RAP分級對熱再生瀝青混合料路用性能變異性的影響

劉燕燕,裘秋波,紀文強,龐露林,李 寧,唐 偉,詹 賀

(1.浙江順暢高等級公路養(yǎng)護有限公司,浙江 杭州 310051；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

1 概述

瀝青路面養(yǎng)護面臨著環(huán)境保護形勢嚴峻、基礎(chǔ)建設(shè)原材料緊缺與大量RAP廢棄的多重矛盾，RAP的高效再生利用將成為公路養(yǎng)護必然的發(fā)展趨勢[1-4]。再生瀝青混合料生產(chǎn)過程中由于缺乏對RAP變異性的精細化考慮，導(dǎo)致再生混合料存在較大的變異性[5-6]，影響再生混合料的路用性能。HONG[7]等通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場檢測表明RAP中的材料變異性會導(dǎo)致使用再生路面性能發(fā)生不同程度的變異。MCDANIEL[8]等也認為控制RAP的變異性是保持再生混合料性能穩(wěn)定的關(guān)鍵點。張明杰[9]等提出了采用分層銑刨的方式來降低RAP的變異性，但是降低的幅度有限且影響施工效率。因此本文首先分析RAP的變異性，采用控制關(guān)鍵篩孔的方式對RAP進行分級，然后研究分級后RAP級配和油石比的變化規(guī)律，最后分析RAP分級對熱再生瀝青混合料路用性能及其變異性的影響。

2 原材料與評價方法

2.1 原材料

RAP采用某高速使用年限為11 a的上面層SMA-13銑刨料，RAP性能指標見表1。

表1 RAP性能指標Table 1 Properties of RAP類別RAP的指標抽提老化瀝青砂當量/ %含水率/ %針入度/ 0.1mm軟化點/ ℃5 ℃延度/cm檢測值640.9824.571.80.8技術(shù)要求>55<3.00>20.0實測實測

2.2 試驗方法

2.2.1再生混合料制備方法

再生瀝青混合料中RAP摻量為30%，RAP、再生劑分別保溫至130 ℃和120 ℃，將再生劑均勻噴灑到RAP上，在175 ℃的拌鍋中拌和90 s，加入新集料與新瀝青后拌和90 s，即制得熱再生瀝青混合料。

2.2.2再生混合料制備方法

采用全自動抽提儀對RAP和再生瀝青混合料進行抽提，測定混合料的油石比和級配。

2.2.3路用性能試驗

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，采用高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗分別測試再生瀝青混合料的高低溫性能和水穩(wěn)定性。

3 RAP變異性計算方法

RAP的變異性包含RAP級配、RAP中集料級配與油石比的變異性，其中RAP級配是指將路面銑刨所得RAP直接篩分測定的級配，RAP中集料級配是指將RAP進行抽提后篩分集料測定的級配。為了定量評價RAP的變異性，本文引入變異系數(shù)CV來衡量RAP中級配和油石比的變異程度。變異系數(shù)的計算方法見式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 RAP分級關(guān)鍵篩孔的確定

4.1.1RAP的變異性分析

將RAP進行6次抽提平行試驗，RAP的集料級配平均值與變異系數(shù)見圖1。

圖1 集料級配平均值與變異系數(shù)

從圖1可以看出，RAP抽提集料的篩孔通過率均超出了級配規(guī)范上限，說明原路面集料在長期車輛荷載作用和冷銑刨作用下發(fā)生了一定細化，尤其4.75 mm篩孔處通過率變化幅度最大。集料級配的變異系數(shù)隨篩孔尺寸的增加先增大后降低，細集料的變異系數(shù)顯著大于粗集料，4.75 mm篩孔處變異系數(shù)達最大值。4.75 mm作為SMA瀝青混合料支撐骨架密實結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵篩孔，其變異程度最大，說明篩孔處的RAP質(zhì)量較難控制，波動性較大。RAP的油石比平均值為6.7%，變異系數(shù)為8.17，油石比的變異程度遠大于集料級配，從而導(dǎo)致RAP的變異性增加。

4.1.2RAP細料關(guān)鍵篩孔的確定

參考美國NCHRP SYNTHESIS-495報告中對RAP級配及油石比變異性的控制標準來確定RAP細料分級的關(guān)鍵篩孔[10]，由圖1可知抽提集料在2.36、4.75 mm篩孔的變異性較大，初選與集料粒徑相近的3、5 mm作為RAP細料分級的關(guān)鍵篩孔，0～3、0～5 mm檔RAP的級配通過率、變異系數(shù)見表2、表3。

表2 RAP級配通過率Table 2 Gradation pass rate of RAPRAP尺寸/mm不同篩孔(mm)的通過率/%4.752.361.180.60.3油石比/%0～397.971.346.326.107.40～5100.070.529.816.507.8

表3 RAP級配變異系數(shù)Table 3 CV of RAPRAP尺寸/mm不同篩孔(mm)的變異系數(shù)4.752.361.180.60.3變異性NCHRP控制標準0～30.008 0.0270.015 0.021 00.046≤0.050～50.0000.0740.063 0.074 00.105≤0.10

由表2可以看出，0～5 mm檔RAP的破碎篩分效果良好，4.75 mm篩孔的通過率達97%以上，該檔RAP在充分篩分后可以全部通過4.75 mm篩孔。0～3 mm檔RAP在充分篩分后2.36 mm篩孔的篩上含量仍有30%，RAP破碎篩分效果不佳，主要原因為較小粒徑的RAP極易在篩孔處結(jié)團聚集，振篩機很難將RAP篩分完全。

從RAP級配變異系數(shù)來看，0～5 mm檔RAP細集料的級配和油石比變異系數(shù)均滿足NCHRP再生報告的控制標準，0～3 mm檔RAP易結(jié)團導(dǎo)致油石比變異性偏大，據(jù)此將RAP細料分級的關(guān)鍵篩孔定為5 mm。

4.1.3RAP粗料關(guān)鍵篩孔的確定

RAP分級關(guān)鍵篩孔的確定主要考慮分檔后各檔RAP質(zhì)量的均衡性及變異性控制效果。由于RAP粗料變異性較小，主要考慮各檔RAP的質(zhì)量均衡性確定RAP粗料的分級關(guān)鍵篩孔，RAP的通過率見表4。

基于各檔RAP均衡性的原則，每檔RAP粗料占總量的比例應(yīng)不得低于30%。從表4可以看出，RAP粗料在13.2 mm處的篩上含量約為7%，9.5 mm處的篩上含量約為28%，因此RAP粗料分級關(guān)鍵篩孔應(yīng)分布在9.5～13.2 mm，結(jié)合RAP篩分的施工工藝，將RAP粗料的關(guān)鍵篩孔定為12 mm。根據(jù)關(guān)鍵篩孔將RAP分為以下3級(見圖2)。

表4 RAP的通過率Table 4 Gradation pass rate of RAP試驗次數(shù)不同篩孔尺寸(mm)的通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.3①10092.471.630.215.310.64.90②10093.172.331.116.311.05.70③10092.171.329.714.29.94.40④10094.573.133.217.912.46.00⑤10097.175.035.118.514.96.50⑥10089.268.328.113.613.44.00平均值10093.1 71.9 31.2 1612.0.5.3 0

(a) 12～22 mm

4.2 分級對RAP集料級配及油石比變異性的影響

4.2.1分級對集料級配及油石比的影響

分別選取6組分檔后的RAP進行抽提篩分，分級前后RAP的集料級配與油石比結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3 分級前后集料級配曲線圖

圖4 分級前后油石比圖

從分級前后的集料級配和油石比可以看出，分級后RAP粗料質(zhì)量較為穩(wěn)定，細料的波動性仍較大，分級對降低RAP粗料變異性的效果顯著。

4.2.2分級對RAP變異性控制效果的影響

采用變異系數(shù)對分級前后各檔RAP的變異性進行量化分析，集料通過率和油石比變異系數(shù)分別見圖5、圖6。

圖5 分級前后各篩孔變異系數(shù)圖

圖6 分級前后油石比變異系數(shù)圖

由圖5各篩孔集料通過率的變異系數(shù)可以看出，隨著RAP分級粒徑的增加變異系數(shù)有所下降，4.75 mm篩孔處的變異系數(shù)下降最為顯著，分級后的0～5、5～12、12～22 mm相比于未分檔前分別下降了約100%、93%和80%，分級可以顯著降低4.75 mm篩孔集料通過率的變異性。從油石比變異程度來看，分級后的0～5、5～12、12～22 mm相比于未分檔前分別下降了36%、63%和75%，RAP細料的油石比變異性下降程度較小，主要原因為0～5 mm檔RAP細料中含有較多的細集料和填料，其比表面積大，能夠吸附更多瀝青產(chǎn)生結(jié)團現(xiàn)象。整體來看分級有助于降低RAP集料級配和油石比的變異性。

4.3 RAP分級對再生瀝青混合料路用性能的影響

4.3.1RAP分級對再生瀝青混合料變異性的影響

再生瀝青混合料的變異性來源于RAP和新瀝青混合料，且與兩者所占比例有較大關(guān)系。再生瀝青混合料的變異性計算如式(4)。

CVr=αCVa+(1-α)CVv

(4)

式中：CVr為再生混合料變異系數(shù)，無量綱；CVa為RAP變異系數(shù)；CVv為新瀝青混合料變異系數(shù)；α為RAP摻量，%。

采用分級前后RAP的再生瀝青混合料級配及油石比見表5。

從表5可以看出使用未分級RAP的再生瀝青混合料級配和油石比均存在一定波動性，油石比的偏差為0.386%，9.5 mm的通過率偏差達3.955%，0.075 mm的達2.042%，這3個關(guān)鍵技術(shù)指標均接近或者已經(jīng)不滿足NCHRP的規(guī)范偏差允許值；采用分級后RAP制備的再生瀝青混合料級配和油石比偏差均滿足規(guī)范允許值，可見再生混合料的級配和油石比均得到有效控制。

表5 再生瀝青混合料的級配和油石比Table 5 Gradation and Asphalt-stone ratio of recycled asphalt mixture項目油石比/%不同篩孔(mm)的通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07516.2210095.363.628.522.718.515.713.41210.8RAP分級前25.4610093.657.922.318.714.212.19.68.46.935.7210094.356.026.822.716.314.211.410.89.9 標準差0.38600.8543.9553.2042.3092.1501.8081.9011.8332.04216.0810092.162.829.22117.614.912.210.38.9RAP分級后25.8610094.061.926.320.217.114.111.39.68.335.9410092.763.027.919.816.914.312.09.28.1 標準差0.11100.9710.5861.4530.6110.3610.4160.4730.5570.416 設(shè)計值5.910093.161.525.119.316.113.111.1108.6規(guī)范偏差允許值±0.3%±4% ±5% ±2%

4.3.2RAP分級對再生瀝青混合料路用性能變異性的影響

a.高溫性能。

RAP分級前后動穩(wěn)定度DS試驗結(jié)果如表6所示。

再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度均遠大于規(guī)范要求，高溫性能良好，RAP分級后動穩(wěn)定度提升了6.5%，變異系數(shù)下降了59.3%，RAP分級后顯著降低了混合料高溫性能的變異性。再生瀝青混合料的高溫性能主要受優(yōu)良的骨架密實結(jié)構(gòu)與老化瀝青流變特性的影響，RAP分級后集料級配和油石比變異性得到了有效控制，有助于降低高溫性能的變異性。

表6 RAP分級前后車轍動穩(wěn)定度Table 6 DS of recycled mixture before and after grading材料動穩(wěn)定度 /次①②③④⑤⑥平均值變異系數(shù)使用分級前RAP料6 7549 8657 5197 7718 9346 1128 1260.155使用分級后RAP料8 8989 2347 8668 0349 2498 6578 6560.063注: 技術(shù)要求為≥3 000次。

b.低溫性能。

低溫小梁彎曲試驗結(jié)果如表7所示。

表7 分級前后彎曲試驗最大彎拉應(yīng)變Table 7 Ultimate flexural strain of bending test before and after grading材料最大彎拉應(yīng)變 / με①②③④⑤⑥平均值變異系數(shù)使用分級前RAP料3 345 4 032 3 472 3 867 3 629 3 676 3 6702.30使用分級后RAP料3 822 4 144 4 042 3 432 3 943 3 711 3 8492.33 注: 技術(shù)要求為≥2 500 με。

從表7可以看出，RAP分級后再生瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變提升了4.8%，變異系數(shù)基本無變化，表明RAP分級對再生瀝青混合料的低溫性能及其變異性控制無明顯的改善效果。由于再生瀝青混合料的低溫性能主要受瀝青性能的影響[11]，再生瀝青混合料中RAP摻量僅為30%，老化瀝青添加再生劑和新瀝青再生后性能基本可以達到新瀝青的水平，因此RAP分級對再生瀝青混合料低溫性能的影響較小。

c.水穩(wěn)定性。

研究表明[12-13]浸水馬歇爾試驗不能有效反映實際路用性能的水穩(wěn)定性，采用凍融劈裂試驗評價再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性，RAP分級前后凍融劈裂強度比見表8。

表8 RAP分級前后凍融劈裂強度比Table 8 TSR before and after grading材料凍融劈裂強度比TSR/%①②③④⑤⑥平均值變異系數(shù)使用分級前RAP料81.2 82.4 83.7 79.2 82.1 82.9 81.9 1.432 使用分級后RAP料85.2 84.1 84.8 86.5 83.7 84.0 84.7 0.944 注: 技術(shù)要求為≥80%。

RAP分級后再生瀝青混合料的TSR增加了3.4%，變異系數(shù)下降了34%，表明分級可以有效降低再生混合料水穩(wěn)定性的變異性。級配是影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要因素[14-17]，RAP分級明顯降低了級配和油石比的變異性，從而有效控制再生混合料中4.75、9.5 mm等關(guān)鍵篩孔的通過率，使再生混合料的級配更接近設(shè)計值。

5 結(jié)論

a.RAP細料的油石比和集料級配均具有較大的變異性，結(jié)合NCHRP報告和RAP篩分工藝確定了RAP粗料、細料分級的關(guān)鍵篩孔分別為12、5 mm。

b.RAP分級可以有效控制集料級配和油石比的變異性，4.75 mm關(guān)鍵篩孔處的變異系數(shù)下降幅度達80%以上；分級后RAP粗料的集料級配和油石比均比較穩(wěn)定，細料的波動性仍較大，總體上RAP分級有助于降低級配和油石比的變異性。

c.RAP分級可以提升再生瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性，有效降低了動穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比的變異性，對最大彎拉應(yīng)變的變異性影響較小。