60%RAP掺量厂拌热再生沥青混合料性能研究

2020-12-23江锋

交通科技 2020年6期

江锋

(湖北省交通规划设计院股份有限公司武汉 430051)

沥青路面设计使用年限一般为15年，然而由于种种原因，大部分沥青路面往往使用不到设计年限就会出现不同程度的病害，影响行车舒适性，甚至危及行车安全。在对旧路面进行维修整治过程中，往往会产生大量的旧路面回收材料(RAP)，针对这些RAP材料的处理目前仍以堆放为主，回收利用率不高，不仅污染环境，还会导致大量的RAP资源被浪费[1]。

将RAP回收再生，重新用于路面的铺筑中，是RAP变废为宝的主要途径[2]。但由于RAP存在级配变异性较大、拌和站加热困难、性能下降过大等原因，目前在厂拌热再生沥青混合料中RAP掺量并不高，室内试验研究大部分采用30%～50%，在实际工程中应用更低，往往不到30%。针对RAP掺量超过50%的厂拌热再生沥青混合料性能研究仍鲜有报导[3-5]。如此低的RAP掺配率难以真正解决RAP资源利用问题[6]。

因此，为减少优质集料的开采及使用，有必要进一步提高厂拌热再生沥青混合料中RAP的掺量。鉴于此，本文通过分析可能导致RAP材料难以有效利用的影响因素，提出相应的改进措施；通过室内制备60%RAP掺量的沥青混合料，研究其各项路用性能，为提高厂拌热再生沥青混合料中RAP掺量提供理论依据与试验基础。并以湖北省某省道大修改造工程为依托，将60%RAP掺量厂拌热再生沥青混合料应用于该工程路段下面层，以期为该技术推广应用提供实践基础。

1 材料性能

1.1 再生剂

本文沥青再生剂采用北京中咨维克路桥工程有限公司生产的HMZS-1型RA-1沥青再生剂，主要由饱和分和芳香分含量较多的轻质油构成。其相关技术性能指标见表1。

表1 RA-1沥青再生剂技术性能检验结果

由表1可知，该再生剂符合JTG/T 5521-2019 《公路沥青路面再生技术规范》以下(简称《再生规范》要求)。

1.2 新集料

由于本文拟设计AC-20型级配，而从RAP旧矿料筛分结果来看，其粒径在9.5 mm以上的粗集料含量极少。因此，为了能够设计出合理的级配，需添加粒径为9.5～19 mm新集料。新集料采用石灰岩，对新集料进行性能检验，试验结果见表2。

表2 新集料技术性能检验结果

由表2可见，新集料各项性能指标均满足《再生规范》的技术要求，可用于热再生沥青混合料中。

1.3 回收旧集料

沥青路面通常采用分层摊铺，且各沥青层级配不一。因此，为确保RAP中旧集料的级配不出现较大的变异性，在铣刨过程中建议采用分层铣刨的方式，将同一沥青层混合料统一堆放，统一处理、利用[7]。本文RAP采用分层铣刨的方式获取，通过相关资料可知旧沥青层级配为AC-16，沥青为壳牌70号道路石油沥青。对铣刨料进行随机取样共6个，抽提沥青后测得旧沥青含量平均值为5.2%，对剩余骨料进行筛分试验，测得各档通过率见图1。

图1 RAP筛分曲线图

由图1可见，级配曲线整体相差不大，各档级配通过率变异性较小，表明采用分层铣刨可以有效降低级配的变异性。同时，RAP级配曲线高于JTG F40-2018《公路沥青路面施工技术规范》(以下简称《施工规范》中)AC-16上限，表明RAP中旧集料出现细化现象，这是由于沥青层在行车荷载反复作用下粗集料出现破碎现象，同时在铣刨过程中可能存在一部分粗集料被打碎，从而导致RAP中粗集料含量降低，细集料含量增大，材料整体细化。

1.4 回收旧沥青、新沥青及再生沥青

旧沥青在环境等因素影响下慢慢老化，各项性能均出现不同程度的下降，因此有必要对旧沥青剩余性能进行检测，以判断其再生利用的可能性[8]。本文采用抽提试验进行RAP旧沥青的分离回收，对回收后的旧沥青进行相应的性能试验分析，结果见表3。

试验中的新沥青采用壳牌70号道路石油沥青，主要技术指标检验结果见表3。

本文在旧沥青的再生过程中，控制再生剂的掺量为旧沥青质量的10%，再生后的沥青性能指标检验结果见表3。

表3 回收旧沥青、新沥青及再生沥青性能检验结果

由表3可见，旧沥青软化点较高，针入度与延度已远远低于规范要求，这说明旧沥青老化现象严重，需要进行再生处理以恢复其使用性能。新沥青各项性能指标均符合有关规范要求。RAP中回收的沥青经再生后，各项性能指标均满足《施工规范》对目标沥青A-70号道路石油沥青的技术要求，甚至较新沥青指标还有所提升，这进一步表明该再生剂再生性能良好。

2 级配设计及拌和工艺研究

2.1 级配设计

选取AC-20型级配，为避免RAP中旧沥青对级配计算的影响，采用RAP抽提沥青以后的筛分结果及新集料筛分结果进行级配调整计算。控制RAP掺量为60%，新集料掺量为40%，最终合成级配见图2。

图2 合成级配曲线图

采用马歇尔击实法确定该级配最佳油石比，试验结果见表4。

表4 马歇尔试验结果

根据表4试验结果，结合《再生规范》中有关方法计算最佳油石比为1.2%。本文采用1.2%作为固定油石比进行下一步试验。

2.2 拌和设备

在路面实际应用中，由于RAP含有老化的沥青，直接明火加热会造成老化沥青碳化，因此厂拌热再生RAP加热往往通过搅拌的方式将新加集料的温度传递至RAP中[9]。这一方式在RAP掺量较低，新料掺量较高时对RAP加热作用效果较好，而当RAP掺量提高后，新料所含热量将无法满足RAP充分加热的要求，从而造成二者之间拌和效果不佳，进而导致再生混合料性能不足。为避免这一现象发生，有学者提出采用第二烘干筒设备对旧RAP材料进行预加热处理。然而目前第二烘干筒技术在应用及推广过程中仍面临不少问题，如RAP加热后会粘附于筒壁及运输管路中，易造成堵塞且难以清理，针对这一问题，未来可通过在筒壁及运输管路中添加聚四氟乙烯涂层等其他类型“不黏涂层”，以及提高第二烘干筒位置、缩短其与搅拌筒之间的距离等方式解决。

本文主要目的在于对60%RAP掺量条件下厂拌热再生沥青混合料进行性能分析，故采用将RAP预加热的方式模拟第二烘干筒的作用。同时，为了研究RAP加热温度对再生混合料的性能影响，选取110，130，150 ℃ 3个不同的预加热温度进行对比试验研究。

2.3 拌和工艺

厂拌热再生沥青混合料主要材料包括RAP、再生剂、新沥青、新集料等，合理的拌和顺序及拌和时间对再生沥青混合料具有不可忽略的影响[10]。本文设计①再生剂→RAP→新沥青→新集料；②再生剂→新沥青→RAP→新集料2种不同拌和顺序、在120 s与180 s 2种不同拌和时长下，分析60%RAP掺量条件下厂拌热再生沥青混合料拌和顺序及时间对其性能的影响。

3 路用性能试验及结果分析

分别采用车辙试验、残留稳定度试验、冻融劈裂强度试验及小梁弯曲试验对60% RAP掺量条件下厂拌热再生沥青混合料高温稳定性能、水稳定性能及低温抗裂性能进行评价，试验结果见表5。

表5 车辙试验结果

3.1 高温稳定性

由表5可见，同一预加热温度、同一拌和时间条件下，第一种拌和顺序动稳定度值均高于第二种拌和顺序，表明优先将再生剂与RAP拌和有助于提高再生沥青混合料的高温性能，这是因为再生剂先与RAP混合可以使其和旧沥青更好地结合，旧沥青再生效果更优，沥青的流动性能加强，有利于提高热再生沥青混合料的和易性，从而表现出更好的高温稳定性能。

在同一预加热温度、同一拌和顺序条件下，经过180 s拌和的热再生沥青混合料较仅拌和120 s的热再生沥青混合料高温性能要好，表明拌和时间的延长能够使再生剂的再生效果进一步发挥，促进新旧沥青之间的融合，因此适当地延长厂拌热再生沥青混合料的拌和时间对提高其高温稳定性能具有一定的作用。

在同一拌和顺序、同一拌和时间条件下，RAP预加热温度越高，厂拌热再生混合料高温稳定性能越好，且当预加热温度达到130 ℃时，其高温稳定性能增长迅速，表明RAP材料普遍使用的预加热温度110 ℃难以发挥其真正的高温特性。

同时，试验结果还表明，尽管RAP掺量为60%，但混合料动稳定度结果仍能满足《施工规范》要求。

3.2 水稳定性能

由表5可见，RAP预加热温度、拌和顺序及拌和时间对厂拌热再生沥青混合料水稳定性能影响规律与其高温稳定性影响规律一致。其中RAP预加热温度为110 ℃时，混合料冻融劈裂强度比值接近规范下限，表明RAP预加热温度对其水稳定性能影响极大，在生产施工过程中需格外重视。

3.3 低温抗裂性能

从表5低温弯曲小梁试验结果可以看出，60%RAP掺量厂拌热再生沥青混合料低温抗裂性能普遍较差，其中在RAP预加热温度为110 ℃、拌和顺序为第一种、拌和时间为120 s的情况下，其最大弯拉应变仅1 962.3×10-6，低于规范不低于2 000×10-6的要求。这一结果表明，在良好的拌和工艺前提下，仍需重点关注60%RAP掺量厂拌热再生沥青混合料低温性能。

4 工程应用

4.1 拌和楼改造

为解决RAP加热不充分、不均匀等问题，本项目拌和楼在原有间歇式拌和楼的基础上添加了一个高位第二烘干筒设备。该设备可以有效去除RAP材料中的水蒸气，以及加热过程中RAP中轻质油分挥发产生的“蓝烟”。第二烘干筒与搅拌缸之间通过密封管道连接，管道表面添加聚四氟乙烯涂层，长度较短、高差较大，可有效避免RAP加热后输送过程中热量的丧失及管道黏料堵塞的现象发生。