不同摻量細(xì)RAP的廠拌熱再生AC-13路用性能研究

何書進(jìn)，黃哲驍，屈慶余，劉 進(jìn)，蔡 平，包廣志

(1.葛洲壩湖北襄荊高速公路有限公司，荊門 448000；2.葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司，武漢 430000；3.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，武漢 430000)

我國(guó)公路建設(shè)，尤其是高速公路的大規(guī)模建設(shè)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，高速公路總里程已超過16萬(wàn)km，其中90%以上的路面為瀝青混凝土路面。目前，已建設(shè)的高速公路陸續(xù)進(jìn)入大、中修期，每年產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)。在資源匱乏的全球背景下，瀝青路面再生技術(shù)是公路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，在我國(guó)現(xiàn)階段尤其具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

廠拌熱再生技術(shù)是將瀝青銑刨料運(yùn)至拌合站與新集料和新瀝青/再生劑拌和而成具有良好路用性能的瀝青混合料，進(jìn)而重新鋪筑使用[4,5]。實(shí)踐證明，瀝青混合料廠拌熱再生技術(shù)施工質(zhì)量易于把控，如果采用完善的設(shè)計(jì)和正確的施工方案，熱再生瀝青混合料的性能可達(dá)到甚至超過普通熱拌瀝青混合料。但在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，受舊料加熱溫度、級(jí)配等因素影響，RAP摻配比例提升后再生混合料路用性能難以達(dá)到預(yù)期。該文采用襄荊高速公路實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的上面層細(xì)廢舊瀝青混合料作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同RAP摻量下的再生混合料馬歇爾體積參數(shù)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性的變化規(guī)律，以期為工程應(yīng)用提供參考[6，7]。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用銑刨料均來(lái)自于襄荊高速公路某路段上面層。原混合料類型為Sup-13，經(jīng)預(yù)處理破碎、篩分后分為0～8 mm、8～26 mm兩檔，破碎篩分后0～8 mm檔占比超過70%。主要原因是瀝青混合料經(jīng)長(zhǎng)期荷載碾壓，集料不同程度受到粉化，經(jīng)銑刨、破碎后，廢舊料進(jìn)一步粉化。為提升廢舊料整體利用率，對(duì)0～8 mm檔細(xì)RAP進(jìn)行再生研究，再生時(shí)僅摻配細(xì)RAP進(jìn)行使用。0～8 mm檔RAP抽提后篩分結(jié)果見表1。

表1 0～8 mm RAP抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果 /%

試驗(yàn)用改性瀝青為SBS(I-D)型，各項(xiàng)指標(biāo)滿足使用要求，檢測(cè)指標(biāo)見表2。試驗(yàn)用再生劑各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表3，滿足使用要求。

表2 改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表3 再生劑技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)用新的粗、細(xì)集料均采用輝綠巖，填料采用石灰?guī)r礦粉，各項(xiàng)參數(shù)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)要求。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)首先根據(jù)RAP中瀝青老化程度確定再生劑摻配比例，接著基于馬歇爾試驗(yàn)方法分別進(jìn)行0、20%、30%、40%共計(jì)4個(gè)不同RAP摻配比例的混合料配合比設(shè)計(jì)，確定合適礦料級(jí)配和最佳瀝青用量。最后對(duì)比4種RAP摻量下的再生混合料馬歇爾體積參數(shù)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生劑摻量確定

試驗(yàn)選用0、2%、4%、6%、8%、10%共6個(gè)摻量的再生劑與回收的舊瀝青進(jìn)行調(diào)和，通過測(cè)定調(diào)和后的舊瀝青三大指標(biāo)和135 ℃布氏黏度確定再生劑最佳摻配比例，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同再生劑摻量下的舊瀝青部分技術(shù)指標(biāo)

通過表4可以看出，隨著再生劑摻量的增加，針入度和延度隨之增大，軟化點(diǎn)和布氏黏度降低，表明舊瀝青中的輕質(zhì)組分得到補(bǔ)充，黏彈特性得到恢復(fù)，但原再生劑無(wú)法修復(fù)原SBS的黏彈特性。當(dāng)再生劑摻量達(dá)到6%時(shí)，調(diào)和的舊瀝青接近于70#基質(zhì)瀝青各項(xiàng)參數(shù)。因此，該試驗(yàn)確定6%為再生劑摻量進(jìn)行使用。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

通過馬歇爾設(shè)計(jì)方法對(duì)RAP摻量0、20%、30%、40%的AC-13混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，各檔礦料占比見表5。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別預(yù)估不同摻量RAP的新瀝青用量進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，對(duì)比不同新瀝青下的馬歇爾體積參數(shù)，最終確定0、20%、30%、40%RAP摻量的最佳新瀝青用量分別為4.9%、3.3%、2.7%、2.4%。

表5 不同RAP摻量的混合料礦料摻配比例

試驗(yàn)基于上述不同RAP摻量的配比，通過馬歇爾試驗(yàn)、60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)研究不同RAP摻量對(duì)再生料路用性能的影響。

2.3 路用性能

2.3.1 馬歇爾體積參數(shù)

馬歇爾試驗(yàn)涉及的再生瀝青混合料性能主要參數(shù)有空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、流值等，不同RAP摻量的部分馬歇爾體積參數(shù)見表6。

表6 不同RAP摻量的混合料馬歇爾體積參數(shù)

從表6中可以看出，不同RAP摻量下的再生混合料空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、流值均滿足技術(shù)要求。隨著RAP摻量的增加，再生混合料的空隙率出現(xiàn)變大，馬歇爾穩(wěn)定度降低，流值增大，主要原因是0～8 mm檔RAP中存在較多瀝青和細(xì)集料或礦粉形成的“油團(tuán)顆?！?。這些“油團(tuán)顆?！钡某叽缤ǔＴ?.36 mm以上，外表皮上包裹了一層厚厚的瀝青膠漿。在拌和時(shí)由于加熱溫度受限，“油團(tuán)顆?！蔽瓷㈤_而是充當(dāng)粒徑更大的集料進(jìn)行使用，更細(xì)的2.36 mm以下粉料缺失，隨著RAP摻配比例增加粉料缺失也會(huì)更多，所以空隙率增大。

2.3.2 高溫穩(wěn)定性

由于瀝青路面直接接受車輛荷載和環(huán)境因素的影響，且瀝青混合料的強(qiáng)度和抗變形能力隨溫度的升降而產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致瀝青路面的穩(wěn)定性和工作狀態(tài)變差。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性通常采用60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)(T0719)進(jìn)行車轍試驗(yàn)。不同RAP摻量的動(dòng)穩(wěn)定度見圖1。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同RAP摻量的廠拌熱再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中≥2 800次/mm的要求，與未加廢舊料相比，20%、30%、40%RAP摻量的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升17%、40.6%、65.3%。表明隨著RAP摻量的增加，60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度隨之增加，再生混合料的高溫穩(wěn)定性得到提升。上面層瀝青混合料在長(zhǎng)期服役過程中，瀝青在自然環(huán)境下經(jīng)溫度、光照、雨水及交通荷載各種因素作用出現(xiàn)老化，輕質(zhì)組分丟失，高溫黏度增加，進(jìn)而導(dǎo)致混合料高溫穩(wěn)定性得到一定提升。

2.3.3 水穩(wěn)定性

瀝青路面在雨水冰雪作用下往往會(huì)出現(xiàn)脫粒、松散，病害進(jìn)一步延伸會(huì)出現(xiàn)坑洞，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是瀝青混合料在水的浸蝕下，瀝青從集料表面出現(xiàn)剝落，使集料顆粒失去黏結(jié)而松散，這就是瀝青路面的水損害現(xiàn)象。目前，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害的試驗(yàn)方法，主要有殘留馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)，不同RAP摻量下的再生混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比、凍融劈裂強(qiáng)度比見圖2、圖3。

從圖2、圖3中可以看出，隨著RAP摻量增加，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比隨之降低。當(dāng)RAP摻量達(dá)到40%時(shí)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比不滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對(duì)于AC-13浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比≥85%、凍融劈裂強(qiáng)度比≥80%的技術(shù)要求。主要原因是礦料與瀝青的粘附性不足導(dǎo)致，加入RAP后，新瀝青用量降低，而“油團(tuán)顆粒”中的舊瀝青在拌合中完全熔融，無(wú)法與新瀝青實(shí)現(xiàn)較高程度融合，導(dǎo)致集料表面新、舊瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度降低。

2.3.4 低溫抗裂性

上面層瀝青路面在冬季氣溫較低時(shí)，在車輛荷載作用下，混合料柔韌性不足會(huì)因收縮導(dǎo)致橫向裂縫的產(chǎn)生。如果瀝青路面在低溫條件下能夠保證足夠的柔韌性，在短時(shí)間內(nèi)可以將混合料產(chǎn)生的收縮應(yīng)力松弛消失，進(jìn)而避免裂縫的產(chǎn)生。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中以30 mm×35 mm×250 mm的混合料小梁在-10 ℃、加載速率50 mm/min條件下的極限破壞應(yīng)變作為瀝青混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同RAP摻量下的低溫小梁彎曲應(yīng)變見圖4。

由圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著RAP摻量增加，低溫小梁彎曲應(yīng)變降低，表明RAP摻量增加不利于再生混合料的低溫抗裂性能。在RAP摻量為0、20%、30%時(shí)，低溫小梁彎曲應(yīng)變能夠滿足≥2 500×10-6的技術(shù)要求，但RAP摻量達(dá)到40%時(shí)低溫抗裂性能不能滿足技術(shù)要求。在生產(chǎn)時(shí)基于調(diào)和瀝青的再生機(jī)理，再生劑的加入能夠一定程度的改善舊瀝青的黏彈性，但并不能使全部舊瀝青的輕質(zhì)組分得到補(bǔ)充。尤其是廢舊料表面的結(jié)構(gòu)瀝青，與新瀝青混合料相比廢舊料的脆性依舊較大，RAP的加入降低混合料的低溫柔韌性。

3 結(jié) 論

a.隨著細(xì)RAP的摻配增加，由于廢舊料中的“油團(tuán)顆粒”存在，在拌合時(shí)難以散開，導(dǎo)致細(xì)料缺失，空隙率隨之增大。

b.與未加入廢舊料相比，20%、30%、40%RAP摻量下的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升17%、40.6%、65.3%，再生混合料的高溫穩(wěn)定性得到一定程度的提升。

c.對(duì)比不同細(xì)RAP摻配比例下的混合料水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能，隨著細(xì)RAP摻配比例增加，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比、凍融劈裂強(qiáng)度比、低溫小梁彎曲應(yīng)變隨之降低，為保證滿足技術(shù)要求RAP摻配比例不宜超過30%。