高RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

趙 彩 馬魯寬

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

瀝青路面廠拌熱再生作為一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的養(yǎng)護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了道路工程循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在公路養(yǎng)護(hù)工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。目前，廠拌熱再生研究的熱點(diǎn)之一在于瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的摻量問題。RAP摻量大小會顯著影響到再生瀝青混合料的路用性能與再生路面施工的經(jīng)濟(jì)性。調(diào)研結(jié)果顯示大多數(shù)廠拌熱再生實(shí)體工程RAP的摻量一般不高于30%[5-7]，且其性能基本可以達(dá)到新拌瀝青混合料的技術(shù)要求。然而，綜合考慮拌和設(shè)備的改造費(fèi)用、舊路面的銑刨費(fèi)用及RAP材料的運(yùn)輸費(fèi)用，當(dāng)RAP摻量較低時(shí)廠拌熱再生路面工程的經(jīng)濟(jì)效益并不顯著[8-9]，這從一定程度上限制了廠拌熱再生的規(guī)?；瘧?yīng)用。

基于此，本文針對RAP高摻量情況，分別以30%，50%，70% RAP摻量設(shè)計(jì)廠拌熱再生瀝青混合料AC-20，通過馬歇爾試驗(yàn)確定了高RAP摻量最佳油石比，采用車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)，綜合分析其路用性能，并鋪筑試驗(yàn)路進(jìn)一步探索高RAP摻量的再生路面的性能特點(diǎn)，以期為高RAP摻量廠拌熱再生的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)與參考。

1 原材料

1.1 RAP

本文用RAP為某高速公路維修路段銑刨回收料，按JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對其技術(shù)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。

表1 RAP技術(shù)指標(biāo)

由表1可見，RAP中瀝青針入度與延度較低，表明該路面經(jīng)長期行車荷載及自然環(huán)境作用下瀝青老化程度較高，因此需要添加再生劑以恢復(fù)其流變性能。

1.2 再生劑

本文選用上海某公司提供的石化油基再生劑，其技術(shù)指標(biāo)見表2，經(jīng)測試確定其摻量為RAP摻量的0.15%，此時(shí)再生瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 再生劑技術(shù)指標(biāo)

表3 再生瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.3 SBS改性瀝青

新加瀝青為SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)列于表4。

表4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.4 礦料

礦料為石灰?guī)r粗、細(xì)集料及礦粉，各檔集料毛體積相對密度見表5。

表5 礦料毛體積相對密度

2 試驗(yàn)方案

2.1 材料組成設(shè)計(jì)

RAP經(jīng)破碎、篩分、分檔處理后，分別以30%、50%、70%RAP摻量設(shè)計(jì)再生瀝青混合料AC-20的合成級配見圖1。

圖1 再生瀝青混合料配合比

再生瀝青混合料總瀝青含量包括三部分：RAP中老化瀝青、再生劑及新加SBS改性瀝青。分別以3.8%，4.1%，4.4%，4.7%，5.0%油石比成型馬歇爾試件，并測試空隙率、穩(wěn)定度、毛體積密度等指標(biāo)，計(jì)算得到各RAP摻量再生混合料最佳油石比。

2.2 再生瀝青混合料性能室內(nèi)試驗(yàn)

以最佳油石比分別成型各RAP摻量再生混合料試件，采用車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)分別評價(jià)再生瀝青混合料高溫抗車轍性能、低溫抗裂性及抗水損壞性能。

2.3 現(xiàn)場試驗(yàn)路試驗(yàn)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果，選擇綜合路用性能滿足規(guī)范要求的RAP摻量進(jìn)行試驗(yàn)路鋪筑，分別進(jìn)行鉆芯取樣、滲水試驗(yàn)測試其壓實(shí)度、滲水系數(shù)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 最佳油石比

試驗(yàn)得不同RAP摻量下再生混合料最佳油石比見圖2。

圖2 再生混合料最佳油石比

由圖2可見，隨著RAP摻量的增加，再生混合料最佳油石比略有增高。這是因?yàn)?，隨著RAP摻量的增加，再生混合料總瀝青用量中舊瀝青占比增大，新加SBS改性瀝青占比減少，而由于舊瀝青受到再生劑軟化調(diào)和并不充分，只有部分處于流動狀態(tài)與新瀝青共同填充礦料間隙，導(dǎo)致瀝青飽和度較低，因而總瀝青用量需要有所升高。

3.2 高溫穩(wěn)定性

圖3為不同RAP摻量下再生混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 再生混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可見，再生混合料的動穩(wěn)定度隨著RAP摻量的增加呈線性增長趨勢，表明再生混合料高溫抗變形能力得到增強(qiáng)。這是因?yàn)镽AP中的瀝青老化變硬，抗變形能力增強(qiáng)，隨著RAP摻量的增加而愈發(fā)凸顯。當(dāng)RAP摻量高于50%時(shí)，再生混合料的動穩(wěn)定度均高于4 000次/mm，可以滿足重交通路面的抗車轍要求。

3.3 低溫抗裂性

圖4為不同RAP摻量下再生混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 再生混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可見，隨著RAP摻量的增加，再生混合料最大彎拉應(yīng)變加劇降低，說明再生混合料低溫抗裂性變差。這是因?yàn)镽AP中瀝青老化變脆，且隨著RAP摻量的增加，再生混合料中RAP容易分布不均，新舊材料界面處成為混合料薄弱環(huán)節(jié)，在低溫條件下容易發(fā)生斷裂破壞。行業(yè)規(guī)范要求冬寒區(qū)瀝青混合料破壞應(yīng)變不低于2 800×10-6，冬冷區(qū)不低于2 500×10-6[10]。本研究結(jié)果顯示當(dāng)RAP摻量分別為50%，70%時(shí)，再生混合料破壞應(yīng)變分別為2 510×10-6，1 890×10-6，70%RAP摻量再生混合料低溫抗開裂性能已不滿足規(guī)范要求。

3.4 水穩(wěn)定性

圖5和圖6分別為不同RAP摻量下再生混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 再生混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖6 再生混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖5、圖6可見，再生混合料殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比隨RAP摻量增加均呈下降趨勢，表明RAP摻量越高，再生混合料的水穩(wěn)定性越差。雖然3種摻量下再生混合料殘留穩(wěn)定度均高于85%，凍融劈裂強(qiáng)度比高于80%，符合規(guī)范使用要求。但不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RAP摻量達(dá)到70%時(shí)，再生混合料的抗水損壞能力下降幅度較大，且在凍融劈裂試驗(yàn)加載破壞階段出現(xiàn)松散掉?，F(xiàn)象，這說明在凍融條件下其內(nèi)部容易產(chǎn)生微裂紋，水分侵入裂隙中破壞了瀝青與集料間的黏附性，使得混合料的水穩(wěn)定性急劇降低。因此，需嚴(yán)格控制RAP摻量。

3.5 現(xiàn)場應(yīng)用

依托某高速公路維修養(yǎng)護(hù)實(shí)體工程，分別以RAP摻量30%，50%鋪筑200 m瀝青路面上面層試驗(yàn)路段，并進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，結(jié)果見圖7、表6。

圖7 現(xiàn)場鉆芯取樣結(jié)果

表6 壓實(shí)度與滲水系數(shù)

由圖7可見，當(dāng)RAP摻量為30%時(shí)，集料分布均勻且間隙較小，再生混合料較為致密；當(dāng)RAP摻量達(dá)到50%時(shí)，再生混合料接近路表部分出現(xiàn)明顯孔隙，瀝青與細(xì)集料出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，再生混合料較為粗疏，這主要與新舊瀝青融合較差有關(guān)。

由表6可見，2種RAP摻量下再生瀝青混合料的壓實(shí)度與滲水系數(shù)均滿足規(guī)范要求；但隨著RAP摻量的增加，再生混合料壓實(shí)度減小而滲水系數(shù)增加，表明RAP摻量越高越容易產(chǎn)生水損壞。因此，當(dāng)RAP摻量較高時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加壓實(shí)遍數(shù)提高再生混合料密實(shí)度，從而增強(qiáng)其水穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

1)室內(nèi)試驗(yàn)表明，隨著RAP摻量的增加，廠拌熱再生瀝青混合料最佳油石比增加，再生瀝青混合料高溫抗車轍能力增強(qiáng)，低溫抗裂性能和抗水損壞能力降低。根據(jù)路面層位功能要求，低RAP摻量宜應(yīng)用路面表面層以保證其抗低溫性能，高RAP摻量可應(yīng)用于路面中/下面層以充分利用其抗變形能力。

2)室內(nèi)試驗(yàn)表明，當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，再生混合料具有優(yōu)秀的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，良好的低溫抗裂性能；但是當(dāng)RAP摻量達(dá)到70%時(shí)，再生混合料低溫性能已不滿足規(guī)范要求。

3)試驗(yàn)路試驗(yàn)表明，隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的均勻性變差，壓實(shí)度降低，滲水系數(shù)升高，應(yīng)適當(dāng)增加壓實(shí)遍數(shù)提高再生混合料密實(shí)度，從而增強(qiáng)其水穩(wěn)定性。