熱再生瀝青混合料拌和工藝改進研究

摘 要：熱再生瀝青混合料的混合過程對其性能有較大影響。常規混合工藝廣泛應用于路面行業，但忽略了不同骨料的瀝青吸附能力可能導致拌和后再生瀝青混合料的異質性。因此，本問提出了一種改進的熱再生瀝青混合料拌和技術，綜合考慮材料的拌和順序，并進行室內試驗，以驗證改進技術的可行性。結果表明，采用NO.2和NO.3拌合工藝制備的再生瀝青混合料樣品的蠕變斜率分別提高了2.4%和23.8%。改進的混合技術有助于提高熱再生瀝青混合料的水穩定性、耐低溫開裂性，并且RAP含量越高，改進的拌和工藝效果越強。

關鍵詞：熱再生；瀝青混合料；拌和工藝

中圖分類號：TU 535" " " 文獻標志碼：A

熱再生技術是指使用專用設備處理再生瀝青路面（RAP），然后與一定比例的原生集料、基質瀝青膠結料和再生劑拌和，生產可持續路面材料的一系列熱再生混合料生產技術。RAP集料表面涂覆的瀝青膜較厚，而原生集料表面涂覆的瀝青膜相對較薄。馬濤[1]等人研究指出，原生集料表面瀝青涂層的不均勻性是影響再生瀝青混合料性能的一個重要因素。隨著RAP含量增加，會進一步影響路面穩定性[2]。

鑒于傳統拌和工藝的弱點，應考慮對瀝青混合料的拌和技術進行調整。蘭建麗[3]使用凝膠滲透色譜（GPC）研究了再生混合料中原始骨料和老化骨料表面再生瀝青黏合劑的混合度，發現同時添加RAP和原始骨料，可能導致原始骨料和RAP表面的混合度不同。張倫超[4]提出了一種熱拌瀝青混合料（HMA）的拌和方法，即先將粗骨料和瀝青黏結劑混合，然后將細骨料和礦物粉末依次加入攪拌桶中[5]。因此在前人研究的基礎上，本文優化了適用于不同RAP含量的熱再生瀝青混合料的拌和技術，并進行水穩定性、耐低溫開裂性研究，使瀝青薄膜均勻地涂覆在RAP和原骨料上，進一步提高熱再生瀝青混合料的性能。

1 材料和方法

1.1 材料

熱再生瀝青混合料具有廣泛的適用性和穩定的性能，已被廣泛應用于路面行業。然而，傳統的拌和工藝忽略了原生集料和涂有老化黏結料的舊集料對瀝青混合料吸收性的差異，導致拌和后的再生混合料具有異質性。因此為避免RAP材料的可變性對試驗結果的影響，本文選擇的RAP材料是實驗室老化的瀝青混合料。RAP采用的瀝青結合料為SK-70基層瀝青。瀝青結合料的含量設定為4.3%。根據顆粒大小，RAP分為0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm和15～20mm共5個等級。其中最大級別為石灰巖，其余為玄武巖。此外，所采用的礦物填料為石灰石。

瀝青結合料和礦物骨料通過實驗室攪拌筒進行混合。并對混合瀝青混合料進行短期實驗室老化。將拌合后的混合料放入135℃的烘箱中4h，厚度為25mm～50mm。每小時用鏟子翻一遍混合料，保證混合料均勻老化，以模擬瀝青路面的長期氧化老化過程[6]。

1.2 熱再生瀝青混合料的配合比設計

根據我國現行的瀝青路面施工技術規范，混合料設計采用馬歇爾設計法。擬采用40%的RAP材料設計AC-20熱再生瀝青混合料。基質瀝青和老化瀝青結合料的詳細性能見表1。

1.3 方法

本文采用漢堡車轍試驗、半圓彎曲試驗和間接拉伸疲勞試驗3種常用試驗來研究再生混合料的高溫抗車轍性能、水穩定性、低溫抗裂性和疲勞性能。

1.3.1 漢堡車轍試驗（HWTT）

本文采用漢堡車轍試驗方法來評估熱再生混合料的高溫抗車轍性能和水穩定性[7]。根據規范要求，使用CONTROLS公司生產的漢堡雙輪車轍試驗機進行漢堡車轍試驗。試樣在50℃的水浴中加載。2個輪子的加載速率設定為52次/min。當試樣車轍深度達到20mm或經過20000輪加載后，加載自動終止。每個試樣重復3次。

1.3.2 半圓彎曲試驗（SCB）

半圓彎曲試驗所需的試樣形狀為帶有預制缺口的半圓形厚板。因此，首先將制備的混合料切割成半徑為75mm、厚度為25mm的半圓形試樣圓柱體。其次，在試樣跨度上切割一條狹縫，形成15mm的初始裂紋長度[8]。再次，通過UTM-30在?18℃下對制備的混合料試樣施加穩定的垂直荷載。加載速率選擇為0.5mm/min，并在單個組中進行6次重復試驗[9]。通過半圓彎曲試驗的力-位移曲線得出的評價指標包括斷裂能、斷裂韌性和剛度等。其中，斷裂能綜合考慮了瀝青混合料在整個加載過程中的荷載和變形，是從能量角度評價瀝青混合料低溫抗裂性的有效指標。由于其與瀝青路面開裂有較強相關性，因此采用該指標來評估再生混合料的低溫抗裂性，并且瀝青混合料中儲存的斷裂能越多，低溫抗裂性就越好。

2 熱再生瀝青混合料攪拌工藝的改進

在現有HMA循環使用的攪拌技術中，先同時攪拌RAP和原生骨料，然后將基質瀝青黏合劑加入攪拌桶中，再將礦物填料加入攪拌桶中進行最后一次攪拌。再生瀝青混合料的攪拌過程實質上就是將老化的原生骨料與基質瀝青結合料混合，形成一定厚度的瀝青膜的過程。傳統的攪拌技術在現有的設備中較容易實現，但有一個明顯的缺陷。由于RAP中的老化瀝青膠結料已經嚴重老化，流動性較差，因此使老化黏合劑均勻地分布在所有RAP和原始集料表面是無法控制的。第一次攪拌后，大部分老化瀝青混合料仍包裹在RAP骨料表面，只有小部分轉移到原生骨料上。第二次攪拌時，被老化瀝青包裹的RAP集料比原生集料更容易吸收基質瀝青。因此，RAP集料和原生集料上的瀝青膜厚度不一致，RAP集料上的厚度較厚，而原生集料上的厚度較薄。而且隨著RAP含量增加，該不一致性會越來越嚴重。本文在傳統拌合工藝的基礎上，提出了一種改進的拌合工藝，具體步驟如下。1）基質瀝青結合料總量被分成2個等份，一半基質瀝青結合料與預熱的原生骨料拌合，進行第一次攪拌。2）將預熱的RAP和剩余的基質瀝青結合料加入攪拌桶中，進行第二次攪拌。3）將預熱后的礦物填料加入攪拌桶中進行最后的攪拌。

改良拌合工藝中的基質瀝青黏結料分2步加入。先將一部分基質瀝青結合料與原生集料拌合，然后再將RAP與剩余的瀝青結合料混合。與傳統拌合工藝相比，改進混拌合工藝全面考慮了RAP集料和原生集料的瀝青吸附能力。與從RAP轉化而來的老化瀝青膠結料相比，該技術可使原生集料上裹覆更多的基質瀝青結合料，從而有助于基質瀝青結合料在再生混合料中均勻分布。

以RAP含量為40%的AC-20再生混合料為例，本文設計了3種分2步進行的瀝青添加比例試驗方法，見表2。

NO.1：按照傳統的攪拌工藝制備熱再生瀝青混合料，即先同時拌合RAP和原生集料，然后將所有原生瀝青加入攪拌桶中（傳統攪拌技術）。

NO.2：對于含有40%RAP的AC-20混合料，在第一拌合步驟（改進型拌合技術）中，將基質瀝青總量的63.9%加入拌合桶，并與原生集料拌合。

NO.3：基質瀝青總量分為2個等份?；|瀝青總量的一半被添加進來，并在第一個攪拌步驟中與原生集料拌合。

在改進的拌和工藝中，原瀝青結合料分2步加入。先將一部分基質瀝青結合料與原始骨料混合，然后將RAP與剩余的瀝青結合料混合。與傳統的拌和工藝相比，改進的拌和工藝綜合考慮了RAP集料和原集料對瀝青的吸附能力。與RAP轉化的老化瀝青結合料相比，該技術可以使原始集料涂覆更大比例的原始瀝青結合料，有助于基質瀝青結合劑在再生混合料中均勻分布。

為了直觀比較傳統拌合方法和改進拌合方法，除拌合順序外，其他拌合參數均保持不變。在攪拌過程中，RAP的預熱時間和溫度分別設定為2h和110℃。原生骨料和礦物填料的預熱溫度為175℃。基質瀝青的預熱溫度為165℃。拌和鼓的溫度為165℃，每個步驟的拌和時間為90s。拌和混合料后，將松散的熱再生混合料置于165℃的烘箱中烘烤2h，以模擬實際工程中的短期老化過程。

3 結果與討論

3.1 漢堡車轍試驗結果

通過3種拌合方法制備的含40%RAP的AC-20熱再生混合料的蠕變斜率和剝離斜率結果繪制成柱狀圖并進行比較，如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，與傳統的拌合技術相比，采用NO.2和NO.3拌合工藝制備的再生瀝青混合料樣品的蠕變斜率分別提高了2.4%和23.8%。相比下，熱再生混合料的剝離斜率分別降低了46.8%和41.3%。上述結果表明，分2批添加原瀝青有助于熱再生混合料的水穩定性，但可能對再生混合料耐高溫車轍性能產生負面影響。在改進拌合工藝（NO.2和NO.3）制備的再生混合料中，再生瀝青的混合度較高，這可能是造成再生混合料耐高溫車轍性能降低的原因。隨著再生瀝青混合度增加，更多的RAP瀝青軟化并在再生混合料中充當黏合劑，從而形成“富含黏合劑”的混合料。因此降低了再生混合料的耐高溫車轍性。值得注意的是，通過改進拌合工藝（NO.2）制備的再生混合料的性能沒有顯著降低。原因是根據骨料的比表面積確定的瀝青用量使骨料表面的瀝青涂層更均勻，最終的混合料更容易壓實，因此提高了耐高溫車轍性能。

3.2 半圓彎曲試驗結果

通過半圓彎曲試驗獲得的不同拌合工藝制備的再生瀝青混合料的斷裂能如圖3所示。從圖3可以看出，采用改進型拌合技術后，再生混合料的斷裂能具有顯著提高。與傳統拌合技術（NO.1）和現有改進拌合技術（NO.3）相比，改進技術制備的再生混合料的斷裂能分別提高了24.3%和13.9%，表明改進拌合技術提高了熱再生混合料的低溫抗裂性。一般來說，高摻量RAP熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能較差，而采用改進拌合技術可以提高再生混合料的低溫性能。

3.3 討論

本文研究為優化瀝青攪拌站中熱再生瀝青混合料的攪拌程序提供了新的視角。研究結果表明，改進后的拌和方法可以提高熱再生瀝青混合料的性能，而無須額外的混合時間和其他材料。然而，到目前為止，該混合工藝只適用于在實驗室攪拌桶中生產的再生瀝青混合料，并不適用于批量生產設備。事實上，通過開發我國路面施工中廣泛應用的間歇式瀝青混合料廠瀝青結合料供應系統控制程序，可較容易地彌補這一差距。綜上所述，本文為進一步優化間歇式瀝青攪拌工藝提供了理論依據。未來的研究將通過更多的級配和現場RAP來驗證本文所提拌和工藝的適用性。此外，本文還通過宏觀性能測試證明了改進工藝的優越性。未來的研究將結合微觀方法，分析改進工藝對瀝青膜厚度、老化瀝青膠結料和原生瀝青膠結料混合程度的影響機制。

4 結論

針對不同骨料對瀝青吸附能力的差異，本文提出了一種改進的拌合工藝，以優化熱再生瀝青混合料的拌合工藝。通過與傳統拌合方法進行比較，驗證了改進拌合方法的有效性和合理性，所得結論如下。1）通過與傳統拌合方法進行比較可知，本文的改進拌合方法產生的熱再生混合料在水穩定性、耐低溫開裂性等方面均有所提高。2）與RAP含量較低的再生瀝青混合料相比，改進拌合方法對RAP含量較高的混合料性能的改善效果較明顯。

參考文獻

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