^(qū)、公路等級和應(yīng)用的結(jié)構(gòu)層位來綜合確定熱再生鋼渣瀝青混合料中RAP的最大摻量。