RAP級配變異性對廠拌冷再生瀝青混合料路用性能影響

張 爍， 萬 寧， 何光鋒

(1.中交路橋華南工程有限公司， 廣東 中山 528403； 2.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410114)

0 引言

近年來我國公路建設(shè)進(jìn)入了大、中型維修的高峰期，需要改建或大修的瀝青路面與日俱增。然而目前的配合比設(shè)計(jì)中，平均只有10%～20%的路面回收材料(RAP)被回收利用。高摻量RAP的再生利用可以節(jié)約能源和建筑材料，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)避免了大量RAP廢棄，有利于環(huán)境和路面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，未來勢必會得到越來越多的應(yīng)用[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者對冷再生瀝青混合料路用性能的研究頗多，有人發(fā)現(xiàn)冷再生混合料路用性能與水泥摻量、RAP摻量、養(yǎng)生時(shí)間和外加材料等因素息息相關(guān)[3-6]。同時(shí)，RAP的各項(xiàng)性質(zhì)不夠穩(wěn)定，變異性較大，從而導(dǎo)致再生混合料質(zhì)量不穩(wěn)定，影響其路用性能[7-9]，Valdés等[10]研究發(fā)現(xiàn)RAP含量越高，瀝青混合料性能變化越大。為了使RAP變異性得到穩(wěn)定控制，有學(xué)者針對不同銑刨方式和工藝對RAP的影響進(jìn)行相關(guān)研究，分析表明：分層銑刨能降低RAP級配的變異性，銑刨速度越低RAP級配越細(xì)[11]；進(jìn)行破碎、篩分、分檔處理后RAP的礦料級配更加穩(wěn)定，變異性有所降低[12-14]。目前未發(fā)現(xiàn)有RAP級配變異性對廠拌冷再生瀝青混合料路用性能影響的相關(guān)研究。

為此，本文依托佛山一環(huán)西拓舊路改造路面工程，應(yīng)用RAP摻量為80%的乳化瀝青冷再生混合料于重載交通的高速公路基層上，分析2種不同篩分方式的RAP級配變異系數(shù)CV對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響，為冷再生混合料發(fā)展應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1乳化瀝青

試驗(yàn)采用冷再生專用乳化瀝青，為慢裂陽離子型，乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果見表1，均達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求。

1.1.2RAP

佛山一環(huán)西拓舊路改造工程原路面上面層膠結(jié)料為SBS改性瀝青，中、下面層膠結(jié)料為70#重交瀝青。對上面層與中、下面層分別進(jìn)行RAP銑刨回收與堆放，本文冷再生研究采用中、下面層

表1 乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果類別篩上剩余量(1.18 mm 篩)/%粒子電荷破乳速度恩格拉黏度蒸發(fā)殘留物性質(zhì)殘留含量/%針入度(100 g,25 ℃,5 s) /0.1 mm殘留延度( 15 ℃)/cm1 d貯存穩(wěn)定性/%與礦料的黏附性(裹附面積)技術(shù)要求≤0.1陽離子(+)慢裂2～30≥6360～100≥40≤1≥2/3結(jié)果0.05陽離子(+)慢裂4.463.96679 0.4>2/3

RAP。瀝青路面長期受車輛來回碾壓、雨水沖刷等多種荷載作用，路面的各種性能減弱，級配也有所改變。此外，RAP的來源、路面結(jié)構(gòu)層及瀝青路面養(yǎng)護(hù)歷史各不相同，RAP性質(zhì)也有不同，導(dǎo)致RAP粗料和細(xì)料不均勻，瀝青含量也不相同。因此將RAP合理地篩分、分檔后再進(jìn)行存儲，可以產(chǎn)生良好的作用[12]。為了與原樣篩分區(qū)別，與以往將RAP當(dāng)成“黑色石頭”處理不同[15]，采用離心分離法對舊瀝青混合料進(jìn)行抽提試驗(yàn)，分離瀝青和集料再對回收礦料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，稱為抽提篩分。本研究分別對其進(jìn)行原樣篩分試驗(yàn)和抽提篩分試驗(yàn)，并將RAP級配與礦料級配進(jìn)行對比。本文采用中粒式級配類型進(jìn)行冷再生混合料性能研究，把RAP分成4檔，規(guī)格為:22～25 mm(RAP1#)、11～22 mm(RAP2#)、6～11 mm(RAP3#)、0～6mm(RAP4#)。

1.1.3粗集料、水泥和填料

根據(jù)中粒式廠拌冷再生瀝青混合料的級配要求及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，粗集料采用10～20 mm石灰石，其試驗(yàn)結(jié)果見表2；水泥采用P·O 42.5水泥，按摻量為1.5%；填料采用石灰石礦粉，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 粗集料石灰?guī)r試驗(yàn)結(jié)果類別各篩孔平均通過百分率/%26.5199.54.752.360.30.075<0.075 mm顆粒含量/%表觀相對密度毛體積相對密度吸水率/%技術(shù)要求———————≤1≥2.5—≤2.0實(shí)測值100.0 87.0 1.6 0.4 0.4 0.2 0.1 0.1 2.736 2.709 0.36 結(jié)果判定———————合格合格—合格

表3 礦粉試驗(yàn)結(jié)果類別密度/g·cm-3 以下篩孔(mm)的通過百分率/%0.60.150.075塑性指數(shù)/%標(biāo)準(zhǔn)≥2.510090～10075～100<4實(shí)測值2.722 100.0 99.0 94.7 2.6結(jié)果判定合格合格合格合格合格

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1乳化瀝青冷再生混合料級配

本研究中乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)采用《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)的中粒式的工程級配范圍，分別根據(jù)材料原樣篩分、抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果來調(diào)整冷再生混合料合成級配曲線。

1.2.2確定最佳含水率

參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)中T0131-2019試驗(yàn)方法，預(yù)估的乳化瀝青試驗(yàn)用量定為4%，分別采用3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%的含水率對原樣篩分級配、抽提篩分級配的合成礦料進(jìn)行重型擊實(shí)(3層)試驗(yàn)，成型6組試件，繪制干密度和含水率的關(guān)系曲線得到最佳含水率。

1.2.3確定最佳乳化瀝青用量

行政事業(yè)單位掌握著重要的公共權(quán)力，當(dāng)其公共權(quán)力為落實(shí)到位，在日常工作中出現(xiàn)違法違紀(jì)行為，產(chǎn)生的后果也會非常嚴(yán)重。我國曾曾出現(xiàn)過諸多的風(fēng)險(xiǎn)事件，所帶來的影響和危害性也有目共睹。很顯然，對于風(fēng)險(xiǎn)事件的評估能力與評估意識還相對缺乏。

參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)和《佛山一環(huán)高速化改造路面工程廠拌冷再生混合料質(zhì)量管理手冊》冷再生配合比設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，對合成級配進(jìn)行拌和、成型。原樣篩分級配取乳化瀝青用量3%、3.5%、4%、4.5%、5%進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)估中值為4%；抽提篩分級配取乳化瀝青用量3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)估中值為4.5%。2種級配分別成型5組馬歇爾試件，測定常溫條件下的干濕劈裂強(qiáng)度，繪制干濕劈裂強(qiáng)度和乳化瀝青用量的關(guān)系曲線，確定最佳乳化瀝青用量。

1.2.4路用性能測試方法

為了對比原樣篩分級配和抽提篩分級配的再生混合料性能優(yōu)劣，2種級配的再生混合料都在最佳含水率和最佳乳化瀝青用量條件下，參照《公路工程瀝青與混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)，路用性能由試驗(yàn)結(jié)論來評價(jià)。

2 RAP級配變異性分析

RAP樣本數(shù)據(jù)的離散程度按照變異系數(shù)來分析，記作CV，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

3 原樣篩分和抽提篩分對RAP級配變異性的影響

3.1 RAP的篩分試驗(yàn)

對4檔規(guī)格的RAP進(jìn)行原樣篩分和抽提篩分試驗(yàn)，各檔RAP的6次原樣篩分、抽提篩分通過率均值分別見表4、表5。

表4 RAP原樣篩分結(jié)果規(guī)格以下篩孔(mm)的通過率/%31.526.5199.54.752.360.30.075RAP1#100.0100.09.70.73.50.40.30.1RAP2#100.0100.097.53.50.60.50.30.1RAP3#100.0100.0100.087.92.60.60.40.1RAP4#100.0100.0100.0100.096.155.24.90.15

表5 RAP抽提篩分結(jié)果規(guī)格以下篩孔(mm)的通過率/%31.526.5199.54.752.360.30.075RAP1#100.097.542.529.418.113.96.54.2RAP2#100.0100.096.749.623.218.08.65.5RAP3#100.0100.0100.095.055.436.615.19.5RAP4#100.0100.0100.0100.098.175.124.615.5

3.2 RAP級配原樣篩分和抽提篩分變異性對比

對4種規(guī)格的RAP原樣篩分和抽提篩分的結(jié)果進(jìn)行變異性分析，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：

2)對于同一分檔規(guī)格RAP的級配變異性，隨著篩孔尺寸增加，原樣篩分和抽提篩分的CV大小逐漸接近，且整體都是保持著減小趨勢。其原因是RAP的粒徑越大通過率也越大，其級配變異性越小，進(jìn)而計(jì)算得到的CV越小[14]。

圖1 4檔RAP料原樣篩分和抽提篩分變異性對比

4 冷拌再生瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

4.1 乳化瀝青冷再生混合料級配

摻配比例為m(RAP)∶m(新料)∶m(礦粉)=80∶18∶2，外摻水泥1.5%，按照原樣篩分、抽提篩分調(diào)整所得的合成級配曲線如圖2所示，滿足AC-20C級配范圍要求。

圖2 再生AC-20C合成級配曲線

由圖2可知，2種級配都能達(dá)到技術(shù)規(guī)范級配要求，原樣篩分調(diào)整所得的合成級配更接近級配下限。

4.2 最佳含水率

最佳含水量試驗(yàn)結(jié)果見圖3。根據(jù)圖3所示，確定冷再生混合料室內(nèi)最佳含水率，原樣篩分級配取4.8%，抽提篩分級配取5.5%。

圖3 最佳含水量試驗(yàn)

4.3 最佳乳化瀝青用量

原樣篩分、抽提篩分級配的干、濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合確定乳化瀝青最佳用量，原樣篩分級配取4.3%，抽提篩分級配取4.9%。

圖4 原樣篩分不同乳化瀝青用量的干、濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

圖5 抽提篩分不同乳化瀝青用量的干、濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

5 路用性能變異性分析

AC-20C型冷再生瀝青混合料在水泥摻量1.5%、最佳含水率(原樣篩分級配為4.8%、抽提篩分級配為5.5%)、最佳乳化瀝青用量(原樣篩分級配為4.3%、抽提篩分級配為4.9%)、RAP摻量80%的試驗(yàn)條件下成型各試驗(yàn)試件。對其進(jìn)行干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)選取原樣篩分級配、抽提篩分級配的試件各6個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果取6次試驗(yàn)結(jié)果均值，如表6所示。

表6 路用性能試驗(yàn)結(jié)果類別干、濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)凍融劈裂試驗(yàn)浸水馬歇爾試驗(yàn)(40 ℃)高溫穩(wěn)定性(60 ℃)干濕劈裂強(qiáng)度比/%變異系數(shù)/%凍融前后劈裂強(qiáng)度比/%變異系數(shù)/%殘留穩(wěn)定度/%變異系數(shù)/%動穩(wěn)定度/ (次·mm-1)變異系數(shù)/%原樣篩分96.22.42782.7693.41.339 2713.25抽提篩分981.8983.62.2495.90.879 8741.91技術(shù)要求≥80—≥70—≥75—≥3 000—

由表6可知，2種篩分級配的再生瀝青混合料具有較好的路用性能，能在重載交通的高速公路基層上應(yīng)用。

對于再生瀝青混合料的干濕劈裂強(qiáng)度比，抽提篩分比原樣篩分提升了1.8% ，變異系數(shù)降低了0.53%；對于再生瀝青混合料的凍融前后劈裂強(qiáng)度比，抽提篩分比原樣篩分提升了5.6%，變異系數(shù)降低了0.52%；對于再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，抽提篩分比原樣篩分提升了2.5%，變異系數(shù)降低了0.46%。抽提篩分的再生混合料水穩(wěn)定性更穩(wěn)定、良好，是因?yàn)闉r青混合料級配會對其水穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[14]，抽提篩分級配的CV整體上比原樣篩分級配要小，可以進(jìn)一步保證瀝青混合料材料的均勻性，進(jìn)而使瀝青混合料中各級礦料嵌擠得緊密，空隙率更小，水穩(wěn)定性更好。

再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度都遠(yuǎn)大于技術(shù)要求，高溫性能非常好，抽提篩分級配的動穩(wěn)定度比原樣篩分級配提升了603次/mm，變異系數(shù)降低了1.34%，由此可知RAP級配的CV越小，相應(yīng)的瀝青混合料動穩(wěn)定度CV也越小，高溫性能也更穩(wěn)定。再生瀝青混合料骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度與高溫性能息息相關(guān)[13]，越密實(shí)則高溫性能更好[16]。抽提篩分的RAP級配CV越小，集料粗細(xì)更均勻、更細(xì)，更多細(xì)集料能夠填充粗集料的間隙。

綜上所述，建議對RAP采用抽提篩分，讓再生混合料的路用性能更穩(wěn)定、良好。

6 結(jié)論

1)同一公稱粒徑上，對比4檔RAP料的級配變異性，原樣篩分的CV整體比抽提篩分大。

2)與原樣篩分相比，抽提篩分的路用性能都更好，路用性能各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的CV都更小。

3)建議將RAP抽提篩分，進(jìn)而設(shè)計(jì)乳化瀝青冷再生混合料的合成級配。