溫再生混合料級配設計中舊料狀態的確定

邵慧君,蔣子龍,劉黎萍

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 201804)

溫再生混合料級配設計中舊料狀態的確定

邵慧君,蔣子龍,劉黎萍

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 201804)

基于表面活性溫拌技術,深人分析溫再生混合料級配設計的特點,明確了溫再生混合料級配設計的關鍵問題之一是確定再生混合料中舊料的狀態。通過室內配置不同舊料摻量、不同舊料狀態下的溫再生混合料合成級配,研究舊料狀態對溫再生混合料級配設計的影響。研究結果表明:溫再生混合料級配設計時,舊料狀態被簡化成完全混合狀態更合理,即級配設計時以舊料中礦料的篩分數據作為設計依據;但是,當舊料摻量較小時,為方便、快捷地進行級配設計,舊料狀態被簡化成黑集料狀態也是可行的,此時級配設計以舊料的篩分數據作為設計依據。

道路工程;溫再生;舊料簡化狀態;完全混合狀態;黑集料狀態

在中國,隨著大量瀝青公路路面進人大、中修期,每年翻修開挖出大量的舊瀝青混合料。為了實現其有效利用、減少環境污染,瀝青路面再生技術的研究受到越來越廣泛的關注[1]。瀝青路面再生技術有廠拌冷再生技術、就地冷再生技術、廠拌熱再生技術及就地熱再生技術等[2]。各種瀝青路面再生技術中,廠拌熱再生技術相對成熟,再生混合料的性能最有保障。但是,廠拌熱再生混合料的生產過程中存在著能耗較大、污染較嚴重及舊料摻量較低的問題。結合熱再生技術和溫拌瀝青混合料技術[3]而產生的溫再生技術是一種新型“綠色環保型”技術。該技術由于降低了生產和施工溫度,可以降低舊料在生產過程中的短期二次老化和新瀝青的高溫粘度,實現較低溫度下的拌和和壓實,同時還能保持其與普通熱拌料相當的路用性能。由于溫度的降低,舊料在熱再生混合料中和溫再生混合料中的狀態明顯不同,這種差異將顯著影響混合料的級配設計結果,因此有必要對溫再生混合料中舊料的狀態進行研究。

1 再生混合料設計時舊料的幾種狀態

再生混合料中,舊料的狀態分為3種:①黑集料狀態,即舊料中的瀝青完全不與新瀝青融合,新瀝青起膠結作用,而舊料僅發揮集料的作用;②完全混合狀態,即舊料中的瀝青完全熔融,并與新瀝青充分融合,共同發揮膠結作用;③部分混合狀態,即舊料中的瀝青,僅有一部分與新瀝青融合發揮膠結作用。美國NCHRP報告[4]認為,對于熱再生混合料,新、舊瀝青融合的程度比較高,宜把舊料當作完全混合狀態;對于冷再生混合料,新、舊瀝青融合的程度很低,宜把舊料當作黑集料看待。NCHRP報告給出的熱再生和冷再生過程中舊料狀態如圖1所示。

圖1 不同再生混合料中舊料狀態示意Fig.1 The states of RAP for different recycling mixtures

再生混合料設計與常規混合料設計一樣,關鍵問題都是確定混合料的級配,不同之處在于再生混合料中由于添加了舊料,確定混合料級配時,必須考慮舊料狀態。其實任何一種再生方式中,舊料的狀態都應該是部分混合狀態,然而到目前為止,仍然不能具體確定該狀態下舊料實際參與混合的比例,從而不能有效指導再生混合料的級配設計。因此NCHRP報告針對熱再生與冷再生過程對舊料的狀態進行了簡化,將熱再生過程中舊料狀態簡化為完全混合狀態,將冷再生過程中舊料狀態簡化為黑集料狀態。

再生混合料中,舊料的狀態被簡化為黑集料狀態還是完全混合狀態,其本質區別體現在再生混合料級配設計上。如果將舊料看作黑集料狀態,級配設計時采用的是舊料抽提前的篩分數據;如果將舊料看作完全混合狀態,級配設計時采用的是舊料抽提后的篩分數據。溫再生混合料的拌合和施工溫度與熱再生混合料的更接近,因此常規將溫再生中舊料的簡化方式等同于熱再生中舊料的簡化方式,定義舊料狀態為完全混合狀態。然而NCHRP報告[5]關于3種狀態下混合料性能試驗的對比結果顯示:舊料3種狀態下混合料性能差別的大小與舊料的摻量有關。當舊料摻量較小時,3種狀態下混合料性能差別很小;當舊料摻量較大時,3種狀態下混合料性能差別明顯。因此,當舊料摻量較小時,如果仍然將溫再生中舊料狀態簡化成完全混合狀態,就不可避免地要進行舊料抽提實驗,不僅花費很多的人力物力,而且獲得的再生混合料性能優勢不明顯。針對溫再生混合料設計,如何簡單而又恰當的簡化舊料狀態是研究的重點。

2 不同舊料摻量時再生混合料的級配差異性

試驗用舊料為上海市寶錢公路銑刨料,舊料經破碎篩分后,分成0～5 mm和5～15 mm 2檔,室內試驗首先對2檔舊料進行抽提實驗,分析舊料在抽提前、后的篩分變化情況。2檔舊料抽提前、后的篩分結果對比分別如圖2,3所示。

從圖2,3中可以看到,0～5 mm和5～15 mm 2檔舊料抽提前的篩分結果和抽提后的篩分結果均存在著較大的差別,因此,進行再生混合料的級配設計時,使用舊料抽提前的篩分結果還是抽提后的篩分結果,會直接導致合成級配的差異。這里,以舊料摻量30%溫再生混合料的級配設計為例。對于相同的新集料級配,當分別采用舊料抽提前和抽提后的篩分數據時,2種合成級配曲線的差異如圖4所示。“抽提前”指的是按照舊料抽提前的篩分結果合成的級配曲線,“抽提后”指的是按照舊料抽提后的篩分結果合成的級配曲線。

圖2 0～5 mm檔舊料抽提前、后篩分對比Fig.2 The screening comparison of pre-and post-extraction result of the 0～5 mm RAP

圖3 5～15 mm檔舊料抽提前、后篩分對比Fig.3 The screening comparison of pre-and post-extraction result of the 5～15 mm RAP

圖4 合成級配對比Fig.4 The composite gradation comparison

從圖4中可以看出,這2條曲線有較明顯的差異。而再生混合料的實際級配曲線應處于“抽提前”曲線和“抽提后”曲線之間。如果“抽提前”曲線和“抽提后”曲線的距離很“近”,則實際級配比較穩定;否則,說明實際級配的不確定性很大。這種“遠近”的程度可以用各檔通過率之差的平均值來表征,并將該值定義為再生混合料的級配差異性,其計算公式為:

式中:B為再生混合料級配差異性;Hi為使用舊料抽提后的篩分結果合成級配,i檔的通過率;Qi為使用舊料抽提前的篩分結果合成級配,i檔的通過率;i為對于AC—13級配,i取13.2,9.5,4.75, 2.36,1.18,0.6,0.3,0.15和0.075 mm各檔;N為集料的檔數,對于AC—13級配,N為9。

由式(1)可知,針對某一種舊料,級配差異性的大小與舊料的摻量有關,按照式(1)計算不同舊料摻量時再生混合料級配差異性,其結果見表1。

表1 不同舊料摻量時再生混合料級配差異性Table 1 The difference of the gradation of recycling mixtures with different contents of RAP

從表1中可以看出,隨著舊料摻量的增加,再生混合料的級配差異性增大,且增大的幅度比較穩定。因此,當級配差異性較大時,使用舊料抽提前的篩分數據還是抽提后篩分數據進行級配設計,將對再生混合料設計產生顯著影響;而當級配差異性較小時,2種情況下獲得的再生混合料級配不會相差太大。

3 舊料簡化狀態對溫再生混合料設計結果的影響

3.1 試驗條件

與熱拌瀝青混合料相比較,溫拌瀝青混合料是在不改變瀝青混合料配合比和施工工藝的前提下,使拌和溫度相應降低30℃以上,且性能達到熱拌瀝青混合料的新型瀝青混合料[3]。根據之前的研究[6]和普通溫拌瀝青混合料的試驗經驗,確定溫再生混合料的溫度控制方案,見表2。

表2 各環節的溫度控制Table 2 The temperature control of each link

對于普通瀝青混合料,溫拌劑可以降低瀝青粘度,從而降低瀝青混合料的拌和溫度。對于溫再生混合料,溫拌劑的加人降低了新瀝青的粘度,從而有利于新老瀝青的融合。通常使用表面活性劑法進行溫再生混合料研究的情況較多,并有攤鋪成功的工程案例[7],因此試驗使用表面活性劑法進行溫再生混合料研究,選用Evotherm DAT—H5溫拌添加劑。

3.2 級配差異性較小時,舊料的簡化狀態

依據《公路瀝青路面施工技術規范》[8],以AC—13為合成級配。分別使用舊料抽提前的篩分結果和抽提后的篩分結果調配舊料摻量為20%的再生混合料合成級配,再生混合料合成級配變化情況如圖5所示。

圖5 添加20%舊料時,再生混合料合成級配變化Fig.5 The change of composite gradation of the recycling mixture of 20%RAP

從圖5中可以看出,當舊料摻量為20%時,不論是采用舊料抽提前的篩分數據還是采用舊料抽提后的篩分數據,所獲得的合成級配均在規范[8]規定的上、下限范圍內,且2條級配曲線接近,表明此時再生混合料的級配差異性較小。

根據設定的試驗條件,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[9]中馬歇爾試件的成型方式,確定最佳油石,并測試最佳油石比下馬歇爾試件的體積參數,測試溫再生混合料的性能。對比20%舊料摻量時,2種情況下混合料的體積參數和性能的變化分別如圖6,7所示。

圖6 2種情況下再生混合料的體積參數對比Fig.6 The volumetric parameter comparison of two recycling mixtures

圖7 2種情況下再生混合料的性能對比Fig.7 The performance comparison of two recycling mixtures

從圖6,7中可以看出,當舊料摻量為20%時, 2種情況下獲得的再生混合料體積參數和性能均能滿足規范要求。采用舊料抽提前篩分數據配置的混合料馬歇爾試件的空隙率較大、礦料間隙率較大、瀝青飽和度較小、穩定度較小、流值較大,同時再生混合料的動穩定度、最大彎拉應變及凍融劈裂強度比均較小。但其試驗結果與采用舊料抽提后篩分數據配置的混合料的相差不大,此時,采用舊料抽提后的篩分數據獲得的再生混合料性能優勢不明顯。因此,當舊料摻量較低時,可以考慮采用舊料抽提前的篩分數據調配合成級配,從而省略舊料的抽提過程。NCHRP報告[4—5]中指出,舊料摻量較少時,舊料的狀態對再生混合料性能的影響很小,因此這一結果與NCHRP的結論一致。

3.3 級配差異性較大時,舊料的簡化狀態

依據《公路瀝青路面施工技術規范》[8],以AC—13為合成級配。分別使用舊料抽提前的篩分結果和抽提后的篩分結果調配舊料摻量為50%的再生混合料合成級配,再生混合料合成級配變化如圖8所示。

圖8 添加50%舊料時,再生混合料合成級配變化Fig.8 The change of composite gradation of the recycling mixture of 50%RAP

從圖8中可以看出,當舊料摻量達到50%時,采用舊料抽提前的篩分數據獲得的合成級配已經接近規范[8]規定的下限,且2條級配曲線距離較遠,說明此時再生混合料的級配差異性較大。

分別采用2種級配設計方法,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[9]中馬歇爾試件的成型方式,確定最佳油石,測試再生混合料的高溫穩定性[10—11]。2種級配設計方法下的混合料高溫性能對比見表3,車轍試件的外觀對比如圖9所示。

表3 2種級配設計方法下的混合料高溫性能Table 3 The high temperature performance of the mixture based on the two methods of the design of gradation

從表4和圖9中可以看出,當舊料摻量為50%時,采用舊料抽提前篩分數據配置的合成級配已經接近規范下限,可調整的空間少,而且此時再生混合料高溫性能檢測初期就產生了較大的車轍深度,且車轍試件的表面構造深度不明顯,混合料高溫性能遠不能滿足要求。因此,當舊料摻量較大時,采用舊料抽提后的篩分數據調配合成級配更合理。

圖9 2種級配設計方法下混合料車轍試件的外觀對比Fig.9 The appearance comparison of the mixtures based on the two methods of the design of gradation

4 結論

1)再生混合料設計時對舊料狀態的不同考慮會導致級配設計存在不確定性,這種不確定性可用級配差異性來定量表征,舊料摻量越大,級配差異性就越大。

2)當舊料摻量較低(≤20%)時,可采用舊料抽提前的篩分數據進行再生混合料的級配設計,即認為舊料呈黑集料狀態。

3)當舊料摻量較大(≥50%)時,需采用舊料抽提后的篩分數據進行再生混合料的級配設計,即認為舊料呈完全混合狀態。

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Determination on the state of RAP in the warm-mix recycling asphalt mixture gradation design

SHAO Hui-jun,JIANG Zi-long,LIU Li-ping
(The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University,Shanghai 201804,China)

Based on the surface activity of warm-mix technology,the characteristics of warm-mix recycling asphalt mixture gradation design is studied.One of the key problems of warm recycling mixture gradation design is how to determine the state of RAP is found.Different kinds of recycling mixture gradations with different contents and states of RAP are synthesized.The influence of RAP states on warm recycling mixture gradation design is also studied.The results show that during the warm-mix recycling asphalt mixture gradation design,the state of RAP should be simplified with a complete mixing state,that is to say,the recycling mixture should be synthesized by using the RAP screening result of post-extraction.When the content of RAP is small,the state of RAP can also be simplified with a black aggregate state,at this time,using the RAP screening result of pre-extraction is also feasible.

road engineering;warm-mix recycling;the state of RAP;complete mixing state;black aggregate state

U414

A

1674—599X(2015)04—0013—05

2015—04—12

上海市自然科學基金項目(12231201100)

邵慧君(1987—),女,同濟大學博士生。