廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

宋小峰，王大明*

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

摘要：對南京某高速公路銑刨的廢舊瀝青混合料(RAP)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，在回收瀝青中加入適量的再生劑，并評價(jià)再生瀝青的性能，發(fā)現(xiàn)回收瀝青的性能得到改善。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)方法，對廠拌熱再生瀝青混合料(RAP摻量為30%)和普通瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并對其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫性能以及疲勞性能進(jìn)行評價(jià)。研究表明：在30%RAP摻量下，廠拌熱再生瀝青混合料的性能均滿足規(guī)范要求，相對于普通瀝青混合料，其高溫性能和水穩(wěn)定性能提高，但低溫性能和疲勞性能有所下降；再生劑的加入能夠有效地改善廠拌熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、低溫性能和疲勞性能。

關(guān)鍵詞：熱再生；瀝青混合料；RAP；再生劑；性能評價(jià)

中圖分類號：S 773；U 414

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0139-06

Abstract：The experimental study on reclaimed asphalt pavement(RAP)from an expressway in Nanjing was carried out.After adding appropriate amount of regeneration agent in recycled asphalt and evaluating the performance of regenerated asphalt，the authors found that the performance of recycled asphalt was improved.According to the method of concrete mix design，the concrete mix ratios for the plant-mixed hot recycling asphalt mixture(with 30% RAP)and common asphalt mixture were designed，and the high temperature performance，water stability，low temperature performance，and fatigue performance were evaluated.The research showed that with 30% RAP，the performance of plant-mixed hot recycling asphalt mixture can meet the requirements of specification.Compared with ordinary asphalt mixture，the plant-mixed hot recycling asphalt mixture had better high temperature performance and water stability，but worse low temperature performance and fatigue performance；certain amount of regeneration agent can effectively improve the water stability，low temperature performance，and fatigue performance of plant-mixed hot recycling asphalt mixture.

Keywords：plant-mixed hot recycling；asphalt mixture；RAP；regeneration agent；performance evaluation

收稿日期：2014-11-18

基金項(xiàng)目：江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

作者簡介：第一宋小峰，碩士研究生。研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料。

通訊作者：*王大明，碩士，副教授。研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料。E-mail：njwdm 2000@163.com

Research on Road Performance of Plant-mixedHot Recycling Asphalt Mixture

Song Xiaofeng，Wang Daming*

(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

引文格式：宋小峰，王大明.廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究[J].森林工程，2015，31(2)：139-144.

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年由于道路維修及養(yǎng)護(hù)會(huì)產(chǎn)生約3 000萬t的廢舊瀝青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，簡稱RAP)，并且還以15%的速度在不斷增加[1]。如果不對這些RAP加以利用，不僅會(huì)帶來環(huán)境問題，而且還會(huì)引起資源問題[2]。我國從20世紀(jì)50年代開始研究瀝青路面的再生利用，但是直到70年代，才開始不同程度地對廢舊瀝青混合料進(jìn)行再生試驗(yàn)路段的鋪筑。20世紀(jì)80年代中后期到90年代初，由于受當(dāng)時(shí)環(huán)境的限制，廢舊瀝青混合料再生技術(shù)的研究被暫時(shí)擱置[3]。而目前，上世紀(jì)已建成的高速公路陸續(xù)進(jìn)入改擴(kuò)建、大中修期，瀝青路面混合料再生技術(shù)再次得到關(guān)注。廠拌熱再生技術(shù)是幾種瀝青混合料再生方式中適用范圍最廣的再生技術(shù)，但我國廠拌熱再生技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用過程中，RAP材料變異性及RAP性能的不穩(wěn)定性常常影響RAP的摻配率，目前我國廠拌熱再生瀝青混合料RAP摻配率一般控制在20%左右[4]。

為提高廠拌熱再生瀝青混合料RAP摻配率，本研究通過控制RAP變異性及恢復(fù)RAP性能等手段，設(shè)計(jì)廠拌熱再生瀝青混合料(RAP摻量30%)和普通瀝青混合料，通過車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)評價(jià)其高溫性能、水穩(wěn)定性能、低溫性能和疲勞性能。將摻配30%RAP的廠拌熱再生瀝青混合料的性能與普通瀝青混合料進(jìn)行對比，分析其性能變化規(guī)律及再生劑對廠拌瀝青混合料性能的影響。

1RAP性能

研究所用舊料為南京某高速銑刨的舊瀝青混合料，為了解舊瀝青混合料的變異性，初步對其進(jìn)行了抽提、篩分和級配試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，回收舊料嚴(yán)重細(xì)化，篩孔13.2 mm和9.5 mm的通過率已超出規(guī)范級配范圍，再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)不容易達(dá)到級配要求。因此，本次研究將RAP材料篩分成9.5～26.5 mm和0～9.5 mm粗、細(xì)兩檔料，并對其進(jìn)行了瀝青含量、級配、密度和回收瀝青等性能檢驗(yàn)。

1.1　RAP瀝青含量

RAP瀝青含量的測定對后面再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用，它將直接關(guān)系到再生瀝青混合料的最佳瀝青用量[5]。用離心法測定粗、細(xì)兩檔料的瀝青含量，檢測結(jié)果見表1。

表1　RAP瀝青含量檢測結(jié)果 Tab.1 Test results of asphalt content in RAP

從檢測結(jié)果均方差可以看出，所取6組試樣瀝青含量偏差不是很大，測得的瀝青含量平均值可以作為篩分后粗、細(xì)料瀝青含量代表值，分別為2.56%和4.58%。

1.2　RAP級配及性能指標(biāo)

瀝青路面在長期使用過程中，路面承受外部車輛荷載及環(huán)境綜合作用，瀝青混合料內(nèi)部出現(xiàn)一定程度的破損。再加上瀝青混合料在回收過程中，銑刨機(jī)械強(qiáng)力挖除、銑刨以及后期的破碎環(huán)節(jié)都使混合料中集料性能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化[6]。

對RAP進(jìn)行抽提并檢測抽提后的篩分結(jié)果，以確定RAP的級配，檢測結(jié)果見表2。

表2　RAP篩分檢測結(jié)果 Tab.2 Screening test results of RAP

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于集料壓碎值、針片狀含量、密度等的檢測方法，對回收抽提后的集料進(jìn)行性能檢測[7]，檢測結(jié)果見表3。

表3　RAP中集料質(zhì)量指標(biāo)檢測結(jié)果 Tab.3 Test results of aggregate in RAP

以上粗、細(xì)料檢測結(jié)果，說明RAP在自身使用過程中其物理性質(zhì)未發(fā)生大的變化，回收的舊瀝青混合料仍然具有再生利用價(jià)值。在再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，將粗、細(xì)料按不同比例添加，有利于再生瀝青混合料級配優(yōu)化控制，同時(shí)加入一定量的新集料補(bǔ)足舊瀝青混合料的強(qiáng)度，使瀝青混合料內(nèi)部形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，以獲得合適的路用性能。

1.3　回收瀝青性能

目前，回收舊瀝青性能評價(jià)指標(biāo)主要有：針入度、軟化點(diǎn)、延度、60℃動(dòng)力黏度。本次研究用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法來回收廢舊瀝青混合料中的瀝青，先用離心分離法將舊瀝青從廢舊瀝青混合料中分離出來，然后將抽提液倒入離心甩干機(jī)用高速離心機(jī)將瀝青抽提液中的礦粉等細(xì)微固體分離出來，最后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)分離瀝青[8]。RAP回收舊瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)見表4。

表4　回收瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果 Tab.4 Test results of reclaimed asphalt

由表4可知，回收瀝青的針入度降低，軟化點(diǎn)上升，延度降低。說明回收瀝青已經(jīng)部分老化，但《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)規(guī)定，熱再生時(shí)回收的舊瀝青混合料其舊瀝青的針入度>20(0.1 mm)時(shí)才能用于熱再生[9]，本次研究回收瀝青測得的針入度為26.9(0.1 mm)，說明回收舊瀝青混合料仍然具有再生價(jià)值。

1.4　再生瀝青性能

采用加入再生劑的方法對回收瀝青進(jìn)行再生，本次研究采用蘇博特A型再生劑，其在2%、4%、6%、8%和10%不同摻量下對回收瀝青的改善情況見表5。

表5　再生劑對回收瀝青各項(xiàng)性能改善結(jié)果 Tab.5 Improvements of regeneration agent on reclaimed asphalt

再生劑富含輕質(zhì)組分，作為分散相添加到瀝青溶液中，隨著添加量的增加，瀝青膠體結(jié)構(gòu)逐漸由凝膠型向溶—凝膠體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，軟化點(diǎn)、針入度、粘度等指標(biāo)逐漸恢復(fù)[10-11]。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著再生劑用量的增加，再生瀝青的軟化點(diǎn)下降，針入度和15℃延度增加。當(dāng)A型再生劑摻量為6%時(shí)，其針入度和軟化點(diǎn)性能接近原樣70號基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)。因此，本次研究確定再生劑最佳用量為回收舊瀝青含量的6%。

2新料性能

新料為和縣東山采石場的石灰?guī)r(0～4 mm、4～11 mm、11～15 mm、15～19 mm和19～24 mm)、礦粉和新瀝青。

2.1　新礦料性能

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的要求對礦料進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)檢測，檢測結(jié)果表明，礦料的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)滿足要求，能夠用于試驗(yàn)研究，其中礦料篩分及密度試驗(yàn)結(jié)果見表6和表7。

表6　新礦料篩分試驗(yàn)結(jié)果 Tab.6 Screening test results of new aggregate

表7　新礦料相對密度試驗(yàn)結(jié)果 Tab.7 Relative density of new aggregate

2.2　新瀝青性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求對新瀝青(A級70 號瀝青)進(jìn)行了三大指標(biāo)試驗(yàn)和老化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。試驗(yàn)結(jié)果表明，該瀝青滿足道路石油瀝青A級70 號的技術(shù)要求。

表8　70號石油瀝青檢測結(jié)果 Tab.8 Test results of 70# petroleum asphalt

3廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1　級配選擇

試驗(yàn)級配采用中面層AC-20C級配，該級配在江蘇省各公路段應(yīng)用比較廣泛，RAP摻配率為30%，按粗料5%、細(xì)料25%的方式添加。

3.2　礦料級配設(shè)置

本研究對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料分別進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，以確定合成級配和最佳油石比。為排除礦料級配對瀝青混合料性能造成的影響，在瀝青混合料礦料合成級配設(shè)計(jì)時(shí)，要注意三種設(shè)計(jì)方案合成級配盡可能的靠近[12]?；谶@方面的考慮，瀝青混合料礦料合成級配見表9，如圖1所示。

表9　瀝青混合料礦料合成級配 Tab.9 Synthesis gradations of aggregates in asphalt mixture　%

圖1　瀝青混合料合成級配曲線 Fig.1 Grading curves of asphalt mixtures

3.3　油石比的確定

根據(jù)以上確定的礦料合成級配，按照0.5%間隔變化，分別取5個(gè)不同的油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定混合料的最佳油石比和各項(xiàng)性能指標(biāo)[13]，添加30%RAP的熱再生和添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料級配相同，因此它們的最佳油石比也相同，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10　馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果 Tab.10 Test results of Marshall stability

注：要求空隙率3、4和5所對應(yīng)的VMA最小值分別為12、13和14，當(dāng)空隙率不是整數(shù)時(shí)，由內(nèi)插確定要求的VMA最小值。

根據(jù)施工規(guī)范的方法計(jì)算OAC1和OAC2，并取其中值，得到添加30%RAP的熱再生和添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料最佳油石比為4.4%。依據(jù)此方法，得到普通熱拌瀝青混合料最佳油石比為4.3%。

4廠拌熱再生瀝青混合料性能評價(jià)

研究上述三種設(shè)計(jì)的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能、低溫性能以及疲勞性能，并進(jìn)行對比分析。

4.1　高溫穩(wěn)定性能

分別對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，測定其動(dòng)穩(wěn)定度。試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11　瀝青混合料抗車轍性能試驗(yàn)結(jié)果 Tab.11 Test results of anti-rutting performance for asphalt mixtures

由表11可知，添加30%RAP的再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求，且其動(dòng)穩(wěn)定度是普通瀝青混合料的2.9倍。比較普通熱拌瀝青混合料與添加30%RAP的再生瀝青混合料在45 min和60 min時(shí)的變形量可以發(fā)現(xiàn)，再生瀝青混合料的高溫變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通瀝青混合料，這說明添加30%RAP的再生瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性，其抵抗車轍變形的能力優(yōu)于普通瀝青混合料。比較添加6%再生劑與未添加再生劑的再生瀝青混合料可見，再生劑雖對再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有一定負(fù)面影響，但仍然優(yōu)于普通瀝青混合料。

4.2　水穩(wěn)定性能

分別對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，測定其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR，分析其水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12　瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果 Tab.12 Test results of immersion Marshall Test and freeze-thaw split test for asphalt mixtures

由表12可知，添加30%RAP的再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求，且其浸水馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度都略高于普通熱拌瀝青混合料，這說明30%RAP摻量下的再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性并沒有因?yàn)榧尤隦AP而下降。相對于普通熱拌瀝青混合料，30%RAP摻量下的再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性有了一定程度的提高，但提高幅度不大。比較添加6%再生劑前后的再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比可以發(fā)現(xiàn)，添加再生劑后再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比都有所提高，這說明合理再生劑的摻配能夠有效地改善再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4.3　低溫性能

分別對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，分析其低溫性能。試驗(yàn)條件：溫度為-10℃，速率為50mm/min[12]，試驗(yàn)結(jié)果見表13。

表13　瀝青混合料彎曲試驗(yàn)結(jié)果 Tab.13 Bending test results of asphalt mixtures

由表13可知，添加30%RAP的再生瀝青混合料的低溫性能相對于普通熱拌瀝青混合料有所下降，但仍然能夠滿足規(guī)范要求。比較添加6%再生劑前后的再生瀝青混合料的低溫性能，發(fā)現(xiàn)添加再生劑后再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變增大，說明再生劑的加入能夠有效地提高再生瀝青混合料的低溫性能[13-15]。

4.4　疲勞性能

為了進(jìn)一步研究添加30%RAP的再生瀝青混合料的長期耐久性能，用重復(fù)加載的方法對三種瀝青混合料分別進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)馬歇爾試件進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為15℃，試驗(yàn)荷載采用連續(xù)無間歇半正矢荷載，荷載頻率為10 Hz，疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力比分別取0.3、0.4、0.5和0.6[16-17]，疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表14。

表14　瀝青混合料疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果 Tab.14 Test results of fatigue performance of asphalt mixtures

由表14可知，在相同應(yīng)力比條件下，添加30%RAP的再生瀝青混合料的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通熱拌瀝青混合料，且隨著應(yīng)力比的增大，差距越來越大。比較添加6%再生劑前后的再生瀝青混合料的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)再生劑加入使再生瀝青混合料的疲勞壽命得以增加，說明再生劑對于再生瀝青混合料的疲勞性能具有一定的改善作用。

5結(jié)論

(1)經(jīng)過合理的配合比設(shè)計(jì)及材料控制，再生瀝青混合料能滿足規(guī)范中馬歇爾相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，舊料變異性可以得到有效的控制。

(2)在回收瀝青中加入6%的再生劑(舊瀝青含量的6%)后，其性能可基本恢復(fù)到原樣瀝青的水平。

(3)添加30%RAP的再生瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能均滿足規(guī)范要求，這說明RAP的加入可以提高再生瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性。相對而言，再生瀝青混合料的高溫性能提高的更明顯，水穩(wěn)定性也有一定程度的提高，但提高幅度不大。

(4)添加30%RAP的再生瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能低于普通熱拌瀝青混合料，RAP的加入對再生瀝青混合料造成了不利影響，但仍能滿足規(guī)范要求。

(5)再生劑能夠有效改善再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、低溫性能及疲勞性能。

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[責(zé)任編輯：肖生苓]