熱再生瀝青混合料拌和工藝改進(jìn)研究

摘 要：熱再生瀝青混合料的混合過程對(duì)其性能有較大影響。常規(guī)混合工藝廣泛應(yīng)用于路面行業(yè)，但忽略了不同骨料的瀝青吸附能力可能導(dǎo)致拌和后再生瀝青混合料的異質(zhì)性。因此，本問提出了一種改進(jìn)的熱再生瀝青混合料拌和技術(shù)，綜合考慮材料的拌和順序，并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以驗(yàn)證改進(jìn)技術(shù)的可行性。結(jié)果表明，采用NO.2和NO.3拌合工藝制備的再生瀝青混合料樣品的蠕變斜率分別提高了2.4%和23.8%。改進(jìn)的混合技術(shù)有助于提高熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性、耐低溫開裂性，并且RAP含量越高，改進(jìn)的拌和工藝效果越強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：熱再生；瀝青混合料；拌和工藝

中圖分類號(hào)：TU 535" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

熱再生技術(shù)是指使用專用設(shè)備處理再生瀝青路面（RAP），然后與一定比例的原生集料、基質(zhì)瀝青膠結(jié)料和再生劑拌和，生產(chǎn)可持續(xù)路面材料的一系列熱再生混合料生產(chǎn)技術(shù)。RAP集料表面涂覆的瀝青膜較厚，而原生集料表面涂覆的瀝青膜相對(duì)較薄。馬濤[1]等人研究指出，原生集料表面瀝青涂層的不均勻性是影響再生瀝青混合料性能的一個(gè)重要因素。隨著RAP含量增加，會(huì)進(jìn)一步影響路面穩(wěn)定性[2]。

鑒于傳統(tǒng)拌和工藝的弱點(diǎn)，應(yīng)考慮對(duì)瀝青混合料的拌和技術(shù)進(jìn)行調(diào)整。蘭建麗[3]使用凝膠滲透色譜（GPC）研究了再生混合料中原始骨料和老化骨料表面再生瀝青黏合劑的混合度，發(fā)現(xiàn)同時(shí)添加RAP和原始骨料，可能導(dǎo)致原始骨料和RAP表面的混合度不同。張倫超[4]提出了一種熱拌瀝青混合料（HMA）的拌和方法，即先將粗骨料和瀝青黏結(jié)劑混合，然后將細(xì)骨料和礦物粉末依次加入攪拌桶中[5]。因此在前人研究的基礎(chǔ)上，本文優(yōu)化了適用于不同RAP含量的熱再生瀝青混合料的拌和技術(shù)，并進(jìn)行水穩(wěn)定性、耐低溫開裂性研究，使瀝青薄膜均勻地涂覆在RAP和原骨料上，進(jìn)一步提高熱再生瀝青混合料的性能。

1 材料和方法

1.1 材料

熱再生瀝青混合料具有廣泛的適用性和穩(wěn)定的性能，已被廣泛應(yīng)用于路面行業(yè)。然而，傳統(tǒng)的拌和工藝忽略了原生集料和涂有老化黏結(jié)料的舊集料對(duì)瀝青混合料吸收性的差異，導(dǎo)致拌和后的再生混合料具有異質(zhì)性。因此為避免RAP材料的可變性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文選擇的RAP材料是實(shí)驗(yàn)室老化的瀝青混合料。RAP采用的瀝青結(jié)合料為SK-70基層瀝青。瀝青結(jié)合料的含量設(shè)定為4.3%。根據(jù)顆粒大小，RAP分為0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm和15～20mm共5個(gè)等級(jí)。其中最大級(jí)別為石灰?guī)r，其余為玄武巖。此外，所采用的礦物填料為石灰石。

瀝青結(jié)合料和礦物骨料通過實(shí)驗(yàn)室攪拌筒進(jìn)行混合。并對(duì)混合瀝青混合料進(jìn)行短期實(shí)驗(yàn)室老化。將拌合后的混合料放入135℃的烘箱中4h，厚度為25mm～50mm。每小時(shí)用鏟子翻一遍混合料，保證混合料均勻老化，以模擬瀝青路面的長(zhǎng)期氧化老化過程[6]。

1.2 熱再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，混合料設(shè)計(jì)采用馬歇爾設(shè)計(jì)法。擬采用40%的RAP材料設(shè)計(jì)AC-20熱再生瀝青混合料?；|(zhì)瀝青和老化瀝青結(jié)合料的詳細(xì)性能見表1。

1.3 方法

本文采用漢堡車轍試驗(yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)和間接拉伸疲勞試驗(yàn)3種常用試驗(yàn)來研究再生混合料的高溫抗車轍性能、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和疲勞性能。

1.3.1 漢堡車轍試驗(yàn)（HWTT）

本文采用漢堡車轍試驗(yàn)方法來評(píng)估熱再生混合料的高溫抗車轍性能和水穩(wěn)定性[7]。根據(jù)規(guī)范要求，使用CONTROLS公司生產(chǎn)的漢堡雙輪車轍試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)。試樣在50℃的水浴中加載。2個(gè)輪子的加載速率設(shè)定為52次/min。當(dāng)試樣車轍深度達(dá)到20mm或經(jīng)過20000輪加載后，加載自動(dòng)終止。每個(gè)試樣重復(fù)3次。

1.3.2 半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）

半圓彎曲試驗(yàn)所需的試樣形狀為帶有預(yù)制缺口的半圓形厚板。因此，首先將制備的混合料切割成半徑為75mm、厚度為25mm的半圓形試樣圓柱體。其次，在試樣跨度上切割一條狹縫，形成15mm的初始裂紋長(zhǎng)度[8]。再次，通過UTM-30在?18℃下對(duì)制備的混合料試樣施加穩(wěn)定的垂直荷載。加載速率選擇為0.5mm/min，并在單個(gè)組中進(jìn)行6次重復(fù)試驗(yàn)[9]。通過半圓彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線得出的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括斷裂能、斷裂韌性和剛度等。其中，斷裂能綜合考慮了瀝青混合料在整個(gè)加載過程中的荷載和變形，是從能量角度評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性的有效指標(biāo)。由于其與瀝青路面開裂有較強(qiáng)相關(guān)性，因此采用該指標(biāo)來評(píng)估再生混合料的低溫抗裂性，并且瀝青混合料中儲(chǔ)存的斷裂能越多，低溫抗裂性就越好。

2 熱再生瀝青混合料攪拌工藝的改進(jìn)

在現(xiàn)有HMA循環(huán)使用的攪拌技術(shù)中，先同時(shí)攪拌RAP和原生骨料，然后將基質(zhì)瀝青黏合劑加入攪拌桶中，再將礦物填料加入攪拌桶中進(jìn)行最后一次攪拌。再生瀝青混合料的攪拌過程實(shí)質(zhì)上就是將老化的原生骨料與基質(zhì)瀝青結(jié)合料混合，形成一定厚度的瀝青膜的過程。傳統(tǒng)的攪拌技術(shù)在現(xiàn)有的設(shè)備中較容易實(shí)現(xiàn)，但有一個(gè)明顯的缺陷。由于RAP中的老化瀝青膠結(jié)料已經(jīng)嚴(yán)重老化，流動(dòng)性較差，因此使老化黏合劑均勻地分布在所有RAP和原始集料表面是無法控制的。第一次攪拌后，大部分老化瀝青混合料仍包裹在RAP骨料表面，只有小部分轉(zhuǎn)移到原生骨料上。第二次攪拌時(shí)，被老化瀝青包裹的RAP集料比原生集料更容易吸收基質(zhì)瀝青。因此，RAP集料和原生集料上的瀝青膜厚度不一致，RAP集料上的厚度較厚，而原生集料上的厚度較薄。而且隨著RAP含量增加，該不一致性會(huì)越來越嚴(yán)重。本文在傳統(tǒng)拌合工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的拌合工藝，具體步驟如下。1）基質(zhì)瀝青結(jié)合料總量被分成2個(gè)等份，一半基質(zhì)瀝青結(jié)合料與預(yù)熱的原生骨料拌合，進(jìn)行第一次攪拌。2）將預(yù)熱的RAP和剩余的基質(zhì)瀝青結(jié)合料加入攪拌桶中，進(jìn)行第二次攪拌。3）將預(yù)熱后的礦物填料加入攪拌桶中進(jìn)行最后的攪拌。

改良拌合工藝中的基質(zhì)瀝青黏結(jié)料分2步加入。先將一部分基質(zhì)瀝青結(jié)合料與原生集料拌合，然后再將RAP與剩余的瀝青結(jié)合料混合。與傳統(tǒng)拌合工藝相比，改進(jìn)混拌合工藝全面考慮了RAP集料和原生集料的瀝青吸附能力。與從RAP轉(zhuǎn)化而來的老化瀝青膠結(jié)料相比，該技術(shù)可使原生集料上裹覆更多的基質(zhì)瀝青結(jié)合料，從而有助于基質(zhì)瀝青結(jié)合料在再生混合料中均勻分布。

以RAP含量為40%的AC-20再生混合料為例，本文設(shè)計(jì)了3種分2步進(jìn)行的瀝青添加比例試驗(yàn)方法，見表2。

NO.1：按照傳統(tǒng)的攪拌工藝制備熱再生瀝青混合料，即先同時(shí)拌合RAP和原生集料，然后將所有原生瀝青加入攪拌桶中（傳統(tǒng)攪拌技術(shù)）。

NO.2：對(duì)于含有40%RAP的AC-20混合料，在第一拌合步驟（改進(jìn)型拌合技術(shù)）中，將基質(zhì)瀝青總量的63.9%加入拌合桶，并與原生集料拌合。

NO.3：基質(zhì)瀝青總量分為2個(gè)等份。基質(zhì)瀝青總量的一半被添加進(jìn)來，并在第一個(gè)攪拌步驟中與原生集料拌合。

在改進(jìn)的拌和工藝中，原瀝青結(jié)合料分2步加入。先將一部分基質(zhì)瀝青結(jié)合料與原始骨料混合，然后將RAP與剩余的瀝青結(jié)合料混合。與傳統(tǒng)的拌和工藝相比，改進(jìn)的拌和工藝綜合考慮了RAP集料和原集料對(duì)瀝青的吸附能力。與RAP轉(zhuǎn)化的老化瀝青結(jié)合料相比，該技術(shù)可以使原始集料涂覆更大比例的原始瀝青結(jié)合料，有助于基質(zhì)瀝青結(jié)合劑在再生混合料中均勻分布。

為了直觀比較傳統(tǒng)拌合方法和改進(jìn)拌合方法，除拌合順序外，其他拌合參數(shù)均保持不變。在攪拌過程中，RAP的預(yù)熱時(shí)間和溫度分別設(shè)定為2h和110℃。原生骨料和礦物填料的預(yù)熱溫度為175℃。基質(zhì)瀝青的預(yù)熱溫度為165℃。拌和鼓的溫度為165℃，每個(gè)步驟的拌和時(shí)間為90s。拌和混合料后，將松散的熱再生混合料置于165℃的烘箱中烘烤2h，以模擬實(shí)際工程中的短期老化過程。

3 結(jié)果與討論

3.1 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

通過3種拌合方法制備的含40%RAP的AC-20熱再生混合料的蠕變斜率和剝離斜率結(jié)果繪制成柱狀圖并進(jìn)行比較，如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，與傳統(tǒng)的拌合技術(shù)相比，采用NO.2和NO.3拌合工藝制備的再生瀝青混合料樣品的蠕變斜率分別提高了2.4%和23.8%。相比下，熱再生混合料的剝離斜率分別降低了46.8%和41.3%。上述結(jié)果表明，分2批添加原瀝青有助于熱再生混合料的水穩(wěn)定性，但可能對(duì)再生混合料耐高溫車轍性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在改進(jìn)拌合工藝（NO.2和NO.3）制備的再生混合料中，再生瀝青的混合度較高，這可能是造成再生混合料耐高溫車轍性能降低的原因。隨著再生瀝青混合度增加，更多的RAP瀝青軟化并在再生混合料中充當(dāng)黏合劑，從而形成“富含黏合劑”的混合料。因此降低了再生混合料的耐高溫車轍性。值得注意的是，通過改進(jìn)拌合工藝（NO.2）制備的再生混合料的性能沒有顯著降低。原因是根據(jù)骨料的比表面積確定的瀝青用量使骨料表面的瀝青涂層更均勻，最終的混合料更容易壓實(shí)，因此提高了耐高溫車轍性能。

3.2 半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果

通過半圓彎曲試驗(yàn)獲得的不同拌合工藝制備的再生瀝青混合料的斷裂能如圖3所示。從圖3可以看出，采用改進(jìn)型拌合技術(shù)后，再生混合料的斷裂能具有顯著提高。與傳統(tǒng)拌合技術(shù)（NO.1）和現(xiàn)有改進(jìn)拌合技術(shù)（NO.3）相比，改進(jìn)技術(shù)制備的再生混合料的斷裂能分別提高了24.3%和13.9%，表明改進(jìn)拌合技術(shù)提高了熱再生混合料的低溫抗裂性。一般來說，高摻量RAP熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能較差，而采用改進(jìn)拌合技術(shù)可以提高再生混合料的低溫性能。

3.3 討論

本文研究為優(yōu)化瀝青攪拌站中熱再生瀝青混合料的攪拌程序提供了新的視角。研究結(jié)果表明，改進(jìn)后的拌和方法可以提高熱再生瀝青混合料的性能，而無須額外的混合時(shí)間和其他材料。然而，到目前為止，該混合工藝只適用于在實(shí)驗(yàn)室攪拌桶中生產(chǎn)的再生瀝青混合料，并不適用于批量生產(chǎn)設(shè)備。事實(shí)上，通過開發(fā)我國(guó)路面施工中廣泛應(yīng)用的間歇式瀝青混合料廠瀝青結(jié)合料供應(yīng)系統(tǒng)控制程序，可較容易地彌補(bǔ)這一差距。綜上所述，本文為進(jìn)一步優(yōu)化間歇式瀝青攪拌工藝提供了理論依據(jù)。未來的研究將通過更多的級(jí)配和現(xiàn)場(chǎng)RAP來驗(yàn)證本文所提拌和工藝的適用性。此外，本文還通過宏觀性能測(cè)試證明了改進(jìn)工藝的優(yōu)越性。未來的研究將結(jié)合微觀方法，分析改進(jìn)工藝對(duì)瀝青膜厚度、老化瀝青膠結(jié)料和原生瀝青膠結(jié)料混合程度的影響機(jī)制。

4 結(jié)論

針對(duì)不同骨料對(duì)瀝青吸附能力的差異，本文提出了一種改進(jìn)的拌合工藝，以優(yōu)化熱再生瀝青混合料的拌合工藝。通過與傳統(tǒng)拌合方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了改進(jìn)拌合方法的有效性和合理性，所得結(jié)論如下。1）通過與傳統(tǒng)拌合方法進(jìn)行比較可知，本文的改進(jìn)拌合方法產(chǎn)生的熱再生混合料在水穩(wěn)定性、耐低溫開裂性等方面均有所提高。2）與RAP含量較低的再生瀝青混合料相比，改進(jìn)拌合方法對(duì)RAP含量較高的混合料性能的改善效果較明顯。

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