RAP級(jí)配特征及對(duì)冷再生瀝青混合料的影響

楊松翰， 李響， 張崇康

（1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150006；2.遼寧省高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限公司金普分公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

路面材料再生雖然解決了建設(shè)周期長(zhǎng)、資源消耗大、廢料無(wú)法處置等一系列問題，但因?yàn)殂娕倥f料的性質(zhì)對(duì)于再生混合料的性能影響較大，且存在較大的變異性，即使從同一路段的不同的標(biāo)段、同一標(biāo)段的不同車道回收的RAP，其礦料級(jí)配、油石比和瀝青性能也存在一定差異，對(duì)于RAP的研究國(guó)內(nèi)外多以瀝青和骨料作為切入點(diǎn)，并對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)［1，2］。而RAP的銑刨、破碎等是導(dǎo)致變異性的主要原因，通過不同的RAP取樣方法，以不同RAP作為研究對(duì)象具有較大意義［3-5］。Simonas Tamaliūnas［6］從瀝青拌合廠入手，分析處理RAP方法的原理模型以及加熱模型。楊建萍等［7］從回收舊料的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)性等角度展開研究，建立了回收料的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)性指標(biāo)、級(jí)配的變異性指標(biāo)等評(píng)價(jià)模型；劉亮等［8］采用三氯乙烯“剝離法”對(duì)RAP表面特性進(jìn)行分層分析。隨著研究的推進(jìn)，許多研究學(xué)者將再生技術(shù)與瀝青混合料的溫拌技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可達(dá)到降低熱再生施工溫度的同時(shí)節(jié)約施工成本的目的［9-11］，但RAP摻量、級(jí)配對(duì)于混合料性能具有顯著影響［12，13］。文中基于RAP銑刨料結(jié)團(tuán)現(xiàn)象和級(jí)配變化，針對(duì)RAP本身的性質(zhì)，對(duì)粗、細(xì)兩檔的RAP進(jìn)行性能分析并測(cè)定其不同檔位的結(jié)團(tuán)程度，將路面回收料劃分為三類，通過抽提試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)觀察級(jí)配變化，探究粗細(xì)RAP性質(zhì)和結(jié)團(tuán)狀況，從結(jié)團(tuán)料的角度揭示RAP的本質(zhì)。通過RAP摻量、粗細(xì)比例等變量分析其對(duì)乳化冷再生混合料性能的影響，旨在控制廢舊瀝青回收料級(jí)配及瀝青含量的變異性。

1 RAP結(jié)團(tuán)料的分類

1.1 結(jié)團(tuán)料分類

根據(jù)結(jié)團(tuán)料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及物理性能，將粗RAP（4.75～26.5mm）以及細(xì)RAP（9.5～13.2mm）劃分成未結(jié)團(tuán)料、純細(xì)料粘結(jié)、部分細(xì)料粘結(jié)料三類。圖1為3種RAP銑刨料實(shí)拍圖。

圖1 3種RAP銑刨料實(shí)拍

未結(jié)團(tuán)料實(shí)質(zhì)上是單塊集料外部裹覆一層舊瀝青膜，具有一定的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還具備抗磨耗、抗沖擊的性能。

純細(xì)料粘結(jié)的是由許多粒徑相近的細(xì)集料粘結(jié)形成的團(tuán)體，其性質(zhì)與細(xì)料間的舊粘結(jié)瀝青相關(guān)。若舊粘結(jié)瀝青粘結(jié)力較強(qiáng)，其宏觀受力狀態(tài)與同體積同粒徑的獨(dú)立完整碎石相同；若舊瀝青粘結(jié)能力較差，宏觀整體力學(xué)性能較差，相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)度極其差的同體積碎石。

部分細(xì)料粘結(jié)料是不同大小的石料被瀝青黏附而成的整體。當(dāng)舊瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度足夠時(shí)，其表現(xiàn)與同體積的完整獨(dú)立碎石無(wú)異；當(dāng)舊瀝青粘結(jié)能力較差時(shí)，受力時(shí)小石料易脫離，而大石料仍然會(huì)發(fā)揮其部分作用，這種石料在壓實(shí)得當(dāng)?shù)那闆r下仍然有較好的強(qiáng)度與路用性能。

1.2 結(jié)團(tuán)料分布

將取自3個(gè)拌合站的RAP進(jìn)行篩分，記錄未結(jié)團(tuán)料、純細(xì)料粘結(jié)以及部分細(xì)料粘結(jié)料的占比情況。

表1、表2為兩檔RAP中未結(jié)團(tuán)料、純細(xì)料粘結(jié)以及部分細(xì)料粘結(jié)料的占比情況。其中粗RAP中的結(jié)團(tuán)料占比較高，細(xì)RAP中的結(jié)團(tuán)料占比較少。對(duì)于粒徑范圍9.5～13.2、13.2～16，粗RAP中的結(jié)團(tuán)料占比分別為27%、43%，而細(xì)RAP為15%、18%，相差較大，其原因可能是在對(duì)細(xì)RAP進(jìn)行刨銑破碎時(shí)，細(xì)RAP相較于粗RAP進(jìn)行了多次破碎，因而級(jí)配較小，結(jié)團(tuán)料破碎更徹底，所以結(jié)團(tuán)料相對(duì)較少。

表1 粗RAP結(jié)團(tuán)料占比情況

表2 細(xì)RAP結(jié)團(tuán)料占比情況

粗RAP中部分粘結(jié)占比呈起伏變化，篩孔13.2時(shí)為最小值，表明在不同大小集料發(fā)生粘結(jié)時(shí)，中等大小的集料更容易與相對(duì)更大或者更小的集料粘結(jié)，而變成更大粒徑的RAP，而小粒徑的料不易與相鄰篩孔的集料組成部分純細(xì)粘結(jié)，而是與跟自己有一定跨度的料組成部分細(xì)料粘結(jié)料，或與自己相似的料構(gòu)成純細(xì)粘結(jié)。細(xì)RAP中13.2mm篩孔的部分粘結(jié)較多，原因是部分粘結(jié)是由不同大小粒徑集料組成的，而細(xì)RAP本身較細(xì)，部分粘結(jié)必然是因?yàn)榧?xì)RAP中的大粒徑料粘結(jié)了細(xì)料。

2 RAP抽提前后級(jí)配變化

粗、細(xì)RAP抽提篩分后得到各篩孔通過率，最后繪制成級(jí)配曲線圖。

圖2 粗RAP抽提前后級(jí)配變化曲線

圖3 細(xì)RAP抽提前后級(jí)配變化曲線

對(duì)于粗RAP，抽提后的曲線整體在抽提之前的上方，篩孔尺寸為16mm以上的部分通過率變化較小，說明抽提之后RAP集料發(fā)生細(xì)化。

根據(jù)抽提前后級(jí)配變化曲線可以看出，粗RAP集料在抽提后整體的通過率提高，這是由于粗RAP集料中不僅包括不同粒徑的集料還有一定數(shù)量的結(jié)團(tuán)料（舊瀝青將粒徑相對(duì)較小的集料結(jié)合成團(tuán)），經(jīng)過抽提后分散為更小粒徑的集料。接近最小或最大粒徑時(shí)結(jié)團(tuán)料存在變少，故抽提變化率變化減小。其中0.3～16mm范圍內(nèi)為結(jié)團(tuán)料存在的高頻區(qū)。RAP集料中的結(jié)團(tuán)料是因?yàn)殂娕倭现械睦匣癁r青將細(xì)集料黏結(jié)成團(tuán)，使得破碎不夠充分而存在的。

3 RAP擊實(shí)前后級(jí)配變化

試驗(yàn)采用馬歇爾試驗(yàn)?zāi)M路面壓實(shí)（雙面擊實(shí)75次），測(cè)定RAP集料在真實(shí)荷載作用下的承載能力，擊實(shí)后直接進(jìn)行篩分，將篩分?jǐn)?shù)據(jù)整理成級(jí)配曲線圖。

根據(jù)粗RAP級(jí)配變化曲線的形式，級(jí)配曲線整體向左遷移，說明在擊實(shí)之后，部分集料發(fā)生破碎，其破碎原因主要可以歸納為兩類，一種是RAP集料本身破碎、另一種是粘結(jié)料的被打開。

圖4 粗RAP擊實(shí)前后級(jí)配變化曲線

圖5 細(xì)RAP擊實(shí)前后級(jí)配變化曲線

粗RAP的粒徑較大，在未摻加其他級(jí)配的集料時(shí)，沒有細(xì)集料填充空隙，空隙之間集料支撐較少，形成的結(jié)構(gòu)為骨架空隙型，因此在外界荷載作用時(shí)，并沒有較好的卸力支撐點(diǎn)，對(duì)于棱角比較分明的石料或本身老化強(qiáng)度較差的石料，容易造成石料本身破碎，使得集料細(xì)化。對(duì)于結(jié)團(tuán)料，由于其本身之間的粘結(jié)瀝青強(qiáng)度不夠，粘結(jié)面即為受力薄弱面，當(dāng)荷載作用時(shí)，粘結(jié)面即變成卸力面，使大塊粘結(jié)料變成小塊同樣可以使集料細(xì)化。

對(duì)于細(xì)RAP，由于集料本身細(xì)小，在經(jīng)過前幾次擊實(shí)時(shí)，其結(jié)構(gòu)偏向于形成懸浮密實(shí)型，當(dāng)后期荷載作用時(shí)，對(duì)于每一個(gè)石料來(lái)說，各個(gè)方向均有較好的支撐。對(duì)于表層石料，下方包裹密實(shí)可以將表層受到的力很好的通過各個(gè)方向傳遞下去，受力均勻不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，因此集料不會(huì)輕易破碎；對(duì)于內(nèi)部石料，其各個(gè)方向均有完整石料支撐，空隙之間有細(xì)小的集料填充，可以更好的將外加荷載從各個(gè)方向均勻完整地傳遞出去，因此在馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)過后，細(xì)RAP的級(jí)配改變很小，曲線貼合效果較好，幾乎不會(huì)造成太大的影響。在0.15～0.6mm檔位之間出現(xiàn)細(xì)料增加的現(xiàn)象，對(duì)于級(jí)配的整體的改變并不大，其原因是表層集料的棱角被破壞，以及局部來(lái)不及形成密實(shí)結(jié)構(gòu)的部分細(xì)小石料被沖擊破壞，使集料細(xì)小化。

4 RAP對(duì)乳化冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度的影響

設(shè)計(jì)3種粗粒式級(jí)配GP1～GP8，其中GP5、GP7較粗，GP6、GP8較細(xì)，GP1-4則是處于中間的狀態(tài)，確定最佳含水率、最大干密度和對(duì)應(yīng)含水率的最佳乳化瀝青用量，如表3、表4、圖6所示。

表3 不同級(jí)配的最佳含水率及對(duì)應(yīng)最大干密度

表4 乳化瀝青冷再生混合料配合比 %

圖6 乳化瀝青冷再生混合料合成級(jí)配

4.1 RAP摻量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響

基于級(jí)配GP1～GP4（粗、細(xì)RAP總摻量分別為20%、40%、60%、80%，粗RAP與細(xì)RAP摻配比例為1：1）測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度，并對(duì)RAP摻量與穩(wěn)定度進(jìn)行線性擬合得到圖7，其中回歸公式y(tǒng)=25.93-0.18225x，判定系數(shù)R2=0.9636。

通過圖7可知隨著RAP摻量的逐級(jí)增加，馬歇爾穩(wěn)定度逐級(jí)降低，線性相關(guān)性較強(qiáng)，具有顯著的擬合效果。當(dāng)RAP摻量小于40%，或大于60%時(shí)，RAP摻量對(duì)于馬歇爾穩(wěn)定度的影響一般，不會(huì)造成過多差別，穩(wěn)定度下降峰值主要集中在40%～60%之間。

圖7 RAP摻量-穩(wěn)定度擬合曲線

4.2 粗、細(xì)RAP摻配比對(duì)乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響

為探究粗RAP與細(xì)RAP摻配比對(duì)于集料的影響，減少RAP整體摻量對(duì)于混合料的影響，將混合料中RAP摻量定為60%，粗RAP：細(xì)RAP定為60：0、45：15、30：30、15：45、0：60，從而確定RAP中哪種集料對(duì)于混合料的性能起到主導(dǎo)作用。

圖8 不同粗RAP摻量對(duì)應(yīng)馬歇爾穩(wěn)定度

各級(jí)配均在最佳的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)粗RAP與細(xì)RAP摻量同為30%時(shí)，數(shù)值最小，粗RAP摻量為45%、細(xì)RAP為15%時(shí)馬歇爾穩(wěn)定度最高，為17.06kN。當(dāng)粗細(xì)RAP比例為60：0、30：30、15：45、0：60時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度相差不大，不超過1kN，均小于粗RAP摻量為45%時(shí)的性能。總的來(lái)看，發(fā)生此試驗(yàn)結(jié)果的原因可能是因?yàn)楫?dāng)RAP摻量為45%時(shí)，與其他集料組成的級(jí)配具有更好的骨架結(jié)構(gòu)，因而強(qiáng)度更大。但整體來(lái)說，將RAP總量定于60%時(shí)，整體起伏變化不大，若忽略級(jí)配所形成的骨架結(jié)構(gòu)，則RAP總摻量對(duì)于混合料的影響強(qiáng)于粗、細(xì)RAP摻量的單獨(dú)影響。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）RAP在抽提的過程中發(fā)生了細(xì)化，粗RAP瀝青含量、結(jié)團(tuán)料含量高于細(xì)RAP，粗RAP結(jié)團(tuán)料集中在0.075～16mm檔位，細(xì)RAP結(jié)團(tuán)料集中在0.075～4.75mm檔位。

（2）將結(jié)團(tuán)料分為3種類型：未結(jié)團(tuán)料、部分細(xì)料粘結(jié)料、純細(xì)料粘結(jié)料，其中部分細(xì)料粘結(jié)料、純細(xì)料粘結(jié)料的強(qiáng)度雖然看似是粘結(jié)一起，但是其強(qiáng)度基于舊瀝青的粘結(jié)情況有一定差別，且仍不及單一完整石料。

（3）在擊實(shí)抽提后粗RAP發(fā)生細(xì)化的現(xiàn)象，細(xì)化的原因一種是RAP集料本身破碎、一種是粘結(jié)料的被打開。相比細(xì)RAP，擊實(shí)對(duì)于粗RAP的影響更大。

（4）在乳化冷再生混合料中，當(dāng)粗、細(xì)RAP摻量相同時(shí)，馬歇爾強(qiáng)度與總RAP摻量具有較好的線性負(fù)相關(guān)性，穩(wěn)定度下降峰值主要集中在40%～60%之間。

（5）當(dāng)總RAP摻量確定時(shí)，此時(shí)粗、細(xì)RAP占比為3：1時(shí)馬歇爾穩(wěn)度有少量提升，與拌合后形成更好的骨架結(jié)構(gòu)有關(guān)，且RAP總摻量對(duì)于混合料的影響強(qiáng)于粗、細(xì)RAP摻量的單獨(dú)影響。