RAP舊料在瀝青路面預防性養護中全比例應用的理論分析與探討

韓文珍,秦棟華

(1.山西辰潤交通科技有限公司,山西 晉中 030600;2.山西路橋第六工程有限公司,山西 晉中 030600)

0 引 言

隨著《公路瀝青路面預防養護技術規范》(JTG/T 5142-01—2021)2021年12月1日起施行以來,微表處由于其開放交通快、施工方便、可綜合改善路面,具有造價低廉等優勢,已經成為目前應用最廣泛的路面預防養護技術之一。再生瀝青混合料,又稱RAP(Reclaimed Asphalt Pavement的縮寫),目前在工程中應用愈來愈廣泛,基于舊料精細分離工藝,將RAP與微表處結構高效融合,實現舊料的100%再利用,可以在保證微表處結構路用性能的前提下,極大降低微表處結構工程造價,極具發展前景,面對有限的養護資金和更高的固廢循環利用水平,開展全比例RAP微表處結構技術的研究,解決瀝青路面材料高效再生利用關鍵技術瓶頸,走在RAP理論前沿、占據RAP創新高點、取得RAP產業優勢,是提高瀝青路面預養護能力的新舉措。

1 微表處結構與RAP高效融合的技術瓶頸

國內外對于微表處結構技術已進行了系統性的研究,在材料組成設計、性能評價、施工工藝等方面取得大量研究成果,該項技術已成為我國瀝青路面最主要的預防養護技術之一,尤其可大幅提升路面的綜合性能。目前,雖然有學者嘗試在微表處結構混合料中摻加RAP,但是舊料摻量有限,一般不超過50%,而且微表處結構混合料質量表現出不穩定性,現有研究未能從材料源頭控制高比例舊料微表處結構混合料質量變異性。在保證微表處結構混合料性能的前提下,如何實現舊料的100%再利用,面臨以下亟待解決的問題。

1.1 對廢舊瀝青路面材料精細分離工藝與裝備研究不足

廢舊瀝青路面材料中石料與瀝青相互裹覆,黏結成團粒結構,因此舊料并不是單一的顆粒物,而是一種混合顆粒,往往舊料中的一個顆粒是由許多較細顆粒黏聚而成。因此,舊料的礦料級配和瀝青用量存在較大的波動性,會顯著影響微表處結構混合料級配和油石比的穩定性,材料組成設計的不均勻容易誘發微表處結構出現剝落、水損等病害。實現舊料中的油石分離,可以精確確定舊料的級配和油石比,從源頭上為全比例RAP微表處結構奠定堅實的基礎,但該技術與相關裝備尚有待開發。

1.2 未能建立全比例微表處結構混合料材料組成設計方法

全比例RAP微表處結構混合料材料組成包括舊料、水泥、改性乳化瀝青、再生劑等,由于全比例舊料和再生劑的加入,全比例RAP微表處結構混合料與常規微表處結構混合料組成設計存在許多差異。例如,舊料分檔尺寸和比例的確定、再生劑用量的確定、由于舊瀝青存在而導致的乳化瀝青用量的確定等,這都需要進行系統理論研究和工程實踐,才能提出滿足工程實際需求的全比例RAP微表處結構混合料材料組成設計方法。

1.3 全比例微表處結構混合料路用性能及長期性能有待驗證

在微表處結構混合料中用RAP完全替代石料,由于大量舊瀝青的存在,可能會對微表處結構混合料的水穩定性、抗裂性、長期性能等產生不利影響,100%RAP對微表處結構混合料性能的影響尚不確定,以及微表處結構混合料在高速公路路面中的適應性也缺乏研究。通過室內試驗研究全比例RAP微表處結構混合料性能,為全比例RAP微表處結構技術在高速公路中的應用提供技術支持,進一步提高舊料循環利用水平,達到降低微表處結構混合料材料成本的目的。

2 關鍵技術問題分析

針對以上微表處結構與RAP高效融合的全國性的3個技術瓶頸,提出需解決的3個關鍵技術問題,具體如下。

2.1 舊料的摻配比例達不到100%

當前有研究人員提出將RAP應用于微表處結構混合料中,RAP中含有一些高品質集料,如瀝青表面層中堅硬、耐磨、抗滑的玄武巖集料,可用于表面磨耗層,將含有玄武巖的RAP材料用于微表處結構混合料,既可以發揮舊料作用,還可以降低材料成本。但是受限于舊料礦料集配和瀝青含量的不均勻性,微表處結構混合料中舊料的摻配比例一般不超過50%。在2022年之前的公路瀝青路面相關工程實踐中,完全獲得成功的舊料摻配最大比例為80%[1,2],有關科研機構曾將比例擴大至85%及以上,但是否完全成功仍有待于工程實踐驗證。RAP材料是集料和瀝青的混合物,石料與瀝青相互裹覆,黏結成團粒結構,尤其在細料中表現最為明顯。因此舊料并不是單一的顆粒物,而是一種混合顆粒,往往舊料中的一個顆粒是由許多較細顆粒黏聚而成,因此舊料的級配組成和瀝青用量存在較大的波動性。由于舊料團狀顆粒性質,往往會影響再生混合料質量的穩定性。尤其對于高比例舊料再生,極易引發再生路面出現局部性損壞。因此,為有效減小舊料的變異性,國內外通常的做法都是限制舊料在混合料中的的最大添加比例,但這也降低了舊料的資源化利用水平[3,4]。

2.2 RAP精細分離工藝與裝備研發

摻RAP的微表處結構混合料生產中,舊料仍然是團狀顆粒結構,舊料的真實級配和油石比難以確定,存在較大的變異性,尤其對于高比例RAP微表處結構,其質量難以得到保證。將舊料中的瀝青和石料進行分離,可以有效確定舊料的級配組成,可大幅降低高比例甚至全比例RAP微表處結構級配的變異性,提高全比例RAP微表處結構質量。研發舊料油石物理分離工藝與裝備是實現全比例RAP微表處結構的基礎。

2.3 全比例RAP微表處結構混合料組成設計體系構建

全比例RAP微表處結構混合料組成設計體系包含RAP礦料級配的確定、再生劑的選擇及用量的確定、乳化瀝青的選擇及用量的確定等,建立科學合理的材料組成設計方法將直接決定全比例RAP微表處結構混合料的整體結構與性能。而構建全比例RAP微表處結構混合料性能評價體系,可為該項技術的適用性分析提供判別依據。

3 創新點及研究技術路線分析

基于以上3個關鍵技術問題,提出創新點及研究技術路線。

3.1 創新點分析

基于舊料的團狀顆粒性質,提出舊料中油石物理分離機理與作用方式,在充分認識舊料材料特征和微表處結構技術特點的基礎上,開展基于精細分離的全比例RAP微表處結構應用技術研究。通過裝備研發、理論突破、設計優化和工藝提升等,將舊料與微表處結構技術高效融合,在保證微表處結構混合料路用性能的基礎上,實現舊料100%再利用,進一步降低微表處結構材料成本,同時提升舊料的循環利用水平,具有顯著的經濟、技術、環保效益。

(1)經濟性分析

①理論預期可節省乳化瀝青用量20%以上。

②理論預期可節省90%～100%優質石料。

(2)技術性分析

①理論預期全比例RAP微表處結構混合料技術性能顯著滿足規范要求。

②理論預期全比例RAP微表處結構噪音相比傳統微表處結構降低10%左右。

③理論預期集料與乳化瀝青配伍性得到有效提升。

(3)環保性分析

①完全符合我國“十四五”以來有關加強建筑垃圾和固體廢料處置、推進循環利用及資源全面節約、《交通強國建設綱要》關于“提高資源再利用和循環利用水平”的相關要求,高度契合智慧公路、清潔能源、新基建交通等的相關趨勢。

②項目實施約束條件少、周期短、進度快,實施方便,應用示范可行性強。環保參數見表1。

3.2 研究技術路線

首先在分析舊料材料團狀顆粒性質的基礎上,研發舊料的精細分離設備和工藝,實現油石分離,極大降低舊料級配組成的變異性,為后續全比例RAP微表處結構技術研發奠定堅實基礎;然后,開展全比例RAP微表處結構混合料材料組成設計方法研究,重點解決RAP性質的評價與質量控制、全比例RAP微表處結構混合料配合比設計方法、全比例RAP微表處結構混合料耐久性等關鍵技術問題;最終通過修筑試驗路,建立全比例RAP微表處結構質量控制方法及質量評價體系,并量化全比例RAP微表處結構技術的經濟效益。

4 主要研究內容分析

基于以上創新點及研究技術路線,提出主要研究內容。

4.1 全比例RAP微表處結構混合料材料組成設計及性能研究

(1)RAP性質的評價與質量控制

基于微表處結構材料特征,研究RAP中舊瀝青性能、集料性質對微表處結構混合料施工性能和路用性能的影響規律,確定關鍵影響參數,提出適宜微表處結構混合料的RAP舊瀝青和集料的質量控制參數。

(2)全比例RAP微表處結構混合料配合比設計方法

基于RAP舊瀝青性能,提出全比例RAP微表處結構混合料再生劑使用的判斷依據及再生劑摻量確定方法;研究乳化瀝青用量、礦料級配、舊瀝青性質等材料組成因素對全比例RAP微表處結構混合料施工性能和路用性能的影響,通過敏感性水平分析提出材料組成設計的關鍵控制標準,根據研究結果,提出全比例RAP微表處結構混合料配合比設計程序。

(3)全比例RAP微表處結構混合料耐久性能驗證

通過改進現有試驗方法與開發新的試驗方法相結合的方式,從水穩定性(長期浸水、凍融循環等)、耐磨耗性(磨耗損失)及抗滑性3個方面對全比例RAP微表處結構混合料耐久性能進行評價,同時與全新料微表處結構混合料進行對比分析;基于耐久性試驗結果,進一步優化全比例RAP微表處結構混合料的材料組成設計。

4.2 全比例RAP微表處結構施工質量控制體系建立

通過全比例RAP微表處結構試驗路鋪筑,進行性能、噪音等跟蹤檢測,驗證混合料配合比,從原材料生產、拌和、攤鋪、養護等環節提出過全比例RAP微表處結構混合料施工全過程的質量控制要點和技術要求,建立全比例RAP微表處結構質量控制方法及質量評價體系。

4.3 全比例RAP微表處結構經濟效益分析

采用合理的經濟分析方法,通過試驗路鋪筑情況,對比研究全比例RAP微表處結構與全新料微表處結構的經濟性;綜合分析全比例RAP微表處結構技術在節省優質石料用量、節約乳化瀝青用量等方面的經濟優勢,為該項技術在實體工程中的推廣應用提供支撐。

4.4 RAP精細分離工藝與裝備研發

(1)舊料團狀顆粒性質研究

研究舊料中礦料級配、瀝青含量和瀝青性能的變化規律和差異性,分析舊料結團性特征;揭示舊料中瀝青含量與粒徑的分布特性;在此基礎上,提出舊料中油石物理分離機理與作用方式。

(2)舊料分離工藝與裝備研究

研究提出舊料中的瀝青物理分離工藝,基于此開展舊料中的瀝青物理分離設備配置研究,通過不同分離參數下各檔料瀝青含量與級配、集料形態等油石分離效果評價,研究確定油石分離加工的合理參數,以及適宜微表處結構級配的舊料分檔尺寸。

(3)舊料破碎與篩分技術研究

分析舊料油石分離前不同破碎方式的機理與性能,確定適合分離舊料中瀝青的破碎方式;基于混合料特性的材料分級研究,確定舊料振動篩配置與標準篩孔;研究提出舊料振動篩分過程中細集料防堵理論與方法。

5 結 語

綜上述,基于精細分離的全比例RAP微表處結構技術,理論上講,可實現RAP與微表處結構的高效融合,提升RAP的循環利用水平,具有顯著的經濟、技術、環保效益,應用前景廣闊,下階段需大量的室內試驗與室外檢測等實踐來驗證理論分析,如果理論、實踐兩者相符,能夠解決上述全國性的技術瓶頸問題,關鍵技術應用成功,按照既定研究路線一一驗證研究內容。