大摻量RAP再生瀝青混合料性能研究

魏必成

(1.福建省高速技術咨詢有限公司,福州 350018;2.福建省高速公路工程重點實驗室,福州 350018)

瀝青混凝土路面具有行車舒適、低顛簸、低噪音、施工快、維修養護方便等優點,廣泛應用于各級公路,是我國高等級路面的主要組成部分[1,2]。瀝青路面養護過程中產生大量廢舊瀝青混合料(RAP),如果不充分循環利用,則易造成能源和資源的極大浪費,并且隨意堆放RAP不僅侵占大量土地資源,還對生態環境、社會穩定造成一定的隱患[3,4]。據統計,截至2021年底全國公路總里程達528萬公里,養護總里程接近100%,養護過程中每年產生的廢舊瀝青混合料約8 000萬噸[5,6]。為達到建設資源節約型、環境友好型社會的要求,將RAP合理地循環利用到工程中去,成為目前必須面對和解決的問題。歐美和日本等發達國家的RAP再生利用技術十分成熟,RAP利用率高達100%,而我國RAP再生利用率不足70%[7-9]。

RAP材料中含有一定的老化瀝青以及大量的粗、細集料,經過適宜的再生工藝處理后,能夠滿足道路工程使用要求。當前,低摻量再生瀝青混合料在道路養護工程中已經得到廣泛的應用,而大摻量再生瀝青混合料(RAP摻量高于30%)在實際應用過程中還存在一定的瓶頸。因此,為了在道路工程中充分利用RAP材料,并減少舊料級配組成變異性、瀝青再生融合效果對再生混合料路用性能的影響,該項目以舊料RAP標準化處理為切入點,開展大摻量、高質量、多元化、高價值循環再利用研究,符合“綠色建造”、“青山綠水”等國家政策要求,具有顯著的社會和經濟效益。

1 原材料

1.1 瀝青膠結料

試驗所用瀝青為廈門新立基股份有限公司生產的改性瀝青,其物理性能見表1。

表1 瀝青性能檢測結果

表2 集料物理性能檢測結果

1.2 集料

試驗所用集料為玄武巖集料,其物理性能見表 2,篩分結果見表3。

表3 集料篩分結果 平均通過百分率/%

1.3 礦粉

試驗所用礦粉為石灰石礦粉,其各項指標見表4。

表4 瀝青面層用礦粉檢測結果

2 RAP標準化處理

試驗所用RAP取自福建莆田公路養護拌合站,將RAP按《RAP分類標準化處理技術指標研究》[10]中的方法進行標準化處理,得到最佳篩孔尺寸為6 mm。進一步將RAP過6 mm振動篩,僅將6 mm以上RAP進行破碎分散,減少RAP粗集料的團聚。將篩分后的RAP分為6～15 mm和15～20 mm兩種粒徑規格進行使用。RAP各項指標見表5,采用全自動瀝青抽提儀(Pave Analyzer,意大利controls)對RAP進行抽提,并對抽提后的RAP集料進行篩分,結果見表6。

表5 RAP物理性能

表6 RAP抽提后篩分結果 平均通過百分率/%

3 AC-20大摻量再生瀝青混合料配合比設計

試驗根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)進行再生瀝青混合料配合比設計,混合料類型為AC-20,選擇RAP的摻量分別為45%、50%和55%。為獲得性能穩定的再生瀝青混合料,在進行配合比設計時采用粗型級配,即調整再生瀝青混合料級配曲線使其處于級配中線下方,并使不同RAP摻量再生瀝青混合料的級配曲線盡量重合,不同RAP摻量合成級配見表7,各種礦料組成比例見表8。

表7 不同RAP摻量再生瀝青混合料合成級配

表8 各種礦料組成比例 w/%

通過馬歇爾試驗確定再生瀝青混合料的瀝青含量為4.2%,最佳油石比為4.4%。45%、50%和55%RAP摻量再生瀝青混合料添加新瀝青的含量分別為3.14%、3.00%和2.86%,不添加再生劑,不同摻量PAP再生瀝青混合料馬歇爾試驗結果見表9。

表9 不同摻量RAP再生瀝青混合料最佳油石比和馬歇爾試驗結果

由表9可知,所制備的三種不同RAP摻量的AC-20再生瀝青混合料馬歇爾試驗結果滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中的要求。

4 試驗結果與分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)對不同RAP摻量AC-20再生瀝青混合料的水穩定性能、高溫性能開展試驗研究,該研究成果將在福建省進行工程應用。福建地處中國東南沿海,屬于亞熱帶季風氣候,較少出現極寒天氣,因此暫不考慮再生瀝青混合料的低溫性能。

4.1 水穩定性能

由圖1可知,三種RAP摻量再生瀝青混合料的48 h殘留穩定度均大于《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中不小于80%的要求。45%和50%RAP摻量瀝青混合料的48 h殘留穩定度大小相當,分別為93%和94%;當RAP摻量提高到55%時,再生瀝青混合料的48 h殘留穩定度下降至91%。該研究中再生瀝青混合料摻入的RAP為6 mm以上大粒徑,RAP表面裹覆的舊瀝青相對較少,在拌和過程中舊瀝青變軟與新瀝青相互融合,因此再生瀝青混合料具有較高的殘留穩定度,但是當RAP摻量達到55%后,再生瀝青混合料中的舊瀝青含量相對增多,在拌和過程中與新瀝青的融合均勻性下降,導致瀝青與集料的粘附性稍有下降,故55%RAP摻量再生瀝青混合料的48 h殘留穩定度有小幅度下降。

由圖2可知,隨著RAP摻量的提高,再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比也隨之增加,45%RAP摻量再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比為92.7%;RAP摻量增加至50%時,凍融劈裂強度比提高至94.0%,提高了1.4%;當RAP摻量為55%時,再生瀝青混合料凍融劈裂強度比為95.3%,提高了2.8%。三種不同RAP摻量再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中的技術指標要求。這可能是由于舊瀝青與新瀝青融合后粘度大,RAP摻量越高,舊瀝青含量越多,所以在短期內表現出RAP摻量越高,再生瀝青混合料凍融劈裂強度比越大。

4.2 高溫穩定性

對不同摻量RAP再生瀝青混合料動穩定度進行測試,試驗結果見表10。隨著RAP摻量的增加,再生瀝青混合料的動穩定度減少,55%RAP摻量的再生瀝青混合料動穩定度最小,為4 200次/mm,但仍遠大于《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中不小于2 800次/mm的要求,說明摻入RAP的再生瀝青混合料具有較好的高溫抗車轍變形能力。這是由于RAP中的舊瀝青在光、熱、氧氣等自然環境下發生了老化,老化過程中瀝青分子中分子質量較小的芳香分和飽和分向分子質量較大的膠質和瀝青質轉變,導致瀝青變硬,因此摻入RAP的再生瀝青混合料在抵抗高溫車轍變形方面表現出較好的性能。

表10 不同摻量RAP再生瀝青混合料動穩定度試驗結果

5 結 論

a.采用標準化處理后的RAP級配變異性小,能夠制備出級配穩定的大摻量AC-20再生瀝青混合料。

b.對不同RAP摻量再生瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比進行測試,結果表明50%RAP摻量瀝青混合料的水穩定性最好。

c.不同RAP摻量的再生瀝青混合料均表現出較好的高溫抗車轍性能,這主要是由于RAP中的瀝青經過老化后變硬,抗車轍變形能力提高。