RAP舊料在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中全比例應(yīng)用的理論分析與探討

韓文珍,秦棟華

(1.山西辰潤(rùn)交通科技有限公司,山西 晉中 030600;2.山西路橋第六工程有限公司,山西 晉中 030600)

0 引 言

隨著《公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5142-01—2021)2021年12月1日起施行以來,微表處由于其開放交通快、施工方便、可綜合改善路面,具有造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣泛的路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)之一。再生瀝青混合料,又稱RAP(Reclaimed Asphalt Pavement的縮寫),目前在工程中應(yīng)用愈來愈廣泛,基于舊料精細(xì)分離工藝,將RAP與微表處結(jié)構(gòu)高效融合,實(shí)現(xiàn)舊料的100%再利用,可以在保證微表處結(jié)構(gòu)路用性能的前提下,極大降低微表處結(jié)構(gòu)工程造價(jià),極具發(fā)展前景,面對(duì)有限的養(yǎng)護(hù)資金和更高的固廢循環(huán)利用水平,開展全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究,解決瀝青路面材料高效再生利用關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,走在RAP理論前沿、占據(jù)RAP創(chuàng)新高點(diǎn)、取得RAP產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì),是提高瀝青路面預(yù)養(yǎng)護(hù)能力的新舉措。

1 微表處結(jié)構(gòu)與RAP高效融合的技術(shù)瓶頸

國(guó)內(nèi)外對(duì)于微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)已進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究,在材料組成設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)、施工工藝等方面取得大量研究成果,該項(xiàng)技術(shù)已成為我國(guó)瀝青路面最主要的預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)之一,尤其可大幅提升路面的綜合性能。目前,雖然有學(xué)者嘗試在微表處結(jié)構(gòu)混合料中摻加RAP,但是舊料摻量有限,一般不超過50%,而且微表處結(jié)構(gòu)混合料質(zhì)量表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,現(xiàn)有研究未能從材料源頭控制高比例舊料微表處結(jié)構(gòu)混合料質(zhì)量變異性。在保證微表處結(jié)構(gòu)混合料性能的前提下,如何實(shí)現(xiàn)舊料的100%再利用,面臨以下亟待解決的問題。

1.1 對(duì)廢舊瀝青路面材料精細(xì)分離工藝與裝備研究不足

廢舊瀝青路面材料中石料與瀝青相互裹覆,黏結(jié)成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),因此舊料并不是單一的顆粒物,而是一種混合顆粒,往往舊料中的一個(gè)顆粒是由許多較細(xì)顆粒黏聚而成。因此,舊料的礦料級(jí)配和瀝青用量存在較大的波動(dòng)性,會(huì)顯著影響微表處結(jié)構(gòu)混合料級(jí)配和油石比的穩(wěn)定性,材料組成設(shè)計(jì)的不均勻容易誘發(fā)微表處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剝落、水損等病害。實(shí)現(xiàn)舊料中的油石分離,可以精確確定舊料的級(jí)配和油石比,從源頭上為全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),但該技術(shù)與相關(guān)裝備尚有待開發(fā)。

1.2 未能建立全比例微表處結(jié)構(gòu)混合料材料組成設(shè)計(jì)方法

全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料材料組成包括舊料、水泥、改性乳化瀝青、再生劑等,由于全比例舊料和再生劑的加入,全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料與常規(guī)微表處結(jié)構(gòu)混合料組成設(shè)計(jì)存在許多差異。例如,舊料分檔尺寸和比例的確定、再生劑用量的確定、由于舊瀝青存在而導(dǎo)致的乳化瀝青用量的確定等,這都需要進(jìn)行系統(tǒng)理論研究和工程實(shí)踐,才能提出滿足工程實(shí)際需求的全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料材料組成設(shè)計(jì)方法。

1.3 全比例微表處結(jié)構(gòu)混合料路用性能及長(zhǎng)期性能有待驗(yàn)證

在微表處結(jié)構(gòu)混合料中用RAP完全替代石料,由于大量舊瀝青的存在,可能會(huì)對(duì)微表處結(jié)構(gòu)混合料的水穩(wěn)定性、抗裂性、長(zhǎng)期性能等產(chǎn)生不利影響,100%RAP對(duì)微表處結(jié)構(gòu)混合料性能的影響尚不確定,以及微表處結(jié)構(gòu)混合料在高速公路路面中的適應(yīng)性也缺乏研究。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料性能,為全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用提供技術(shù)支持,進(jìn)一步提高舊料循環(huán)利用水平,達(dá)到降低微表處結(jié)構(gòu)混合料材料成本的目的。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題分析

針對(duì)以上微表處結(jié)構(gòu)與RAP高效融合的全國(guó)性的3個(gè)技術(shù)瓶頸,提出需解決的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題,具體如下。

2.1 舊料的摻配比例達(dá)不到100%

當(dāng)前有研究人員提出將RAP應(yīng)用于微表處結(jié)構(gòu)混合料中,RAP中含有一些高品質(zhì)集料,如瀝青表面層中堅(jiān)硬、耐磨、抗滑的玄武巖集料,可用于表面磨耗層,將含有玄武巖的RAP材料用于微表處結(jié)構(gòu)混合料,既可以發(fā)揮舊料作用,還可以降低材料成本。但是受限于舊料礦料集配和瀝青含量的不均勻性,微表處結(jié)構(gòu)混合料中舊料的摻配比例一般不超過50%。在2022年之前的公路瀝青路面相關(guān)工程實(shí)踐中,完全獲得成功的舊料摻配最大比例為80%[1,2],有關(guān)科研機(jī)構(gòu)曾將比例擴(kuò)大至85%及以上,但是否完全成功仍有待于工程實(shí)踐驗(yàn)證。RAP材料是集料和瀝青的混合物,石料與瀝青相互裹覆,黏結(jié)成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),尤其在細(xì)料中表現(xiàn)最為明顯。因此舊料并不是單一的顆粒物,而是一種混合顆粒,往往舊料中的一個(gè)顆粒是由許多較細(xì)顆粒黏聚而成,因此舊料的級(jí)配組成和瀝青用量存在較大的波動(dòng)性。由于舊料團(tuán)狀顆粒性質(zhì),往往會(huì)影響再生混合料質(zhì)量的穩(wěn)定性。尤其對(duì)于高比例舊料再生,極易引發(fā)再生路面出現(xiàn)局部性損壞。因此,為有效減小舊料的變異性,國(guó)內(nèi)外通常的做法都是限制舊料在混合料中的的最大添加比例,但這也降低了舊料的資源化利用水平[3,4]。

2.2 RAP精細(xì)分離工藝與裝備研發(fā)

摻RAP的微表處結(jié)構(gòu)混合料生產(chǎn)中,舊料仍然是團(tuán)狀顆粒結(jié)構(gòu),舊料的真實(shí)級(jí)配和油石比難以確定,存在較大的變異性,尤其對(duì)于高比例RAP微表處結(jié)構(gòu),其質(zhì)量難以得到保證。將舊料中的瀝青和石料進(jìn)行分離,可以有效確定舊料的級(jí)配組成,可大幅降低高比例甚至全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)級(jí)配的變異性,提高全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)質(zhì)量。研發(fā)舊料油石物理分離工藝與裝備是實(shí)現(xiàn)全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

2.3 全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料組成設(shè)計(jì)體系構(gòu)建

全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料組成設(shè)計(jì)體系包含RAP礦料級(jí)配的確定、再生劑的選擇及用量的確定、乳化瀝青的選擇及用量的確定等,建立科學(xué)合理的材料組成設(shè)計(jì)方法將直接決定全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料的整體結(jié)構(gòu)與性能。而構(gòu)建全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料性能評(píng)價(jià)體系,可為該項(xiàng)技術(shù)的適用性分析提供判別依據(jù)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及研究技術(shù)路線分析

基于以上3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題,提出創(chuàng)新點(diǎn)及研究技術(shù)路線。

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)分析

基于舊料的團(tuán)狀顆粒性質(zhì),提出舊料中油石物理分離機(jī)理與作用方式,在充分認(rèn)識(shí)舊料材料特征和微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,開展基于精細(xì)分離的全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究。通過裝備研發(fā)、理論突破、設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝提升等,將舊料與微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)高效融合,在保證微表處結(jié)構(gòu)混合料路用性能的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)舊料100%再利用,進(jìn)一步降低微表處結(jié)構(gòu)材料成本,同時(shí)提升舊料的循環(huán)利用水平,具有顯著的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保效益。

(1)經(jīng)濟(jì)性分析

①理論預(yù)期可節(jié)省乳化瀝青用量20%以上。

②理論預(yù)期可節(jié)省90%～100%優(yōu)質(zhì)石料。

(2)技術(shù)性分析

①理論預(yù)期全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料技術(shù)性能顯著滿足規(guī)范要求。

②理論預(yù)期全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)噪音相比傳統(tǒng)微表處結(jié)構(gòu)降低10%左右。

③理論預(yù)期集料與乳化瀝青配伍性得到有效提升。

(3)環(huán)保性分析

①完全符合我國(guó)“十四五”以來有關(guān)加強(qiáng)建筑垃圾和固體廢料處置、推進(jìn)循環(huán)利用及資源全面節(jié)約、《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》關(guān)于“提高資源再利用和循環(huán)利用水平”的相關(guān)要求,高度契合智慧公路、清潔能源、新基建交通等的相關(guān)趨勢(shì)。

②項(xiàng)目實(shí)施約束條件少、周期短、進(jìn)度快,實(shí)施方便,應(yīng)用示范可行性強(qiáng)。環(huán)保參數(shù)見表1。

3.2 研究技術(shù)路線

首先在分析舊料材料團(tuán)狀顆粒性質(zhì)的基礎(chǔ)上,研發(fā)舊料的精細(xì)分離設(shè)備和工藝,實(shí)現(xiàn)油石分離,極大降低舊料級(jí)配組成的變異性,為后續(xù)全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)研發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ);然后,開展全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料材料組成設(shè)計(jì)方法研究,重點(diǎn)解決RAP性質(zhì)的評(píng)價(jià)與質(zhì)量控制、全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料配合比設(shè)計(jì)方法、全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料耐久性等關(guān)鍵技術(shù)問題;最終通過修筑試驗(yàn)路,建立全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制方法及質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,并量化全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 主要研究?jī)?nèi)容分析

基于以上創(chuàng)新點(diǎn)及研究技術(shù)路線,提出主要研究?jī)?nèi)容。

4.1 全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料材料組成設(shè)計(jì)及性能研究

(1)RAP性質(zhì)的評(píng)價(jià)與質(zhì)量控制

基于微表處結(jié)構(gòu)材料特征,研究RAP中舊瀝青性能、集料性質(zhì)對(duì)微表處結(jié)構(gòu)混合料施工性能和路用性能的影響規(guī)律,確定關(guān)鍵影響參數(shù),提出適宜微表處結(jié)構(gòu)混合料的RAP舊瀝青和集料的質(zhì)量控制參數(shù)。

(2)全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料配合比設(shè)計(jì)方法

基于RAP舊瀝青性能,提出全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料再生劑使用的判斷依據(jù)及再生劑摻量確定方法;研究乳化瀝青用量、礦料級(jí)配、舊瀝青性質(zhì)等材料組成因素對(duì)全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料施工性能和路用性能的影響,通過敏感性水平分析提出材料組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)研究結(jié)果,提出全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料配合比設(shè)計(jì)程序。

(3)全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料耐久性能驗(yàn)證

通過改進(jìn)現(xiàn)有試驗(yàn)方法與開發(fā)新的試驗(yàn)方法相結(jié)合的方式,從水穩(wěn)定性(長(zhǎng)期浸水、凍融循環(huán)等)、耐磨耗性(磨耗損失)及抗滑性3個(gè)方面對(duì)全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料耐久性能進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)與全新料微表處結(jié)構(gòu)混合料進(jìn)行對(duì)比分析;基于耐久性試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步優(yōu)化全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料的材料組成設(shè)計(jì)。

4.2 全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制體系建立

通過全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路鋪筑,進(jìn)行性能、噪音等跟蹤檢測(cè),驗(yàn)證混合料配合比,從原材料生產(chǎn)、拌和、攤鋪、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)提出過全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)混合料施工全過程的質(zhì)量控制要點(diǎn)和技術(shù)要求,建立全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制方法及質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

4.3 全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益分析

采用合理的經(jīng)濟(jì)分析方法,通過試驗(yàn)路鋪筑情況,對(duì)比研究全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)與全新料微表處結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性;綜合分析全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)技術(shù)在節(jié)省優(yōu)質(zhì)石料用量、節(jié)約乳化瀝青用量等方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),為該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)體工程中的推廣應(yīng)用提供支撐。

4.4 RAP精細(xì)分離工藝與裝備研發(fā)

(1)舊料團(tuán)狀顆粒性質(zhì)研究

研究舊料中礦料級(jí)配、瀝青含量和瀝青性能的變化規(guī)律和差異性,分析舊料結(jié)團(tuán)性特征;揭示舊料中瀝青含量與粒徑的分布特性;在此基礎(chǔ)上,提出舊料中油石物理分離機(jī)理與作用方式。

(2)舊料分離工藝與裝備研究

研究提出舊料中的瀝青物理分離工藝,基于此開展舊料中的瀝青物理分離設(shè)備配置研究,通過不同分離參數(shù)下各檔料瀝青含量與級(jí)配、集料形態(tài)等油石分離效果評(píng)價(jià),研究確定油石分離加工的合理參數(shù),以及適宜微表處結(jié)構(gòu)級(jí)配的舊料分檔尺寸。

(3)舊料破碎與篩分技術(shù)研究

分析舊料油石分離前不同破碎方式的機(jī)理與性能,確定適合分離舊料中瀝青的破碎方式;基于混合料特性的材料分級(jí)研究,確定舊料振動(dòng)篩配置與標(biāo)準(zhǔn)篩孔;研究提出舊料振動(dòng)篩分過程中細(xì)集料防堵理論與方法。

5 結(jié) 語

綜上述,基于精細(xì)分離的全比例RAP微表處結(jié)構(gòu)技術(shù),理論上講,可實(shí)現(xiàn)RAP與微表處結(jié)構(gòu)的高效融合,提升RAP的循環(huán)利用水平,具有顯著的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保效益,應(yīng)用前景廣闊,下階段需大量的室內(nèi)試驗(yàn)與室外檢測(cè)等實(shí)踐來驗(yàn)證理論分析,如果理論、實(shí)踐兩者相符,能夠解決上述全國(guó)性的技術(shù)瓶頸問題,關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用成功,按照既定研究路線一一驗(yàn)證研究?jī)?nèi)容。