大摻量廢舊SBS 改性瀝青混合料溫拌同步再生技術(shù)的應(yīng)用

■曾 偉＊ 孫俊波 許培欣 張德潤(rùn)

（1.湖北長(zhǎng)江路橋有限公司，武漢 430077；2.華中科技大學(xué)，武漢 430074）

截至2022 年底，我國(guó)已通車(chē)的高速公路已達(dá)17.7 萬(wàn)km，居世界首位，其中瀝青混凝土路面占九成以上。大量的廢舊瀝青混合料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP） 因高速公路的養(yǎng)護(hù)和維修而產(chǎn)生，其中不乏高等級(jí)公路中上面層銑刨產(chǎn)生的廢舊SBS 改性瀝青混合料（簡(jiǎn)稱(chēng)RAR-SBS），據(jù)初步估計(jì)RAR-SBS 混合料的年產(chǎn)生量高達(dá)400 萬(wàn)t，但循環(huán)利用率僅為2%左右[1]。 通常，高等級(jí)公路中上面層由SBS 改性瀝青、優(yōu)質(zhì)集料、礦粉以及纖維拌和鋪筑而成，銑刨后的廢舊料再利用價(jià)值明顯高于普通公路產(chǎn)生的廢舊料[2-4]。 傳統(tǒng)廠拌熱再生技術(shù)將RAR-SBS 混合料視為普通RAP 材料，用于鋪筑高等級(jí)公路下面層或較低等級(jí)公路瀝青路面，實(shí)現(xiàn)了RAR-SBS 混合料的低值化回收利用[5]。廠拌熱再生技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中最大的弊端是再生溫度過(guò)高，拌和施工溫度高達(dá)160℃～180℃，加速了RAP上原有的老化瀝青二次老化[6-8]。 此外，RAP 材料來(lái)源復(fù)雜，其本身級(jí)配變異性大，實(shí)際再生施工時(shí)大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接按比例添加新集料與廢舊料，再生料的級(jí)配變異性也較大，導(dǎo)致再生路面的水損害性能和疲勞性能較差，從而限制其在高等級(jí)路面中的推廣應(yīng)用，廢舊料摻量也僅為10%～15%，無(wú)法發(fā)揮瀝青路面再生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[9]。

針對(duì)以上技術(shù)瓶頸，本研究依托湖北省某高速公路2023 年度養(yǎng)護(hù)工程， 采用自主研發(fā)的高效SBS 改性瀝青同步再生劑恢復(fù)老化瀝青原有性能，根據(jù)新集料、廢舊料的分檔情況，提出再生料規(guī)劃求解及配比設(shè)計(jì)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)得到的溫拌同步再生混合料施工工藝及鋪筑效果進(jìn)行研究，以期為大摻量廢舊SBS 改性瀝青混合料溫拌同步再生技術(shù)工程應(yīng)用與推廣提供理論與工程實(shí)踐參考。

1 依托工程概況

湖北省某高速公路工程是武漢連接周邊城市的重要交通運(yùn)輸通道，全長(zhǎng)約29 km。全線采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)速度100 km/h，于2014 年12 月正式建成通車(chē)。 在2022 年12 月開(kāi)展的病害調(diào)查中， 發(fā)現(xiàn)部分路段出現(xiàn)了嚴(yán)重的車(chē)轍、橫向裂縫、龜裂、坑槽等病害（圖1），因此擬針對(duì)該路段開(kāi)展銑刨再攤鋪養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)。 為響應(yīng)我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略所提出的“綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)?！钡陌l(fā)展理念，同時(shí)促進(jìn)各類(lèi)建筑施工材料以及廢舊材料的再生和綜合產(chǎn)業(yè)化再利用[10]，2023 年9月湖北省某高速公路養(yǎng)護(hù)工程采用溫拌同步再生SBS 改性瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑， 對(duì)大摻量RAP 溫拌同步再生技術(shù)展開(kāi)研究。

圖1 某高速公路試驗(yàn)段原路面病害情況

本次試驗(yàn)段長(zhǎng)度200 m、寬度3.75 m，原路面病害情況見(jiàn)圖1，原路面結(jié)構(gòu)：4 cm SUP 12.5 上面層+6 cm AC-20C 中面層+6 cmAC-20C 下面層+20 cm 水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層。 養(yǎng)護(hù)實(shí)施方案：先銑刨原路段4 cm SUP 12.5 上面層+6 cm AC-20C 中面層，再采用溫拌同步再生實(shí)施30%SBSRAP 混合料摻量4 cm SMA-13 上面層+ 40%SBSRAP 混合料摻量6 cm AC-20C 中面層。

2 原材料及配比設(shè)計(jì)方法

2.1 原材料

2.1.1 RAR-SBS 瀝青混合料

試驗(yàn)段RAP-SBS 瀝青混合料采用湖北省某高速公路2023 年度養(yǎng)護(hù)工程銑刨料， 經(jīng)檢測(cè)其含水率低于3%，滿足JTGT5521-2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的使用要求。 為了便于后續(xù)施工，首先將試驗(yàn)段所需的RAP-SBS 廢舊料運(yùn)輸至拌合站，再將其通過(guò)3 級(jí)篩分裝置破碎篩分為3 檔集料：（0～8 mm（細(xì)集料），8～12 mm（粗集料）、12～20 mm（粗集料）。 隨后，通過(guò)燃燒法確定各檔廢舊料的級(jí)配參數(shù)，見(jiàn)表1。3 集料中的舊瀝青含量分別為7.22%、4.50%、4.48%，平均瀝青含量為5.0%。

表1 3 檔SBS 廢舊料燃燒后的級(jí)配參數(shù)

2.1.2 RAP 瀝青與新瀝青

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用阿布森法抽提試驗(yàn)段SBS 廢舊料中的老化SBS 瀝青，測(cè)試其三大指標(biāo)，其中針入度30.1 dmm，軟化點(diǎn)91.7℃，延度9.2 cm，遠(yuǎn)低于JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)范要求值，因此需要添加再生劑使其恢復(fù)使用性能[11-12]。試驗(yàn)段采用自主研發(fā)的復(fù)合再生劑恢復(fù)老化SBS瀝青的性能，包括瀝青相組分調(diào)節(jié)劑和斷裂SBS 改性劑修復(fù)劑，將復(fù)合再生劑按照抽提SBS 瀝青質(zhì)量比的3%、5%和7%添加至其中，測(cè)試再生SBS 瀝青的三大指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表2。老化再生前后的SBS 瀝青熒光顯微鏡測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

表2 摻加復(fù)合再生劑后SBS 瀝青的三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)段采用湖北某新材料有限公司提供的SBS（I-D）改性瀝青作為新瀝青，其基本物理性能見(jiàn)表3。結(jié)合表2 和表3 的性能指標(biāo)結(jié)果可知，當(dāng)復(fù)合再生摻量為5%時(shí)，再生SBS 瀝青的性能最接近新瀝青。 此外，添加5%復(fù)合再生劑后，專(zhuān)屬于SBS 改性劑的熒光反應(yīng)重新出現(xiàn)，表明老化斷裂的SBS 聚合物得到有效修復(fù)。 因此，在批量生產(chǎn)試驗(yàn)段再生混合料時(shí)復(fù)合再生劑的最佳摻量確定為5%。

表3 新瀝青基本性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.1.3 溫拌劑

為了達(dá)到降低施工溫度的目的，進(jìn)一步在新瀝青中添加Sasobit 溫拌劑， 摻量為新瀝青質(zhì)量的3%。通過(guò)測(cè)試3%摻量Sasobit 溫拌新瀝青的表觀黏度確定最佳拌和溫度為148.5℃，攤鋪溫度為138.5℃。 在批量生產(chǎn)試驗(yàn)段再生混合料時(shí)，Sasobit 溫拌劑預(yù)先通過(guò)拌合站卸油池抽送進(jìn)入瀝青攪拌罐，見(jiàn)圖3。

圖3 Sasobit 溫拌劑投放過(guò)程

2.2 大摻量溫拌同步再生混合料配比設(shè)計(jì)方法

試驗(yàn)段SBS 廢舊料的摻量為30%～40%， 摻加后必須保證溫拌同步再生混合料的配合比精確可控。 為此，研究提出了一種基于規(guī)劃求解的便捷配比設(shè)計(jì)方法，任意廢舊料摻比下的再生料的級(jí)配參數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)式（1）。

式中Zi是某一篩孔尺寸下的篩余百分率，%；Ai是某一檔新集料在某一篩孔尺寸下的篩余百分率，%；Xi是某一檔新集料的摻配比例，%；x 是新集料的摻比（0～1）；Bi是某一檔廢舊料在某一篩孔尺寸下的篩余百分率，%；Yi是某一檔廢舊料的摻配比例，%；y 是廢舊料的摻比（1-x）。當(dāng)對(duì)再生料的級(jí)配參數(shù)進(jìn)行求解時(shí)，以再生料合成級(jí)配參數(shù)與目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中值之間的總誤差為目標(biāo)單元格， 以各檔新集料、廢舊料摻比為可變單元格，進(jìn)行規(guī)劃求解，直至目標(biāo)單元格值最小且再生料合成級(jí)配參數(shù)逼近目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中值。

根據(jù)上述計(jì)算方法，試驗(yàn)段30%廢舊料再生上面層SMA-13 與40%廢舊料再生中面層AC-20 的再生料合成級(jí)配見(jiàn)表4、表5。 根據(jù)室內(nèi)研究經(jīng)驗(yàn)，SMA-13 再生料初擬油石比5.8%、6.1%、6.4%，AC-20 再生料初擬油石比4.1%、4.4%、4.7%。以148.5℃拌和混合料后成型試件，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)生，根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法的體積指標(biāo)與性能指標(biāo)等試驗(yàn)測(cè)試， 驗(yàn)證表4 和表5 中廢舊料摻配比例的合理性，并根據(jù)目標(biāo)空隙率和摩擦系數(shù)確定最佳油石比。 通過(guò)拌合站試拌調(diào)整，最終確定的上面層和中面層的級(jí)配曲線見(jiàn)圖4，最佳瀝青油石比分別為6.1%和4.4%，實(shí)際新添加瀝青油石比為3.96%和2.86%。

表4 30%廢舊料再生上面層SMA-13 合成級(jí)配

表5 40%廢舊料再生中面層AC-20 合成級(jí)配

圖4 某高速公路試驗(yàn)段上中面層溫拌同步再生料合成級(jí)配

3 大摻量溫拌同步再生混合料施工工藝

3.1 舊路銑刨與回收廢舊料破碎篩分

主要包括原路面銑刨、SBS 廢舊料預(yù)處理、復(fù)合再生劑制備以及溫拌劑投放。 試驗(yàn)段采用由湖北省某高速公路銑刨的SBS 廢舊料，采用顎式破碎機(jī)將銑刨料軋制后分篩成2 檔粗集料（12～20 mm 和8～12 mm）和1 檔細(xì)集料（0～8 mm），分檔后的3 檔集料分開(kāi)堆放，用防雨布覆蓋。 復(fù)合再生劑在拌合站人工配置，按照瀝青相組分調(diào)節(jié)劑與斷裂SBS 改性劑修復(fù)劑質(zhì)量比5∶3 混合、攪拌后即得，見(jiàn)圖5。試驗(yàn)段采用的溫拌劑是固體顆粒狀Sasobit 蠟，將其按照新瀝青質(zhì)量比的3%投放至瀝青攪拌罐中。

圖5 老化SBS 瀝青復(fù)合再生劑制備過(guò)程

3.2 新舊料拌和及再生料運(yùn)輸

試驗(yàn)段選用5000 型瀝青混凝土拌合站拌制，配套再生機(jī)2000 型， 實(shí)際拌和時(shí)考慮到SBS 廢舊料的細(xì)料中含有大量瀝青，為避免加熱后細(xì)集料中的瀝青融化堵塞拌合站管道，試驗(yàn)段的廢舊細(xì)集料通過(guò)拌合站控制系統(tǒng)采取冷添加的方式，而粗集料采取熱添加的方式。 在拌合前，通過(guò)調(diào)整單倉(cāng)轉(zhuǎn)速比，確保各檔新、舊集料摻配比不變的情況下，提升拌合樓的產(chǎn)量。 生產(chǎn)時(shí)，提前加熱溫拌SBS 瀝青攪拌罐中的瀝青至150℃， 各檔集料通過(guò)皮帶轉(zhuǎn)速控制上料速度，SBS 廢舊料干燥加熱至135℃，新集料干燥加熱至160℃， 將SBS 廢舊料粗細(xì)集料投放至拌鍋，添加一定比例的復(fù)合再生劑拌和20 s，立即加入新集料干拌15 s，干拌結(jié)束后，立即加入溫拌SBS 瀝青拌和15 s，最后加入礦粉、纖維、水泥等材料再次拌合15 s，即得溫拌同步再生SBS 混合料。

瀝青拌合站至試驗(yàn)段距離大約90 km， 溫拌同步再生混合料運(yùn)輸采用60 噸位普通瀝青混合料運(yùn)輸車(chē)自卸卡車(chē)，自卸車(chē)需配備具有防雨保溫、防污染功能的雨篷布。 事前對(duì)車(chē)廂徹底清掃，噴灑一薄層能夠防止混合料粘結(jié)的油水混合液。 上料時(shí)，按照先后部再前部順序裝入。 運(yùn)輸當(dāng)天采用插入式數(shù)顯溫度計(jì)記錄每輛運(yùn)輸車(chē)的混合料溫度，不滿足出廠溫度應(yīng)當(dāng)廢棄。

3.3 攤鋪及碾壓

溫拌同步再生瀝青混合料攤鋪碾壓過(guò)程如下：采用1 臺(tái)抗離析瀝青混凝土攤鋪機(jī)，溫拌同步再生瀝青上面層壓實(shí)厚度為4 cm，松鋪系數(shù)為1.24，松鋪厚度4.96 cm；中面層壓實(shí)厚度為6 cm，松鋪系數(shù)為1.25，松鋪厚度7.5 cm。 試驗(yàn)段攤鋪前對(duì)攤鋪機(jī)仔細(xì)地檢查、調(diào)整和清洗工作，提前0.5 h 對(duì)熨平板進(jìn)行了加熱處理，溫度控制要求不低于100℃，攤鋪前檢測(cè)熨平板加熱溫度為105℃，符合熨平板加熱要求。然后仔細(xì)檢查熨平板的平直度，確保熨平板不起拱，前場(chǎng)準(zhǔn)備好后再通知瀝青拌合站拌料。

攤鋪機(jī)的初始工作仰角定為0°30′，隨著攤鋪調(diào)節(jié)，仰角為0°25′。 運(yùn)料車(chē)采用后退式的方式進(jìn)場(chǎng)，有規(guī)律地排成一排現(xiàn)場(chǎng)等候卸料，在運(yùn)料車(chē)為3 輛時(shí)開(kāi)始攤鋪。攤鋪機(jī)緩慢、均勻、連續(xù)不間斷地?cái)備仯措S意變換速度或中途停頓，以提高平整度，減少混合料的離析，每車(chē)混合料攤鋪完后關(guān)一次收料斗，人工配合收斗，不使混合料沿著收料斗兩側(cè)堆積，在接縫接頭處、攤鋪帶邊緣采用人工修補(bǔ)扣鍬攤鋪。 施工中攤鋪機(jī)兩邊安排專(zhuān)人控制攤鋪寬度，壓實(shí)后實(shí)測(cè)平均寬度為3.75 m。 此外，在攤鋪過(guò)程中安排專(zhuān)人采用非接觸式測(cè)溫槍實(shí)測(cè)攤鋪溫度，溫度控制在140℃左右。 試驗(yàn)段的碾壓方案見(jiàn)表6。

表6 大摻量溫拌同步再生試驗(yàn)段碾壓方案

3.4 養(yǎng)生及路面性能檢測(cè)

壓實(shí)完成后， 封閉交通直至路表溫度降低至50°C 以下即可開(kāi)放交通。 鋪筑完成的當(dāng)天對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行路面性能檢測(cè)，見(jiàn)圖6。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)評(píng)定，溫拌同步再生試驗(yàn)段不滲水；擺式摩擦系數(shù)為64，遠(yuǎn)大于JTGD50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的最低要求54；路面構(gòu)造深度為0.80 mm，遠(yuǎn)大于瀝青路面構(gòu)造深度一般不小于0.50 mm 的最低要求。 試驗(yàn)段冷卻后，鉆芯取樣試件表觀良好，上面層空隙率為7.01，中面層空隙率為8.70、水穩(wěn)定性均達(dá)標(biāo)。

圖6 大比例溫拌同步再生試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與評(píng)定

試驗(yàn)段鋪筑當(dāng)天在拌合站留樣檢測(cè)溫拌同步再生混合料的各項(xiàng)性能，主要檢測(cè)溫拌同步再生瀝青混合料的各項(xiàng)力學(xué)性能，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。 從表7可知，溫拌同步再生混合料上、中面層的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范使用要求，其中上、中面層的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度均超過(guò)10 000 次/mm， 高溫穩(wěn)定性?xún)?yōu)異，疲勞壽命超過(guò)25 000 次，具有良好的抗疲勞開(kāi)裂性能。 綜上所述，所提出的大摻量溫拌同步再生SBS改性瀝青混合料同步再生應(yīng)用技術(shù)具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的可行性。

表7 試驗(yàn)段上面層與中面層溫拌同步再生瀝青混合料性能檢測(cè)結(jié)果

4 經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析

按照試驗(yàn)段工程所在地SBS 改性瀝青、粗細(xì)集料等原材料的市場(chǎng)價(jià)格，經(jīng)計(jì)算本次200 m 溫拌同步再生試驗(yàn)段所需的材料費(fèi)僅為8.2 萬(wàn)元， 若采用傳統(tǒng)熱拌攤鋪所需的材料費(fèi)為11.04 萬(wàn)元， 相當(dāng)于養(yǎng)護(hù)再生1 km，材料費(fèi)可節(jié)約14 萬(wàn)元，推廣至湖北省7 600 km 高速公路預(yù)計(jì)材料費(fèi)可節(jié)約10 億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

傳統(tǒng)瀝青路面熱拌施工消耗化石能源巨大的同時(shí)，溫室氣體排放也較大，將SBS 廢舊料循環(huán)再利用的同時(shí)引入溫拌技術(shù)，既能減少高值化資源浪費(fèi)，又能將瀝青路面施工溫度降低20℃左右，減少混合料拌和時(shí)的化石能源消耗，從而降低溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。 本次200 m 溫拌同步再生試驗(yàn)段節(jié)約能源成本約1 200 元，減少CO2約440 t，降幅約16.7%，相當(dāng)于養(yǎng)護(hù)再生1 km，可節(jié)約能源成本6 000 元， 減少碳排放2 200 t，湖北省全省范圍內(nèi)推廣可節(jié)約能源成本4 440 萬(wàn)元，碳排放減少1 628 萬(wàn)t，環(huán)境效益十分可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

SBS 廢舊料通過(guò)合理再生處理后具備在高等級(jí)公路中上面層循環(huán)利用的可能性；新集料、廢舊料摻比必須采用合理的配比設(shè)計(jì)方法綜合考慮，才能使再生料級(jí)配貼近目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中值，進(jìn)而保證再生料各項(xiàng)路用性能穩(wěn)定； 從施工過(guò)程來(lái)看，溫拌同步再生混合料的養(yǎng)護(hù)施工工藝易于控制，并且經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益顯著。 基于以上各種優(yōu)勢(shì)，本研究提出的大摻量廢舊SBS 改性瀝青混合料溫拌同步再生技術(shù)方案具有廣闊的應(yīng)用前景。