再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度影響因素研究

2018-08-29 10:36:02張曉強

武漢理工大學學報(交通科學與工程版) 2018年4期

張曉強

(鄭州路橋建設投資集團有限公司鄭州 450016)

0 引言

近年來我國公路建設不斷發展，截止2016年底高速公路通車里程已突破13萬km.由于瀝青路面具有行車舒適性好及養護維修簡便等優點，其在我國高速公路路面結構中得到廣泛使用.目前我國高速公路已逐漸進入大、中修階段，如何處理其產生的大量舊瀝青路面材料(RAP)成為亟待解決的難題[1].研究表明，將RAP與新集料、瀝青和再生劑等重新進行拌和施工能恢復其使用性能[2]，這有效實現了RAP的回收利用，減少資源浪費的同時有利于環境保護，因此，進行再生瀝青混合料的研究愈發受到重視[3-4].

目前國內外對再生瀝青混合料已進行了大量研究，形成了各類規范和指南[5-7].但現有研究多著眼于再生瀝青混合料路用性能，其設計方法也認為RAP中舊瀝青完全參與再生，而近年研究發現RAP是由細顆粒和舊瀝青組成的聚集體，再生過程中裹附于RAP內部的舊瀝青不能參與再生，而是以“黑石頭”的集料形式存在[8-9]，因此研究再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度對指導其設計和施工有重要意義.本文提出舊瀝青再生程度定量評價方法和指標，基于此，分析再生劑類型、摻量、新集料加熱溫度、拌和溫度及干拌時間對其影響，提出適宜的再生瀝青混合料制備工藝.

1 原材料

1) 瀝青試驗用新瀝青為殼牌70#基質瀝青，根據文獻[10]對其主要技術指標進行檢測，結果見表1.

表1 基質瀝青主要技術指標檢測結果

2) 再生劑采用市面上常見四種不同類型再生劑A，B，C，D，根據文獻[10]對四種再生劑主要技術指標進行檢測，結果發現除B再生劑TFOT前后黏度比和質量變化外，其他指標均符合文獻[11]要求，具體結果見表2.

表2 4種再生劑主要技術指標檢測結果

3) 集料及級配粗細集料均采用福建產玄武巖，礦粉由石灰巖磨細而得.制備RAP的混合料用AC-16，再生瀝青混合料用AC-20，最佳油石比分別為4.8%和4.3%，級配見表3.

4)RAP 由于現場銑刨RAP材料變異性較大，故為方便原料控制，本文通過人工制備RAP，步驟為采用輪碾法成型尺寸300 mm×300 mm×50 mm的AC-16瀝青混合料試件，然后進行短期和長期老化(135 ℃加熱4 h，85 ℃加熱5 d)，老化完成后取出掰成寬5 cm條形小塊，使用顎式破碎機破碎篩分為0～5 mmRAP備用.

表3 試驗用集料級配

2 舊瀝青再生程度評價方法研究

為定量評價再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度，本文提出方法見圖1.

圖1 舊瀝青再生程度評價方法流程

圖1中主要試驗流程如下.

1) 按上文提出方法人工制備RAP，過4.75 mm篩后根據表3中AC-20級配將其與大于4.75 mm的新集料混合(共2 000 g)，在試驗設定的溫度和時間下進行干拌，然后加入新瀝青和再生劑，濕拌1 min，再加入礦粉拌和1 min.

2) 濕拌完成后將再生瀝青混合料轉移至淺盤中，人工分散使其厚度不超過集料公稱最大粒徑，自然冷卻8 h后參照文獻[12]使用木碾對其進行碾散，盡量使RAP和新集料分散.

3) 使用4.75 mm篩對碾散后的再生瀝青混合料進行篩分，篩上部分為新集料及未能碾散而粘附在新集料上的RAP，篩下部分為RAP.

4) 使用旋轉蒸發器法回收篩下RAP上粘附的新舊瀝青，然后取樣進行64 ℃條件下的DSR試驗，測定其車轍因子I實測.

5) 根據再生瀝青混合料質量為2 000 g計算其中RAP質量，然后取樣對其上舊瀝青進行回收，并根據油石比計算再生瀝青混合料中新瀝青用量，在130 ℃條件下將新瀝青(135 ℃加熱4 h)和再生劑加入舊瀝青進行攪拌后靜置8 h，取樣進行64 ℃條件下的DSR試驗，測定其車轍因子I設計.

6) 計算I實測與I設計比值Ic表征再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度，Ic等于1時表明舊瀝青完全參與再生，并與新瀝青充分混溶，大于1時表明再生瀝青混合料中RAP上舊瀝青含量偏高，有舊瀝青未參與再生過程，因此Ic值越大表明舊瀝青再生程度越低.

3 舊瀝青再生程度影響因素分析

3.1 再生劑類型對舊瀝青再生程度影響

為評價再生劑類型對舊瀝青再生程度影響，分別采用A，B，C，D 4種類型再生劑按上文方法進行舊瀝青再生程度試驗，其中再生劑摻量為RAP中舊瀝青含量質量分數的6%，新集料加熱溫度175 ℃，拌和溫度155 ℃，干拌時間1 min，結果見表4.

表4 再生劑類型對舊瀝青再生程度影響

由表4可知，四種類型再生劑的優劣排序為C，A，D，B，Ic值最大相差16.8%，分析原因在于再生劑中輕質組分含量高及粘度低時，能更好的溶解老化瀝青中瀝青質等重質組分，使再生程度增強，而再生劑B“飽和分+芳香分”含量達87.8%，60 ℃黏度也為4種再生劑中最低，再生性能卻最差，這是由于其組分穩定性較差(TFOT后黏度比3.56，質量損失28.472%，明顯高于其它3種再生劑)，在混合料拌和過程中受熱容易產生分解導致[13].

為進一步分析再生劑中輕質組分含量及黏度與舊瀝青再生程度關系，剔除組分穩定性較差的再生劑B，將A，C，D舊瀝青再生程度指標Ic隨“飽和分+芳香分”含量及黏度變化的趨勢分別繪制于圖2.

圖2 不同指標與舊瀝青再生程度關系

由圖2可知，當再生劑組分穩定性較好時，Ic隨“飽和分+芳香分”含量的增加呈明顯下降趨勢，隨黏度的增加呈明顯上升趨勢，故可通過選用“飽和分+芳香分”含量高或黏度低的再生劑，以提高其對舊瀝青再生程度.

3.2 再生劑摻量對舊瀝青再生程度影響

為分析再生劑摻量對舊瀝青再生程度影響，分別將6%, 8%, 10%和12%的再生劑C加入再生瀝青混合料拌和進行舊瀝青再生程度試驗，其中新集料加熱溫度175 ℃，拌和溫度155 ℃，干拌時間1 min，結果見圖3.

圖3 再生劑摻量與舊瀝青再生程度關系

由圖3可知，再生劑摻量增加時舊瀝青再生程度逐漸提高，但超過8%后效果不再明顯.摻量由6%增加到8%時，Ic值下降6.3%，而由8%增加到12%時僅下降2.2%，這是因為再生劑作用機理由組分調節和增容作用組成，組分調節指其加入舊瀝青后未發生化學反應，因而舊瀝青組分變化的一方面來源于再生劑中組分的加入，另一方面則來源于再生劑加入在舊瀝青中起到的增容作用，此時舊瀝青中瀝青質等重組分會分解向輕組分轉化[14]，因此，再生劑摻量較低時其與RAP膠團表面瀝青的接觸面積或作用深度有限，故此時增加摻量能起到良好的增容作用，舊瀝青再生程度提高明顯，而達到一定程度后RAP膠團表面瀝青已充分再生，而部分裹附于RAP膠團內部的“黑石頭”未能接觸再生劑，故此時摻量的增加主要起組分調節作用，舊瀝青再生程度提高較小.

3.3 集料加熱溫度對舊瀝青再生程度影響

為分析再生瀝青混合料拌和過程中新集料加熱溫度對舊瀝青再生程度影響，分別預熱新集料至175，185，195和205 ℃與RAP拌和進行舊瀝青再生程度分析試驗，其中添加8%再生劑C，拌和溫度155 ℃，干拌時間1 min，結果見圖4.

圖4 新集料加熱溫度與舊瀝青再生程度關系

由圖4可知，再生瀝青混合料拌和過程中新集料加熱溫度為195 ℃時舊瀝青再生程度最高.溫度由175 ℃增加至195 ℃時，Ic值降低9.0%，而由195 ℃增加至205 ℃時升高3.3%，分析原因為拌和過程中由細小顆粒和舊瀝青黏聚而成的RAP膠團會吸收熱量，此時舊瀝青逐漸軟化使表面的細顆粒脫落充分參與拌和，其上粘附的舊瀝青隨之轉移至新集料表面參與再生，因此，適當增加新集料加熱溫度可使RAP膠團吸熱量增加，從而提高RAP膠團分散程度使更多內部裹附的舊瀝青參與再生，但舊瀝青吸熱軟化的同時也伴隨著老化過程，新集料加熱溫度超過195 ℃后，其對舊瀝青造成的老化作用大于再生作用，因而舊瀝青再生程度變差，這與文獻[11]中對新集料加熱溫度不大于200 ℃的要求基本一致.

3.4 拌和溫度對舊瀝青再生程度影響

為研究拌和溫度對舊瀝青再生程度影響，分別在145，155，165，175 ℃條件下拌和再生瀝青混合料進行舊瀝青再生程度試驗，其中添加8%再生劑C，新集料溫度195 ℃，干拌時間1 min，結果見圖5.

圖5 拌和溫度與舊瀝青再生程度關系

由圖5可知，再生瀝青混合料拌和溫度為165 ℃時舊瀝青再生程度最高.溫度由145 ℃增加到165 ℃時，Ic值降低4.0%，而由165 ℃增加至175 ℃時升高3.3%，分析原因為拌和溫度增加時RAP膠團吸熱量增加，故表面與內部的溫度梯度降低，此時RAP中更多顆粒參與再生，但溫度超過165 ℃時溫度增加造成新瀝青老化程度迅速增長，故再生程度又明顯降低.

3.5 干拌時間對舊瀝青再生程度影響

為分析RAP與新集料干拌時間對舊瀝青再生程度影響，分別制備干拌時間為1，2，3和4 min的再生瀝青混合料進行舊瀝青再生程度試驗，其中添加8%再生劑C，新集料溫度195 ℃，拌和溫度165 ℃，結果見圖6.

圖6 干拌時間與舊瀝青再生程度關系

由圖6可知，延長干拌時間能提高舊瀝青再生程度，但超過2 min后效果不再明顯.干拌時間由1 min延長至2 min時，Ic值降低4.1%，而由2 min延長至4 min時僅降低2.6%，分析原因為干拌時間延長時RAP能從新集料吸收更多熱量，RAP表面參與再生過程的粘附顆粒增多，但隨著時間延長，RAP中裹附更為緊密的集料外露，需要更多能量使其脫落參與再生過程，但此時新舊集料溫度逐漸接近，RAP獲取能量速率降低，故再生程度提高效果減弱.