瀝青路面就地熱再生混合料再生劑用量及級配優化

梁毓珂

(山西省公路局長治分局,山西 長治 046600)

就地熱再生瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩定性能、疲勞性能及耐老化性能方面需要大力研究。學者們在室內完成了諸多方面的研究[5-6],由于舊瀝青混合料的均勻性較差,導致研究結果與實際施工過程中存在較大差異,進而導致室內結果與現場的路用性能存在很大的差距。因此,在現有研究結果的基礎上,結合太佳高速西段瀝青路面就地熱再生的施工實例,進行瀝青混合料的級配優化研究,為工程提供技術支持。

1 再生工程資料收集

首先,收集路面各結構層厚度和類型、瀝青和集料等原材料的種類、瀝青混合料級配和油石比、新建施工過程檢測資料和工程驗收資料等。其次,收集養護資料,如各年度路面破損情況、養護維修方式和資料,以及路況定期檢測資料。再次,收集交通量和氣候資料,如道路年平均日交通量、貨車比例、軸載分布與超載情況、工程所在地區的年降雨量、年平均氣溫與極端氣溫等情況。最后,原路面病害調查可采用人工步巡或路面綜合檢測車進行,詳細記錄病害的位置、類型、面積和嚴重程度等特征,并進行整理以形成分析報告。

在對路面病害成因進行分析時,一般應根據所收集的工程資料和原路面病害調查數據進行。也可進行現場檢測或者取樣后進行室內試驗分析。路面病害的成因往往可能是多種因素并存,但重點是要確定道路的中、下面層以及各層結構本身是否有比較嚴重的問題,如有嚴重問題,需修復完善下面層后,再進行上、中面層再生。另外,如有薄層罩面等加鋪時,應通過級配確認加鋪層是否可與再生層一起再生,如級配變異過大,應清除該層后再生。

2 舊路面材料回收及試驗

選用就地熱再生養護技術,再生瀝青混合料用原材料為SBS(Ι-D)改性瀝青、輝綠巖集料、石灰巖磨細礦粉,高性能再生劑為重慶伍圣建材有限公司AZ瀝青熱再生劑,以上瀝青、集料、礦粉滿足規范[7]要求。本次就地熱再生混合料結構仍選擇原路面SBS改性AC-13型瀝青混合料結構。首先,對原路面隨機抽取3個代表點,進行小型加熱機加熱回收取樣,采用阿布森法回收舊瀝青,通過對回收瀝青、回收集料的試驗,舊瀝青混合料的平均油石比為4.6%。回收瀝青混合料的級配見表1,回收瀝青的檢測結果見表2。

表1 回收瀝青混合集料級配

表2 回收瀝青檢測結果

由表1可知,舊混合集料的級配部分篩孔已超出級配上下限范圍,并呈現10～15 mm集料用量明顯不足,5～10 mm集料明顯過多的現象,進而導致路面抗車轍性能不足等問題。從表2可知,針入度下降明顯,5 ℃延度下降更為嚴重,表明瀝青混合料在使用過程中老化非常嚴重,但依據針入度檢測結果為31(0.1 mm),滿足就地熱再生中復拌再生針入度≥30(0.1 mm)的要求,所以,本項目維修養護選用復拌再生工藝。

3 再生混合料優化設計

3.1 再生劑用量設計

現有成品再生劑的主要成分由芳香粉以及其他輕質組分組成,主要作用為補充舊瀝青中被老化的芳香分,溶解舊瀝青中的瀝青質,恢復再生瀝青的各項性能。通過試驗,不同再生劑摻量的情況下,再生瀝青的試驗結果見表3。

表3 再生瀝青再生效果

由表3可知,通過再生試驗,隨著再生劑的增加,針入度逐漸增加,并滿足了規范[7]改性瀝青Ι-D的技術要求。軟化點逐漸降低,5 ℃延度逐漸增加。依據規范[8],再生瀝青的性能恢復至原瀝青低1個等級即可,依據試驗結果可知,再生劑摻量為4%時,即可滿足規范[8]要求。所以本次設計再生劑用量為舊瀝青混合料質量的4%。

回收瀝青往往不能完全恢復到原樣瀝青的標準,主要原因為:在抽提回收過程中,部分較細的礦粉不能完全從瀝青中分離出去,所以瀝青的黏度、延度將受到比較大的影響,所以當恢復到比原瀝青低1個等級的時候,實際瀝青基本可以達到原瀝青的標準。

當小規模突發事件發生時，市場價格不會發生變化，而市場需求會發生改變，市場需求的分布函數F(x)及密度函數f(x)波動為G(x)和g(x)，G(x)和g(x)的性質與F(x)和f(x)相同，且市場需求的期望為μG=E(x)=xg(x)dx.

3.2 級配優化設計

為保證就地再生后高程與原路面相同,不增加路面厚度,本項目采用復拌再生工藝,依據舊瀝青混合料的級配發現,舊瀝青混合料級配偏細,需添加一部分新的瀝青混合料,以優化調整再生瀝青混合料的集配,使再生后的瀝青混合料具有抗車轍性能強、低溫性能好、耐久性強的優點。舊瀝青混合料及新瀝青混合料的級配組成見表4,新集料與舊集料的用量比為16%∶84%。再生瀝青混合料中油石比為以再生混合料、再生劑、新集料設計的油石比,該油石比為新添加的瀝青與再生混合料、再生劑、新集料之和的比值。通過瀝青混合料的再生混合料的馬歇爾試驗,確定再生瀝青混合料的油石比為4.7%。經再生瀝青混合料的馬歇爾試驗,結果見表5。

表4 合成瀝青混合料的級配組成

表5 再生瀝青混合料的馬歇爾試驗結果

室內試驗時,再生劑用量為舊瀝青混合料質量的4%,新集料用量為舊瀝青混合料質量的18.2%,新瀝青用量為舊瀝青混合料質量的5.7%。拌和流程為先將舊瀝青混合料與再生劑拌和90 s,再加入新集料、新瀝青拌和90 s即可。

運用于生產時,新瀝青混合料的油石比為32%,經試拌油石比為32%的新瀝青混合料,瀝青析出嚴重,進一步試拌該級配得出新瀝青混合料油石比為4.5%時,基本保證了混合料拌和均勻、不泛油,余下的瀝青需在再生劑添加時單獨加入再生混合料中。加入流程為:在舊瀝青混合料與再生劑拌和后,隨后在舊瀝青混合料中加入舊瀝青混合料質量4.9%的新瀝青,再加入預拌好新瀝青混合料,即可完成再生混合料的拌和,隨后現場壓實。

4 再生混合料性能驗證

4.1 高溫性能檢驗

在標準60 ℃的恒溫條件下,采用0.7 MPa的壓應力水平,檢測再生瀝青混合料的高溫性能。在檢測前首先測試車轍試件的空隙率,使空隙率符合馬歇爾設計空隙率的±1%之內[9]的要求。測試結果見表6。

表6 再生瀝青混合料動穩定度試驗結果

由表6可知,再生瀝青混合料動穩定度滿足規范≥2 800次/mm的技術要求。

隨著廢舊瀝青混合料的再生,再生瀝青混合料抵抗變形能力增強,主要原因為再生瀝青混合料中的舊瀝青富含較高的瀝青質,在再生劑的作用下,舊瀝青中的瀝青質發生重組、溶解,當新瀝青加入后,RAP中的老化瀝青對新瀝青起到了改性作用,新瀝青與舊瀝青發生融合,此時,新瀝青的黏度有所提升,導致瀝青混合料在高溫狀態下的感溫性能降低,抗變形能力增加,從而使再生瀝青混合料高溫抵抗變形能力得到大幅度的提升。

4.2 低溫性能檢驗

通過低溫彎曲試驗,表征再生瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗溫度:-10 ℃,加載速率:50 mm/min,試驗結果見表7。

表7 低溫彎曲試驗結果

由表7可知,就地熱再生低溫性能均能滿足規范[7]破壞應變≥2 800 με的技術要求。表明該再生瀝青混合料在低溫情況下可表現出很強的韌性及低溫變形能力,抑制和延緩開裂效果明顯,主要原因為再生劑中的芳烴油改變了舊瀝青混合料中瀝青的特性,再生劑通過滲透、包裹作用,在重新加熱拌和后,消除了原混合料中的宏觀裂縫,阻斷了微觀銀紋的發生發展,使舊瀝青的性能基本恢復了應力松持的特性。所以,低溫情況下,新瀝青、再生劑使再生瀝青混合料的應變能力得到大幅度的提升。

4.3 水穩定性能檢驗

為研究再生瀝青混合料的水穩定性能,分別開展了浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,來評價再生瀝青混合料的水穩定性能,試驗過程中采用50次擊實,結果見表8、表9。

表8 浸水馬歇爾試驗結果

表9 凍融劈裂TSR試驗結果

從表8、表9可知,殘留穩定度、凍融劈裂TSR強度比均滿足規范要求,表明廢舊瀝青混合料再生效果明顯,均滿足熱拌瀝青混合料的水穩定性能指標。再生瀝青混合料中舊料與新混合料拌和后,在再生劑的作用下,新舊瀝青發生了一定程度的融合,新瀝青、再生劑在舊集料、舊瀝青膠團表面的裹覆下,阻斷了水分進入舊集料、舊瀝青膠團的通道,使再生混合料的抗水損害能力大幅度提升,同時,隨著時間的延長,再生劑進一步發生滲透,對舊瀝青產生長期的性能恢復作用。所以,再生瀝青混合料的水穩定會較長期地保持,并保持較高的抗水損害水平。

5 運營后現場檢測

太佳高速養護前主要病害為淺層龜裂、麻面、橫裂等,試驗段鋪筑的優化粗型混合料及趨近于設計級配范圍中線的混合料,通過1年的運營,近期檢測后,發現優化粗型混合料平整度優、無橫向縱向裂紋,而采用趨近于設計級配范圍中線的混合料有明顯的車轍變形。檢測結果見表10。

表10 運營1年后的現場檢測結果

從表10可知,采用粗型級配優化的瀝青混合料鋪筑再生路面,抗車轍性能及抗裂性能得到明顯提高,路面的壽命及耐久性得到了進一步的延長,經濟及社會效益優勢明顯。

6 結 論

(1)再生瀝青混合料中,舊級配的好壞決定了新混合料的摻加量,再生瀝青混合料的合成級配宜采用骨架密實型且較低空隙率的混合料。

(2)通過不同再生段落取樣試驗,分析原瀝青路面的級配變異程度,適當重新合成級配,變異時及時采取變異策略。

(3)通過回收瀝青混合料的再生試驗,可知此舊瀝青中再生劑用量為4%時可滿足原瀝青低1個等級的技術要求;新集料與舊集料的用量比為16%∶84%;確定再生瀝青混合料的油石比為4.7%。新瀝青混合料為偏粗瀝青混合料,無法達到設計新瀝青用量時,余下的新瀝青需單獨與再生劑一并加入舊瀝青混合料中。

(4)在再生劑、新集料、新瀝青的作用下,再生瀝青混合料的動穩定度可達5 577次/mm,低溫破壞應變可達3 839.7 με、浸水馬歇爾試驗結果達88.7%,凍融劈裂TSR試驗結果可達86.3%,以上結果均可滿足熱拌瀝青混合料的性能要求,且檢測性能較優。

(5)相對于原設計對比段落,粗型級配優化的瀝青混合料鋪筑再生路面,抗車轍性能及抗裂性能

得到明顯提高,路面的壽命及耐久性得到了延長,經濟及社會效益優勢明顯。