廠拌熱再生瀝青混合料關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭德江 ZHENG De-jiang

（山東康橋交通科技有限公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

我國進(jìn)入公路建設(shè)高峰期已經(jīng)有幾十年的時間，公路通車總里程業(yè)已躍居全球第一位。隨之而來的是建設(shè)初期的瀝青路面陸續(xù)來到了服務(wù)壽命末期，由此產(chǎn)生了大量的廢舊瀝青混合料。這些混合料中的瀝青及集料均屬于不可再生資源，堆積、填埋或直接作為路基材料使用均會造成資源的浪費(fèi)。國外發(fā)達(dá)國家，如美國、日本、英國及韓國等發(fā)達(dá)國家在瀝青混合料熱再生方面起步較早，已經(jīng)形成了較為完善的政策、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈，如日本的廢舊瀝青路面材料的利用率達(dá)到90%以上[1]。我國在瀝青路面材料的再生利用方面起步相對較晚，從2005年起，才開始了對瀝青混合料再生利用的相關(guān)研究工作，但發(fā)展速度確十分迅猛，時至今日已經(jīng)初步形成了再生利用的相關(guān)技術(shù)體系[2]。其中廠拌熱再生作為性能恢復(fù)最佳的一種方式深受業(yè)界人員的青睞，不過廢舊瀝青混合料的廠拌再生利用仍然存在許多問題未能的得到有效的解決，一是面對組成相對復(fù)雜的再生瀝青混合料（RAP），其性能恢復(fù)的方法與恢復(fù)效果的評價還不夠成熟；二是廠拌熱再生瀝青混合料的材料組成設(shè)計方法基本沿用現(xiàn)行規(guī)范，未能充分考慮RAP材料的特殊性；三是廠拌熱再生瀝青混合料的施工工藝套用常規(guī)瀝青混合料的施工方法，其適用性尚存在一定的不確定性[3]。針對上述問題，相關(guān)學(xué)者也開展過部分研究工作，并取得了一定的研究進(jìn)展，在廢舊瀝青、混合料及集料技術(shù)性能的評價、廢舊瀝青的再生性能恢復(fù)機(jī)理等方面均有相關(guān)的報道，目前針對瀝青再生的理論主要有組分調(diào)節(jié)理論、相容性理論以及橡膠增塑理論等，其中認(rèn)可度較高的是組分調(diào)節(jié)理論[4-6]。在工程機(jī)械方面，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計自主生產(chǎn)再生機(jī)，這為廠拌熱再生的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，再生機(jī)實(shí)現(xiàn)了廢舊瀝青路面材料的獨(dú)立存放、溫度控制、摻量控制等。再生機(jī)與原生機(jī)的相互配合，共同保證了再生后瀝青混合料技術(shù)性能的達(dá)標(biāo)。

文章便是在上述研究背景下，采用新舊瀝青融合的方式，探索廠拌熱再生材料性能恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，在充分考慮RAP材料的技術(shù)特點(diǎn)提出了廠拌熱再生瀝青混合料的材料組成設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上研究了廠拌熱再生瀝青混合料的路用性能。旨在為廠拌熱再生技術(shù)在公路工程中的進(jìn)一步推廣提供技術(shù)參考。

1 廠拌熱再生材料性能恢復(fù)研究

1.1 原材料

文章采用的RAP材料為某二級公路的銑刨料，取代表性的部分RAP試樣進(jìn)行瀝青抽提，剩余的礦質(zhì)混合料利用方孔篩（2.36mm）過篩后分為再生粗集料和再生細(xì)集料，并對其進(jìn)行技術(shù)檢測，檢測結(jié)果見表1。文章采用的新集料為玄武巖材料，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1顯示，與新集料相比，再生集料的各項(xiàng)指標(biāo)均存在著一定的降低，表現(xiàn)為軟泥含量偏高，針片狀偏高等，這提示在利用再生集料時，其摻量應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，防止再生集料和新集料所組成混合集料的技術(shù)指標(biāo)超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的限值。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)

對抽提得到的瀝青進(jìn)行技術(shù)性能檢測，檢測結(jié)果見表2。另外文章選擇齊魯石化生產(chǎn)的90#道路石油瀝青作為調(diào)和瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2顯示，再生瀝青的技術(shù)性能已經(jīng)老化嚴(yán)重，針入度遠(yuǎn)低于50#瀝青的要求，延度指標(biāo)過低，粘度偏大，這表明瀝青經(jīng)過老化后，其黏滯性過高，低溫性能幾乎喪失。

1.2 再生理論與方法

目前有多種理論用于對瀝青再生進(jìn)行解釋，但最為流行的還是組分理論，該理論是基于瀝青老化前后組分變化而提出的，一經(jīng)提出便得到了相關(guān)研究人員的高度認(rèn)可。RAP中的舊瀝青經(jīng)過多年的使用，其技術(shù)性能有著較大的損失，其根本原因是由于瀝青內(nèi)部組分的變化。一般而言，瀝青中的芳香分和飽和分均屬于輕質(zhì)組分，在受到熱氧、光照、荷載等綜合作用下，會發(fā)生一定的組分揮發(fā)與轉(zhuǎn)化，造成輕質(zhì)組分缺失，同時部分膠質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)，致使瀝青質(zhì)占比過高。上述組分的變化使得瀝青的針入度和延度顯著降低、軟化點(diǎn)明顯升高，黏滯性急劇增大，從而使得瀝青失去了原有的路用技術(shù)性能。基于此，組分調(diào)價理論提出，向?yàn)r青中添加輕質(zhì)組分從而補(bǔ)全缺失芳香分和飽和分，降低瀝青質(zhì)占比，可以較大程度的提升再生瀝青的技術(shù)性能?；谠摾碚摚Y(jié)合復(fù)合材料性能規(guī)律模型，文章提出了再生瀝青針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)恢復(fù)模型，如式（1）和式（2）所示。

式中：m1、m2為分別為舊瀝青、新瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)；P1、P2、Pi分別為舊瀝青、新瀝青、再生后瀝青的針入度；Ti、T1、T2分別為舊瀝青、新瀝青、再生后瀝青軟化點(diǎn)。

為了驗(yàn)證上述模型的準(zhǔn)確性，文章設(shè)計了不同新舊瀝青比例的工況，新舊瀝青比例分別為0:10、1:2、2:1、5:1、10:1及10:0，并進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)的檢測，檢測結(jié)果匯總于圖1中。

圖1 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果圖

基于上述結(jié)果，文章選擇新舊瀝青比例5:1作為推薦比例，在該比例下，再生之后的瀝青的技術(shù)性能如下：針入度為75（0.1mm）、軟化點(diǎn)為50.1（℃）、15℃延度（96.3）、60℃粘度（356.2Pa.s）。不難看出，新瀝青的輕質(zhì)組分有效的補(bǔ)充到了舊瀝青之中，兩者調(diào)和之后的瀝青技術(shù)性能與70#基質(zhì)瀝青相仿。值得注意的是，并非所有RAP與新瀝青的摻配比例均為5:1，這需要根據(jù)上文所述計算公式、我國現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范等綜合確定。

2 廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

廠拌熱再生瀝青混合料的路用性能的優(yōu)劣直接決定著其推廣前景，由于RAP材料中瀝青的技術(shù)性能較差，所以RAP摻配率必然是影響瀝青混合料配合比設(shè)計的主要因素，由于RAP材料級配的不穩(wěn)定性，文章推薦對不同來源不同路面結(jié)構(gòu)層的RAP分類堆放、分類使用，最大程度的保持RAP材料的性能一致性。文章設(shè)計了RAP摻配量分別為0%、10%、20%、30%、40%等五種瀝青混合料，以新集料為補(bǔ)充，以AC-16級配區(qū)間為控制，進(jìn)行礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計，如圖2所示。

圖2顯示，不同RAP摻量的瀝青混合料能夠調(diào)整到幾乎相同的級配曲線，表明了經(jīng)過分類使用的RAP材料可以與新集料組成滿足規(guī)范要求的各種級配曲線類型。根據(jù)公式（1）和公式（2），以及RAP的摻量，分別預(yù)估新瀝青的用量，并進(jìn)行瀝青混合料馬歇爾試件的試打工作，根據(jù)不同油石比的毛體積相對密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等試驗(yàn)結(jié)果，按照瀝青混合料最佳油石比的計算方法，確定RAP摻配量為0%、10%、20%、30%、40%時的最佳油石比分別為4.%、4.3%、4.4%、4.5%、以及4.75%。按照該油石比，對不用RAP摻量的路用性能進(jìn)行了檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖2 設(shè)計級配

表3顯示，隨著RAP摻量的不斷增大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度并未出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，反而是不斷的增加，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，與舊瀝青中瀝青質(zhì)含量比例的升高有關(guān)。根據(jù)文章公式（1）和公式（2）所述的規(guī)律，隨著舊瀝青比例的提升，再生瀝青中的黏滯性是隨之不斷增大的，具體的表現(xiàn)為針入度的降低以及軟化點(diǎn)的升高，最終造成瀝青模量的提升。于是出現(xiàn)了如表3所示的動穩(wěn)定度隨RAP摻量的增大而提升的現(xiàn)象。同時該理論也相應(yīng)的解釋了彎曲進(jìn)度模量試驗(yàn)規(guī)律。

表3 廠拌熱再生瀝青混合料技術(shù)性能

但是廢舊瀝青再生后的力學(xué)性能相對較低，特別是與低溫相關(guān)的力學(xué)指標(biāo)，如表3所示的最大彎拉應(yīng)變，RAP摻量40%時的值幾乎為無RAP摻量時的一半左右，說明RAP中的瀝青雖然經(jīng)過了輕質(zhì)組分的再生作用，但無法恢復(fù)到新瀝青的技術(shù)性能，尤其表現(xiàn)在低溫性能上。上述規(guī)律提示RAP的摻配比率在冬季溫度較低的地區(qū)不應(yīng)該過高。

廠拌熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)主要是凍融劈裂強(qiáng)度比和殘穩(wěn)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價，表3顯示，隨著RAP摻配率的不斷增加，再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度出現(xiàn)了顯著下降的趨勢，凍融劈裂強(qiáng)度比也出現(xiàn)了相應(yīng)的下降。出現(xiàn)上述規(guī)律，提示RAR中舊瀝青抵抗水損害的能力相對較低。這一點(diǎn)可以從瀝青之間的粘結(jié)力上進(jìn)行解釋。一般而言，經(jīng)過最佳油石比設(shè)計后的瀝青混合料，瀝青與石料、瀝青與瀝青之間均是以結(jié)構(gòu)瀝青的形式粘結(jié)在一起，部分瀝青可能存在自由瀝青黏結(jié)的情況，但整體黏結(jié)力較強(qiáng)，特別是結(jié)構(gòu)瀝青其黏結(jié)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過瀝青材料之間的分子力。而經(jīng)過老化之后的瀝青，瀝青之間的粘結(jié)體系已經(jīng)遭到破壞，殘存的黏結(jié)力相對較小，經(jīng)過再生補(bǔ)充了部分輕質(zhì)組分后，其黏結(jié)力有所提升，但無法提升到新瀝青的水平，于是造成了再生瀝青混合料水穩(wěn)定性相對較差的結(jié)果，且隨著RAP材料在瀝青混合料中質(zhì)量占比的提升而愈發(fā)的明顯。水穩(wěn)定性的降低容易造成坑槽、松散、剝落等病害的產(chǎn)生，所以在降水量較多的地區(qū)需要限制RAP的含量不宜過高。

總之，廠拌熱再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨著RAP的摻量的增大而增大，但水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能則隨著RAP摻量的增大而減小。所以對于RAP的使用不應(yīng)過度的追求高摻量，而應(yīng)該以基本路用性能為基準(zhǔn)。

3 結(jié)論

文章針對廠拌熱再生瀝青混合料的兩個關(guān)鍵問題展開了研究工作，取得的主要結(jié)論如下：

①向舊瀝青中添加輕質(zhì)組分補(bǔ)全缺失芳香分和飽和分，降低瀝青質(zhì)占比，可以較大程度的提升再生瀝青的技術(shù)性能。

②廠拌熱再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨著RAP的摻量的增大而增大，但水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能則隨著RAP摻量的增大而減小。