熱再生瀝青混合料精細(xì)化設(shè)計(jì)與路用性能研究

田引安

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

近年來，隨著我國公路事業(yè)迅猛發(fā)展，早期修建的大部分公路已逐漸進(jìn)入維修期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年大約有12%的瀝青路面急需翻修、養(yǎng)護(hù)，采用傳統(tǒng)的銑刨、重鋪養(yǎng)護(hù)工藝，不僅費(fèi)用昂貴，每年還將產(chǎn)生約3 000萬t瀝青路面回收銑刨料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)[1-2]。廢棄RAP既會(huì)造成環(huán)境污染，又會(huì)造成土地空間與材料資源的浪費(fèi)[3]。

2016年，交通運(yùn)輸部在“六個(gè)堅(jiān)持、六個(gè)樹立”公路建設(shè)理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家戰(zhàn)略和綠色交通發(fā)展要求，提出了“綠色公路”的建設(shè)理念，其中，養(yǎng)護(hù)管理更應(yīng)嚴(yán)格恪守綠色公路建設(shè)理念，走綠色養(yǎng)護(hù)之路。

瀝青路面再生技術(shù)[4-6]不僅可以循環(huán)利用RAP，緩和資源矛盾，而且適用層位廣，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效應(yīng)顯著，是我國乃至世界公路養(yǎng)護(hù)發(fā)展的熱點(diǎn)[7-8]。因此瀝青路面再生技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展和綠色公路的建設(shè)理念。

由于RAP自身存在較大變異性，導(dǎo)致我國RAP利用率普遍在30%以下，而細(xì)RAP(粒徑為0～5 mmRAP)的利用率更是不足10%。研究發(fā)現(xiàn)[9]，將RAP分檔后能減少其變異性，且分檔越多變異性越小，常將RAP分成2檔(0～5 mmRAP、≥5 mmRAP)或者3檔(0～5 mmRAP、5～10 mmRAP、≥10 mmRAP)后再進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，但工程和研究中對(duì)0～5 mm細(xì)RAP利用率較低。時(shí)彪[10]設(shè)計(jì)了30%RAP Superpave-20混合料，其細(xì)RAP用量為6%；袁芮[11]設(shè)計(jì)了50%RAP AC-20混合料，其細(xì)RAP用量僅為8%；高磊[12]設(shè)計(jì)了50%RAP AC-20混合料，其細(xì)RAP用量為15%；另外在工程現(xiàn)場，細(xì)RAP用量較小、甚至全部廢棄。通過抽提試驗(yàn)可知，0～5 mmRAP富含大量舊瀝青，被認(rèn)為是最具回收利用價(jià)值的材料，如果能將其全部利用并合理再生，可節(jié)約瀝青材料、降低路面養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)再生技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此，如何提高0～5 mm細(xì)RAP在熱再生瀝青混合料中用量，也是瀝青路面熱再生技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)。

研究表明[12-15]，馬歇爾方法可以用于熱再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)過程；另外盡管眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高摻量RAP可以獲得良好的路用性能，但也有學(xué)者對(duì)RAP摻量超過40%的再生混合料的長期性能持懷疑態(tài)度[16]。目前國內(nèi)外主要從舊集料利用角度，增加大粒徑RAP用量，以保證RAP總摻量提高，但對(duì)于高摻量細(xì)RAP熱再生瀝青混合料的研究仍然很少。

本研究采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，以AC-20型瀝青混合料為目標(biāo)，將RAP總摻量設(shè)定為0%、30%、40%、50%，并適度提高細(xì)RAP用量，將其分別設(shè)置為10%、15%和20%(以混合料質(zhì)量為基數(shù))。分析不同細(xì)RAP摻量的熱再生瀝青混合料在最佳油石比下體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，并測試其使用性能，包括低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 RAP

本研究中使用的RAP來自G6京藏高速公路的白蘭段。該段高速公路采用雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路面寬度21.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。上面層為4 cm中粒式瀝青混凝土，中面層5 cm為中粒式瀝青混凝土，下面層為6 cm粗粒式瀝青混凝土，基層為20 cm為水泥穩(wěn)定砂礫，底基層為28 cm水泥石灰砂礫土。于2017年針對(duì)下面層進(jìn)行廠拌熱再生，瀝青混合料類型為AC-20。

根據(jù)國內(nèi)外熱再生技術(shù)研究成果和工程實(shí)際情況，通常將預(yù)處理后的RAP材料篩分為0～5、5～10、10～20 mm 3檔。一份不抽提直接篩分，一份采用離心抽提法抽提回收舊集料，離心抽離法按照J(rèn)TG E20-2011中T 0722-1993進(jìn)行。得到的舊料RAP抽提前后的級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 RAP抽提前后級(jí)配Table 1 RAP gradation before and after extraction孔徑/ mm不同篩孔(mm)通過的百分率 /%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.07510～20 mmRAP抽提后10092.880.555.627.817.313.311.48.96.84.22.6抽提前90.964.532.87.70.60.20.20.20.20.20.20.25～10 mmRAP抽提后1001009792.685.362.739.631.223.518.412.98.6抽提前1001001009583.343.41710.13.20.50.20.10～5 mmRAP抽提后10010010010010099.795.184.659.939.724.917.5抽提前10010010010010098.68769.233.95.40.90.2

RAP中舊瀝青含量、技術(shù)性質(zhì)和舊集料主要技術(shù)特性分別如表2、表3所示。由表2可以看出，0～5 mmRAP瀝青含量最高，高達(dá)8.1%，大約是10～20 mmRAP的4倍。可見，要實(shí)現(xiàn)再生技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益最大化，提高細(xì)RAP的摻量是再生技術(shù)的重點(diǎn)

表2 RAP中舊瀝青含量與技術(shù)性質(zhì)Table 2 Asphalt content and physical properties of aged asphalt in RAP檢測項(xiàng)目25 ℃針入度/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃10 ℃測力延度行程/cmMAX荷載/N135 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)瀝青含量/%0～5 mm RAP5～10 mm RAP10～20 mm RAP實(shí)測值3069.08531.628.15.22.1試驗(yàn)方法T0604T0605T0606T0625T0722

表3 舊集料主要技術(shù)特性Table 3 Basic properties of the RAP類別表觀相對(duì)密度Gsa毛體積相對(duì)密度Gsb含水率壓碎值磨耗損失針片狀含量RAP 10～20 mm2.8262.7841.214.821.37.0RAP 5～10 mm2.8302.7691.2—21.3—RAP 0～5 mm2.760—1.4———技術(shù)指標(biāo)≥2.5實(shí)測≤3.0≤28≤30≤15

1.2 新集料

本研究所用粗細(xì)集料均為甘肅北龍口石料廠生產(chǎn)的石灰?guī)r，所用礦粉由石灰?guī)r加工磨細(xì)而成，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 集料及礦粉主要技術(shù)性質(zhì)Table 4 Basic properties of the aggregate and mineral filler類別表觀相對(duì)密度Gsa毛體積相對(duì)密度Gsb含水率/%壓碎值/%黏土含量/%磨耗損失/%堅(jiān)固性/%針片狀含量/%15～20 mm2.8922.8500.3215.10.318.246.610～15 mm2.9082.8560.5315.10.518.368.45～10 mm2.8902.8360.53—0.6—57.23～5 mm2.8672.804——0.9———0～3 mm2.819———1.2———礦粉2.711———————

1.3 新瀝青與再生劑

本研究所用瀝青膠結(jié)料為韓國SK70#瀝青，再生劑選用陜西省生產(chǎn)的再生劑，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)再生劑摻量為舊瀝青的6.0%時(shí)，再生瀝青的針入度可恢復(fù)至與新瀝青相當(dāng)?shù)乃?。新瀝青的技術(shù)性質(zhì)如下：25 ℃針入度77(0.1 mm)，軟化點(diǎn)48.5 ℃，延度84 cm,最大荷載Fmax為11 N，135 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度0.52 Pa·s，再生劑的主要技術(shù)特性如下：60 ℃黏度2 800 cSt，閃點(diǎn)265 ℃，飽和酚26.7%，芳香酚48.2%，薄膜烘箱試驗(yàn)前后黏度比1.4%，薄膜烘箱試驗(yàn)前后質(zhì)量變化-1.3%。

2 細(xì)RAP不同摻量熱再生混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 熱再生瀝青混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

根據(jù)RAP中舊集料級(jí)配和設(shè)計(jì)要求，本研究將RAP總摻量設(shè)定為0%、30%、40%、50%，并適度提高細(xì)RAP用量，在級(jí)配調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)RAP用量超過20%時(shí)，合成級(jí)配曲線超出了規(guī)范要求的范圍，因此本研究細(xì)RAP用量分別取10%、15%和20%(以混合料總質(zhì)量為基數(shù))，再生劑摻量為舊瀝青質(zhì)量的6%。

為減小級(jí)配差異對(duì)后續(xù)研究再生混合料路用性能產(chǎn)生的影響，以《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中規(guī)定的AC-20級(jí)配中值為目標(biāo)級(jí)配，使熱再生瀝青混合料和普通新拌混合料的級(jí)配盡可能貼近目標(biāo)級(jí)配。不同混合料各檔材料組成比例如表5所示。

表5 不同RAP摻量的再生混合料各檔材料組成比例Table 5 Material composition of hot recycled asphalt mixture with different RAP contents%混合料類型集料類型0～5 mm RAP5～10 mm RAP10～20 mm RAP15～20 mm碎石10～15 mm碎石5～10 mm碎石3～5 mm碎石0～3 mm機(jī)制砂礦粉新拌混合料000252014830330%RAP-10101010201512813230%RAP-151510521181379230%RAP-20205520171975240%RAP-10101416151491010240%RAP-1515101517151295240%RAP-202051516181276150%RAP-101025151514857150%RAP-1515181713141255150%RAP-20201020161214521注: 30%RAP-10指摻加30%RAP的熱再生瀝青混合料,其中0～5 mm細(xì)RAP為10%。

從表5可以看出，隨著RAP和細(xì)RAP摻量的提高，混合料中新添加的0～3 mm的集料用量變化顯著：對(duì)于新拌瀝青混合料，0～3 mm集料用量高達(dá)30%；當(dāng)RAP摻量達(dá)到50%，且細(xì)RAP的摻量達(dá)到20%時(shí)，0～3 mm集料用量僅為2%。對(duì)于同一RAP摻量下，隨著細(xì)RAP摻量的增加，0～3 mm集料用量逐漸減小。

2.2 最佳油石比變化規(guī)律

不同RAP摻量下，熱再生瀝青混合料最佳油石比P與新添加油石比Pb的變化關(guān)系如圖1所示。

(a) 熱再生瀝青混合料最佳油石比變化規(guī)律

由圖1(a)可見：

a.當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)，再生混合料的最佳油石比普遍低于新拌瀝青混合料。這可能是由于相比新拌瀝青混合料，再生瀝青混合料中對(duì)瀝青含量最敏感的細(xì)料(0～3 mm)含量顯著降低。

b.隨著RAP摻量的持續(xù)增加，最佳油石比逐漸增大。這是因?yàn)樵谠偕鸀r青混合料中，舊瀝青分為活性和非活性2種，而非活性瀝青含量隨著RAP摻量的增加而增加，故需要更多的新瀝青來包裹集料。

圖1(b)表明：

a.再生混合料中添加的新瀝青含量隨著RAP的增加而減少。RAP中活性瀝青含量隨著RAP摻量的增加而增加，因此再生瀝青混合料中使用的新瀝青含量減少。

b.與新拌瀝青混合料相比，增加RAP可節(jié)省41% (30-R-10)至63% (50-R-15)的新瀝青。

c.當(dāng)RAP摻量一定時(shí)，隨著細(xì)RAP含量的增加，最高可節(jié)省29%(30-R-20)的新瀝青。當(dāng)RAP摻量達(dá)到50%時(shí)，細(xì)RAP含量對(duì)再生混合料中使用的原生瀝青含量的影響最小，節(jié)省的新瀝青含量僅為6%。

2.3 體積參數(shù)變化規(guī)律

再生混合料在最佳油石比下毛體積密度γf、空隙率VV、礦料間隙率VMA、瀝青飽和度VFA隨RAP摻量變化的關(guān)系如圖2所示。

(a) RAP摻量與毛體積密度的關(guān)系

由圖2可知，隨著RAP摻量增加，混合料中添加的新瀝青逐漸變少，拌和時(shí)瀝青流變特性逐漸變差，不能均勻地填充粗集料間的空隙。因此，熱再生瀝青混合料的毛體積密度逐漸降低，空隙率、礦料間隙率逐漸增大，而瀝青飽和度并無明顯變化。

2.4 力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律

熱再生瀝青混合料在最佳油石比下馬歇爾穩(wěn)定度MS與流值FL隨RAP摻量變化的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知：

(a) 穩(wěn)定度隨摻量的變化

a.與新拌瀝青混合料相比，熱再生瀝青混合料的穩(wěn)定度顯著提高，并且伴隨著RAP總摻量的增加，穩(wěn)定度提高幅度越大。

b.在相同的RAP摻量下，隨著細(xì)RAP摻量增加，混合料中舊瀝青含量也在增多，使得集料間的粘結(jié)力增強(qiáng)，混合料剛度增大，抵抗變形能力提高。

c.對(duì)于流值，隨著RAP摻量增加，其變化并不明顯，基本與普通瀝青混合料相當(dāng)，表明再生劑對(duì)舊瀝青起到較好的恢復(fù)作用。

3 再生混合料路用性能研究

RAP的摻入會(huì)提高熱再生瀝青混合料的模量，這對(duì)于混合料的高溫性能是有利的，故本研究重點(diǎn)考慮混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性。

3.1 低溫抗裂性

本文采用低溫彎曲試驗(yàn)研究熱再生瀝青混合料在規(guī)定溫度和加載速率下的彎曲破壞力學(xué)性能。首先制作尺寸為300 mm(長)×300 mm(寬)×50 mm(高)的車轍板試件，然后切割成尺寸為250 mm(長)×30 mm(寬)×35 mm(高)的小梁試件進(jìn)行試驗(yàn)。每種混合料有4個(gè)樣本，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm /min。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱再生瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出：

a.隨著細(xì)RAP摻量的增加，熱再生瀝青混合料的勁度模量總體呈上升趨勢，而破壞應(yīng)變則呈下降趨勢，表明混合料在低溫條件下抵抗荷載能力增強(qiáng)，但抗變形能力減弱。

b.RAP摻量增加時(shí)，混合料低溫抗裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化規(guī)律與細(xì)RAP摻量增加下規(guī)律一致。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是RAP中的瀝青老化后塑性降低、脆性增加，從而使混合料變脆變硬、溫度敏感性增加，細(xì)RAP用量或者RAP摻量越大，舊瀝青含量越多，對(duì)混合料性能影響越大。因此，在低溫環(huán)境中熱再生瀝青混合料的抗變形能力隨細(xì)RAP用量或者RAP摻量增加而逐漸降低。

3.2 水穩(wěn)定性

本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究熱再生瀝青混合料抗水損害性能。試驗(yàn)按照規(guī)程JTG E20-2011中的方法進(jìn)行，結(jié)果如圖5所示。

(a) 混合料凍融劈裂強(qiáng)度比

由圖5可以看出，無論是RAP摻量還是細(xì)RAP用量，它們對(duì)熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響都不是單一趨勢的。從RAP摻量的角度考慮，隨著RAP摻量的增加，TSR和MS均先增大后減小，表明RAP存在最佳摻量。這可能是因?yàn)楫?dāng)RAP摻量較小時(shí)新舊瀝青可以較好融合并裹附在集料周圍，但隨著RAP摻量繼續(xù)增大尤其當(dāng)細(xì)RAP增多時(shí)，新舊瀝青融合中不完全、不能被再生的舊瀝青增多、級(jí)配變異性增大的情況會(huì)凸顯，導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性降低。

4 結(jié)語

本文旨在探索RAP最優(yōu)化摻量，制備了9種混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，分析了它們的最佳油石比、體積參數(shù)與力學(xué)指標(biāo)，并研究了混合料的路用性能變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

a.隨著RAP摻量增加，混合料最佳油石比、空隙率、礦料間隙率增加，毛體積密度逐漸降低，而瀝青飽和度、流值變化不大。

b.隨著RAP和細(xì)RAP含量的增加，配合比設(shè)計(jì)所需要的新瀝青逐漸減少，大約可以減少三分之二的新瀝青用量(此時(shí)RAP摻量為50%，細(xì)RAP為20%)。

c.隨著再生混合料中RAP含量的增加，熱再生瀝青混合料低溫抗裂性變差，而水穩(wěn)定性呈拋物線，先增大后減小。

d.當(dāng)RAP和細(xì)RAP摻量分別為50%、20%時(shí)，熱再生瀝青混合料路用性能仍能滿足規(guī)范要求，但低溫性能已接近下限，故建議RAP摻量不宜大于50%，細(xì)RAP摻量不宜大于20%。