廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究

宋小峰，王大明*

(南京林業大學 土木工程學院，南京 210037)

摘要：對南京某高速公路銑刨的廢舊瀝青混合料(RAP)性能進行試驗研究，在回收瀝青中加入適量的再生劑，并評價再生瀝青的性能，發現回收瀝青的性能得到改善。根據配合比設計方法，對廠拌熱再生瀝青混合料(RAP摻量為30%)和普通瀝青混合料進行配合比設計，并對其高溫穩定性、水穩定性、低溫性能以及疲勞性能進行評價。研究表明：在30%RAP摻量下，廠拌熱再生瀝青混合料的性能均滿足規范要求，相對于普通瀝青混合料，其高溫性能和水穩定性能提高，但低溫性能和疲勞性能有所下降；再生劑的加入能夠有效地改善廠拌熱再生瀝青混合料的水穩定性能、低溫性能和疲勞性能。

關鍵詞：熱再生；瀝青混合料；RAP；再生劑；性能評價

中圖分類號：S 773；U 414

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0139-06

Abstract：The experimental study on reclaimed asphalt pavement(RAP)from an expressway in Nanjing was carried out.After adding appropriate amount of regeneration agent in recycled asphalt and evaluating the performance of regenerated asphalt，the authors found that the performance of recycled asphalt was improved.According to the method of concrete mix design，the concrete mix ratios for the plant-mixed hot recycling asphalt mixture(with 30% RAP)and common asphalt mixture were designed，and the high temperature performance，water stability，low temperature performance，and fatigue performance were evaluated.The research showed that with 30% RAP，the performance of plant-mixed hot recycling asphalt mixture can meet the requirements of specification.Compared with ordinary asphalt mixture，the plant-mixed hot recycling asphalt mixture had better high temperature performance and water stability，but worse low temperature performance and fatigue performance；certain amount of regeneration agent can effectively improve the water stability，low temperature performance，and fatigue performance of plant-mixed hot recycling asphalt mixture.

Keywords：plant-mixed hot recycling；asphalt mixture；RAP；regeneration agent；performance evaluation

收稿日期：2014-11-18

基金項目：江蘇省優勢學科建設工程資助項目

作者簡介：第一宋小峰，碩士研究生。研究方向：路面結構與材料。

通訊作者：*王大明，碩士，副教授。研究方向：路面結構與材料。E-mail：njwdm 2000@163.com

Research on Road Performance of Plant-mixedHot Recycling Asphalt Mixture

Song Xiaofeng，Wang Daming*

(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

引文格式：宋小峰，王大明.廠拌熱再生瀝青混合料路用性能研究[J].森林工程，2015，31(2)：139-144.

據統計，我國每年由于道路維修及養護會產生約3 000萬t的廢舊瀝青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，簡稱RAP)，并且還以15%的速度在不斷增加[1]。如果不對這些RAP加以利用，不僅會帶來環境問題，而且還會引起資源問題[2]。我國從20世紀50年代開始研究瀝青路面的再生利用，但是直到70年代，才開始不同程度地對廢舊瀝青混合料進行再生試驗路段的鋪筑。20世紀80年代中后期到90年代初，由于受當時環境的限制，廢舊瀝青混合料再生技術的研究被暫時擱置[3]。而目前，上世紀已建成的高速公路陸續進入改擴建、大中修期，瀝青路面混合料再生技術再次得到關注。廠拌熱再生技術是幾種瀝青混合料再生方式中適用范圍最廣的再生技術，但我國廠拌熱再生技術在生產應用過程中，RAP材料變異性及RAP性能的不穩定性常常影響RAP的摻配率，目前我國廠拌熱再生瀝青混合料RAP摻配率一般控制在20%左右[4]。

為提高廠拌熱再生瀝青混合料RAP摻配率，本研究通過控制RAP變異性及恢復RAP性能等手段，設計廠拌熱再生瀝青混合料(RAP摻量30%)和普通瀝青混合料，通過車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗、間接拉伸試驗評價其高溫性能、水穩定性能、低溫性能和疲勞性能。將摻配30%RAP的廠拌熱再生瀝青混合料的性能與普通瀝青混合料進行對比，分析其性能變化規律及再生劑對廠拌瀝青混合料性能的影響。

1RAP性能

研究所用舊料為南京某高速銑刨的舊瀝青混合料，為了解舊瀝青混合料的變異性，初步對其進行了抽提、篩分和級配試驗分析。結果表明，回收舊料嚴重細化，篩孔13.2 mm和9.5 mm的通過率已超出規范級配范圍，再生瀝青混合料的配合比設計不容易達到級配要求。因此，本次研究將RAP材料篩分成9.5～26.5 mm和0～9.5 mm粗、細兩檔料，并對其進行了瀝青含量、級配、密度和回收瀝青等性能檢驗。

1.1　RAP瀝青含量

RAP瀝青含量的測定對后面再生瀝青混合料配合比設計起著至關重要的作用，它將直接關系到再生瀝青混合料的最佳瀝青用量[5]。用離心法測定粗、細兩檔料的瀝青含量，檢測結果見表1。

表1　RAP瀝青含量檢測結果 Tab.1 Test results of asphalt content in RAP

從檢測結果均方差可以看出，所取6組試樣瀝青含量偏差不是很大，測得的瀝青含量平均值可以作為篩分后粗、細料瀝青含量代表值，分別為2.56%和4.58%。

1.2　RAP級配及性能指標

瀝青路面在長期使用過程中，路面承受外部車輛荷載及環境綜合作用，瀝青混合料內部出現一定程度的破損。再加上瀝青混合料在回收過程中，銑刨機械強力挖除、銑刨以及后期的破碎環節都使混合料中集料性能發生不可逆轉的變化[6]。

對RAP進行抽提并檢測抽提后的篩分結果，以確定RAP的級配，檢測結果見表2。

表2　RAP篩分檢測結果 Tab.2 Screening test results of RAP

按照《公路工程集料試驗規程》中關于集料壓碎值、針片狀含量、密度等的檢測方法，對回收抽提后的集料進行性能檢測[7]，檢測結果見表3。

表3　RAP中集料質量指標檢測結果 Tab.3 Test results of aggregate in RAP

以上粗、細料檢測結果，說明RAP在自身使用過程中其物理性質未發生大的變化，回收的舊瀝青混合料仍然具有再生利用價值。在再生瀝青混合料配合比設計時，將粗、細料按不同比例添加，有利于再生瀝青混合料級配優化控制，同時加入一定量的新集料補足舊瀝青混合料的強度，使瀝青混合料內部形成骨架嵌擠結構，以獲得合適的路用性能。

1.3　回收瀝青性能

目前，回收舊瀝青性能評價指標主要有：針入度、軟化點、延度、60℃動力黏度。本次研究用旋轉蒸發法來回收廢舊瀝青混合料中的瀝青，先用離心分離法將舊瀝青從廢舊瀝青混合料中分離出來，然后將抽提液倒入離心甩干機用高速離心機將瀝青抽提液中的礦粉等細微固體分離出來，最后用旋轉蒸發儀蒸發分離瀝青[8]。RAP回收舊瀝青的各項性能指標見表4。

表4　回收瀝青技術指標檢測結果 Tab.4 Test results of reclaimed asphalt

由表4可知，回收瀝青的針入度降低，軟化點上升，延度降低。說明回收瀝青已經部分老化，但《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG F41-2008)規定，熱再生時回收的舊瀝青混合料其舊瀝青的針入度>20(0.1 mm)時才能用于熱再生[9]，本次研究回收瀝青測得的針入度為26.9(0.1 mm)，說明回收舊瀝青混合料仍然具有再生價值。

1.4　再生瀝青性能

采用加入再生劑的方法對回收瀝青進行再生，本次研究采用蘇博特A型再生劑，其在2%、4%、6%、8%和10%不同摻量下對回收瀝青的改善情況見表5。

表5　再生劑對回收瀝青各項性能改善結果 Tab.5 Improvements of regeneration agent on reclaimed asphalt

再生劑富含輕質組分，作為分散相添加到瀝青溶液中，隨著添加量的增加，瀝青膠體結構逐漸由凝膠型向溶—凝膠體結構轉變，軟化點、針入度、粘度等指標逐漸恢復[10-11]。根據以上試驗結果可以看出，隨著再生劑用量的增加，再生瀝青的軟化點下降，針入度和15℃延度增加。當A型再生劑摻量為6%時，其針入度和軟化點性能接近原樣70號基質瀝青的技術指標。因此，本次研究確定再生劑最佳用量為回收舊瀝青含量的6%。

2新料性能

新料為和縣東山采石場的石灰巖(0～4 mm、4～11 mm、11～15 mm、15～19 mm和19～24 mm)、礦粉和新瀝青。

2.1　新礦料性能

按照《公路工程集料試驗規程》的要求對礦料進行相關試驗檢測，檢測結果表明，礦料的各項質量指標滿足要求，能夠用于試驗研究，其中礦料篩分及密度試驗結果見表6和表7。

表6　新礦料篩分試驗結果 Tab.6 Screening test results of new aggregate

表7　新礦料相對密度試驗結果 Tab.7 Relative density of new aggregate

2.2　新瀝青性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求對新瀝青(A級70 號瀝青)進行了三大指標試驗和老化試驗，試驗結果見表8。試驗結果表明，該瀝青滿足道路石油瀝青A級70 號的技術要求。

表8　70號石油瀝青檢測結果 Tab.8 Test results of 70# petroleum asphalt

3廠拌熱再生瀝青混合料配合比設計

3.1　級配選擇

試驗級配采用中面層AC-20C級配，該級配在江蘇省各公路段應用比較廣泛，RAP摻配率為30%，按粗料5%、細料25%的方式添加。

3.2　礦料級配設置

本研究對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料分別進行了配合比設計，以確定合成級配和最佳油石比。為排除礦料級配對瀝青混合料性能造成的影響，在瀝青混合料礦料合成級配設計時，要注意三種設計方案合成級配盡可能的靠近[12]。基于這方面的考慮，瀝青混合料礦料合成級配見表9，如圖1所示。

表9　瀝青混合料礦料合成級配 Tab.9 Synthesis gradations of aggregates in asphalt mixture　%

圖1　瀝青混合料合成級配曲線 Fig.1 Grading curves of asphalt mixtures

3.3　油石比的確定

根據以上確定的礦料合成級配，按照0.5%間隔變化，分別取5個不同的油石比進行馬歇爾試驗，確定混合料的最佳油石比和各項性能指標[13]，添加30%RAP的熱再生和添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料級配相同，因此它們的最佳油石比也相同，馬歇爾試驗結果見表10。

表10　馬歇爾穩定度試驗結果 Tab.10 Test results of Marshall stability

注：要求空隙率3、4和5所對應的VMA最小值分別為12、13和14，當空隙率不是整數時，由內插確定要求的VMA最小值。

根據施工規范的方法計算OAC1和OAC2，并取其中值，得到添加30%RAP的熱再生和添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料最佳油石比為4.4%。依據此方法，得到普通熱拌瀝青混合料最佳油石比為4.3%。

4廠拌熱再生瀝青混合料性能評價

研究上述三種設計的瀝青混合料的高溫穩定性能、水穩定性能、低溫性能以及疲勞性能，并進行對比分析。

4.1　高溫穩定性能

分別對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料進行車轍試驗，測定其動穩定度。試驗結果見表11。

表11　瀝青混合料抗車轍性能試驗結果 Tab.11 Test results of anti-rutting performance for asphalt mixtures

由表11可知，添加30%RAP的再生瀝青混合料的動穩定度滿足規范要求，且其動穩定度是普通瀝青混合料的2.9倍。比較普通熱拌瀝青混合料與添加30%RAP的再生瀝青混合料在45 min和60 min時的變形量可以發現，再生瀝青混合料的高溫變形遠遠小于普通瀝青混合料，這說明添加30%RAP的再生瀝青混合料具有更好的高溫穩定性，其抵抗車轍變形的能力優于普通瀝青混合料。比較添加6%再生劑與未添加再生劑的再生瀝青混合料可見，再生劑雖對再生瀝青混合料的高溫穩定性有一定負面影響，但仍然優于普通瀝青混合料。

4.2　水穩定性能

分別對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，測定其殘留穩定度和凍融劈裂強度比TSR，分析其水穩定性能。試驗結果見表12。

表12　瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果 Tab.12 Test results of immersion Marshall Test and freeze-thaw split test for asphalt mixtures

由表12可知，添加30%RAP的再生瀝青混合料的水穩定性能滿足規范要求，且其浸水馬歇爾穩定度和凍融劈裂強度都略高于普通熱拌瀝青混合料，這說明30%RAP摻量下的再生瀝青混合料的水穩定性并沒有因為加入RAP而下降。相對于普通熱拌瀝青混合料，30%RAP摻量下的再生瀝青混合料的水穩定性有了一定程度的提高，但提高幅度不大。比較添加6%再生劑前后的再生瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比可以發現，添加再生劑后再生瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比都有所提高，這說明合理再生劑的摻配能夠有效地改善再生瀝青混合料的水穩定性。

4.3　低溫性能

分別對普通熱拌、添加30%RAP的熱再生、添加30%RAP+6%再生劑的熱再生瀝青混合料進行彎曲試驗，分析其低溫性能。試驗條件：溫度為-10℃，速率為50mm/min[12]，試驗結果見表13。

表13　瀝青混合料彎曲試驗結果 Tab.13 Bending test results of asphalt mixtures

由表13可知，添加30%RAP的再生瀝青混合料的低溫性能相對于普通熱拌瀝青混合料有所下降，但仍然能夠滿足規范要求。比較添加6%再生劑前后的再生瀝青混合料的低溫性能，發現添加再生劑后再生瀝青混合料的破壞應變增大，說明再生劑的加入能夠有效地提高再生瀝青混合料的低溫性能[13-15]。

4.4　疲勞性能

為了進一步研究添加30%RAP的再生瀝青混合料的長期耐久性能，用重復加載的方法對三種瀝青混合料分別進行疲勞試驗。疲勞試驗采用標準擊實馬歇爾試件進行間接拉伸試驗，試驗溫度為15℃，試驗荷載采用連續無間歇半正矢荷載，荷載頻率為10 Hz，疲勞試驗的應力比分別取0.3、0.4、0.5和0.6[16-17]，疲勞試驗結果見表14。

表14　瀝青混合料疲勞性能試驗結果 Tab.14 Test results of fatigue performance of asphalt mixtures

由表14可知，在相同應力比條件下，添加30%RAP的再生瀝青混合料的疲勞壽命遠遠低于普通熱拌瀝青混合料，且隨著應力比的增大，差距越來越大。比較添加6%再生劑前后的再生瀝青混合料的疲勞壽命，發現再生劑加入使再生瀝青混合料的疲勞壽命得以增加，說明再生劑對于再生瀝青混合料的疲勞性能具有一定的改善作用。

5結論

(1)經過合理的配合比設計及材料控制，再生瀝青混合料能滿足規范中馬歇爾相關技術指標要求，舊料變異性可以得到有效的控制。

(2)在回收瀝青中加入6%的再生劑(舊瀝青含量的6%)后，其性能可基本恢復到原樣瀝青的水平。

(3)添加30%RAP的再生瀝青混合料的高溫性能和水穩定性能均滿足規范要求，這說明RAP的加入可以提高再生瀝青混合料的高溫性能和水穩定性。相對而言，再生瀝青混合料的高溫性能提高的更明顯，水穩定性也有一定程度的提高，但提高幅度不大。

(4)添加30%RAP的再生瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能低于普通熱拌瀝青混合料，RAP的加入對再生瀝青混合料造成了不利影響，但仍能滿足規范要求。

(5)再生劑能夠有效改善再生瀝青混合料的水穩定性能、低溫性能及疲勞性能。

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[責任編輯：肖生苓]