再生工藝對瀝青混合料路用性能的影響

郝純宗

(中交一公局第四工程有限公司,廣西南寧 530033)

再生工藝對瀝青混合料路用性能的影響

郝純宗

(中交一公局第四工程有限公司,廣西南寧 530033)

通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗和小梁彎曲試驗對再生瀝青混合料的路用性能進行研究,分析了在不同再生工藝條件下,浸水殘留穩定度、凍融劈裂強度比、動穩定度和彎曲破壞應變等性能指標.研究表明:適當提高舊料保溫時間、保溫溫度、再生劑溫度以及拌和時間可以顯著改善廢舊瀝青混合料的再生恢復水平.

道路工程;再生工藝;熱再生瀝青混合料;路用性能

0 引 言

瀝青路面在使用過程中,由于受到熱、氧、紫外光照射等自然因素以及行車荷載的綜合作用,容易產生裂縫、松散等病害[1-5].據估算,中國每年大約有12%的瀝青路面需要養護和維修[6-12],期間產生的廢舊瀝青混合料的數量已超過2 000萬t,造成大量經濟損失且嚴重污染環境.

為了解決上述問題,國內外學者對于舊瀝青路面再生技術進行了諸多研究.張志祥等研究了不同舊料摻量對再生瀝青混合料疲勞性能的影響,并建議面層再生瀝青混合料中的舊料摻配率不超過20%[13];陳靜云等研究了高比例RAP(瀝青回收料)摻配率下再生瀝青混合料的低溫抗裂性能,表明舊料摻量高時,需要適當延長攪拌時間保證其路用性能[14];秦永春等研究了再生過程中新舊瀝青的融合狀況,為了保證新舊瀝青能夠良好融合,舊料摻配比例不得超過50%[15];吳寧研究了廠拌熱再生瀝青混合料的再生工藝,確定了施工溫度控制以及最優施工工藝[16].本文將從再生工藝角度出發,重點研究舊料保溫溫度、保溫時間、再生劑溫度以及拌和時間對熱再生混合料路用性能的影響.

1 試驗原料

1．1 RAP

試驗所用RAP來源自青海某地區的實體工程,經過抽提篩分試驗得出其油石比為4．8%,舊瀝青基本性能指標見表1,舊集料級配見表2.本試驗所用新瀝青為克拉瑪依90＃基質瀝青,相關技術指標見表1.

表1 瀝青基本性能指標

表2 舊集料級配

1．2 再生劑

試驗采用市售再生劑,其基本技術指標見表3.

表3 再生劑技術指標

1．3 新料

本文試驗用新集料及礦粉均采自施工現場,級配見表4.

表4 新料級配

2 試驗方案

試驗采用RAP摻配率為80%,根據RAP與新料的級配調整新料各檔用量以合成目標級配,以再生瀝青性能確定再生劑摻量為混合料質量的0.25%,以一種再生工藝確定再生瀝青混合料最佳油石比為4．9%.再生工藝包括RAP保溫溫度、保溫時間、再生劑溫度和拌和時間.其中RAP保溫溫度分為0℃、110℃、125℃、140℃和155℃;保溫時間分為0、1、3、5 h;再生劑溫度為80℃～160℃,每20℃一個間隔;拌和時間為120、150、180、210、240 s.綜合考慮再生瀝青混合料的路用性能,優選最佳的再生工藝.

3 試驗結果與分析

3．1 RAP保溫溫度

RAP保溫溫度對水穩定性能的影響如圖1所示.從圖1可以看出:隨著RAP保溫溫度的升高,再生瀝青混合料的浸水殘留穩定度與凍融劈裂抗拉強度均呈現先增大后減小的趨勢;在140℃時,浸水殘留穩定度與凍融劈裂抗拉強度均達到最大值;隨著溫度的進一步升高,再生瀝青混合料的水穩定性能出現一定程度的劣化,說明當舊料加熱溫度達到140℃時再生瀝青混合料的水穩定性能達到最佳.

RAP保溫溫度對高低溫性能的影響如圖2所示.從圖2可以看出:隨著RAP保溫溫度的升高,再生瀝青混合料的動穩定度顯著降低,彎曲破壞應變明顯增大,2項指標均是在140℃時達到最大值;當溫度進一步提高時,2項指標同時出現一定的回復,表明舊料加熱溫度為140℃時再生瀝青混合料的高低溫性能最佳.

究其原因:隨著RAP保溫溫度的升高,舊瀝青逐漸松軟,流動度增加,裹附在舊集料表面的瀝青更多地暴露,在與再生劑混拌過程中,再生劑分子更易擴散進入舊瀝青,使其再生恢復;但是隨著溫度的進一步提高,舊瀝青出現二次老化,加劇了其輕質組分的損失,甚至被烤焦變質[17-19],再生效果反而不理想,所以確定RAP最佳保溫溫度為140℃.

圖1 RAP保溫溫度對水穩定性能的影響

圖2 RAP保溫溫度對高低溫性能的影響

3．2 RAP保溫時間

RAP保溫時間對水穩定性能的影響如圖3所示.從圖3可以看出:對RAP進行預先保溫處理可以顯著改善再生瀝青混合料的水穩定性能,保溫1 h后,再生瀝青混合料的浸水殘留穩定度提高了7.1%,凍融劈裂抗拉強度比提高了8.8%;隨著保溫時間的增加,再生瀝青混合料的水穩定性能也逐步提高,當保溫時間超過2 h后,增加幅度減緩,與保溫2 h相比,保溫3 h后的浸水殘留穩定度僅提高了2.1%,凍融劈裂抗拉強度比僅提高了2.9%;當保溫時間延長至4 h時,再生瀝青混合料的水穩定性能出現衰減趨勢,浸水殘留穩定度僅比保溫2 h高0.5%,凍融劈裂抗拉強度比降低1.1%.

圖3 RAP保溫時間對水穩定性能的影響

RAP保溫時間對高低溫性能的影響如圖4所示.從圖4可以看出:對RAP進行保溫,顯著改善了再生瀝青混合料的高溫穩定性能與低溫抗裂性能,保溫1 h后,再生瀝青混合料的動穩定度降低了10.5%,低溫彎曲破壞應變增加了27%;隨著保溫時間的進一步延長,改善趨勢逐漸減緩,保溫4 h與保溫3 h相比,再生瀝青混合料的動穩定度僅僅降低1.4%,低溫彎曲破壞應變增加1.5%.

圖4 RAP保溫時間對高低溫性能的影響

綜上所述,對舊料進行保溫處理可以顯著改善再生瀝青混合料的各項路用性能,隨著保溫時間的延長,各項指標逐步提升,但是提升趨勢逐漸變緩,直至4 h時,各項路用性能出現下降的趨勢.舊料保溫時間對再生瀝青混合料路用性能影響規律的內在機理與保溫溫度的影響機理一致.根據研究結果,綜合考慮再生瀝青混合料路用性能與生產成本, RAP保溫時間以3 h為宜.

3．3 再生劑溫度

再生劑溫度對水穩定性能的影響如圖5所示.分析圖5可以看出:隨著再生劑加熱溫度的升高,再生瀝青混合料的浸水殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度均呈現先增大后減小的變化趨勢,當加熱溫度為120℃時,2項技術指標均達到最大值,其中浸水殘留穩定度達到93.1%,凍融劈裂抗拉強度比達到89.1%;當再生劑加熱溫度提高至160℃時,再生瀝青混合料的水穩定性能出現大幅減弱,浸水殘留穩定度降至83.7%,凍融劈裂抗拉強度比只有80.5%,分別為最大值的89.3%和90.3%.

再生劑溫度對高低溫性能的影響如圖6所示.分析圖6可以得出:隨著再生劑加熱溫度的提高,再生瀝青混合料的動穩定度先顯著降低,后逐步增加,而其低溫彎曲破壞應變呈現相反的變化趨勢,其中前者在再生劑溫度為140℃時出現最小值,后者在再生劑溫度為120℃時出現最大值.由于超過最值點后,再生瀝青混合料的動穩定度僅降低1．3%,而彎曲破壞應變降低幅度達到6．8%,綜合考慮再生瀝青混合料的各項路用性能,認為再生劑溫度以120℃為宜.

圖5 再生劑溫度對水穩定性能的影響

圖6 再生劑溫度對高低溫性能的影響

圖7 拌和時間對水穩定性能的影響

分析出現圖5、6變化規律的原因在于:隨著再生劑溫度的提高,再生劑極性小分子活性顯著增強,削弱了集料表層老化瀝青的阻力,極大改善了再生劑分子的滲透擴散作用,老化瀝青得到良好修復,再生瀝青混合料的各項路用性能呈現不同程度的改善;當再生劑溫度進一步提高時,再生劑中的輕質組分揮發,小分子之間出現團聚作用,削弱了再生劑的滲透擴散能力,再生瀝青混合料的各項路用性能反而出現劣化.

3．4 拌和時間

圖7、8分別為攪拌時間對再生瀝青混合料水穩定性能和高低溫性能的影響規律.分析圖7可以看出:隨著拌和時間的延長,再生瀝青混合料的浸水殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度逐漸增大,對比拌和時間90 s與180 s兩種情況可以發現,后者的浸水殘留穩定度提高了11%,凍融劈裂抗拉強度提高了9.6%,說明延長攪拌時間可以顯著改善再生瀝青混合料的水穩定性能;對比拌和時間180 s與210 s兩種情況又可以發現,浸水殘留穩定度僅提高了0.3%,凍融劈裂抗拉強度提高了0.4%,繼續拌和至210 s時,對再生瀝青混合料的水穩定性能影響不大.分析圖8可以看出,拌和時間的延長顯著降低了再生瀝青混合料的動穩定度,變化幅度趨于一致,而其彎曲破壞應變逐步增大,當拌和時間超過210 s后,增加幅度減緩.

圖8 拌和時間對高低溫性能的影響

分析圖7、8曲線的變化規律可知:隨著攪拌時間的延長,再生劑與舊料接觸的時間不斷增加,在其他條件保持不變時,充分的接觸時間增加了再生劑分子的滲透擴散深度,更多的舊瀝青參與到再生恢復過程中,更重要的是集料表面裹附的結構瀝青能夠得到一定的溶解分散.有研究表明,廢舊瀝青混合料再生利用的難題在于其“黑石頭效應”,這層“堅硬”的舊瀝青薄膜嚴重限制了再生劑的滲透擴散;而本文的研究表明,延長拌和時間可以很好地削弱此效應,顯著改善再生瀝青的性能恢復水平,拌和時間較長的再生試件破壞時消耗了更多的能量,從而再生瀝青混合料的路用性能得到很好的改善.但是,當拌和時間超過210 s后,再生劑分子在舊瀝青內部的滲透擴散作用已達極限,由于再生劑與舊瀝青混合料本身材料性質的限制,單純地延長拌和時間已經很難提高廢舊瀝青混合料的再生恢復水平,所以拌和時間以210 s為宜.

4 結 語

(1)對RAP進行適當溫度和時間的保溫處理,可以明顯改善再生瀝青混合料的水穩定性能以及低溫抗裂性能,且動穩定度得到顯著降低.

(2)適當提高再生劑保溫溫度和拌和時間,能夠充分發揮再生劑的滲透擴散作用,提高廢舊瀝青混合料的再生效率.

(3)最終優選出80%舊料摻配率下的再生工藝方案為:舊料140℃下保溫3 h,再生劑120℃下保溫并拌和210 s.

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[責任編輯:高 甜]

Effect of Regeneration Technology on Pavement Performance of Recycled Asphalt Mixture

HAO Chun-zong
(Fourth Engineering Co．,Ltd．of CCCC First Highway Engineering Co．,Ltd．,Nanning 530033,Guangxi,China)

The pavement performance of recycled asphalt mixture was studied by Marshall immersion test,freeze-thaw splitting test,rutting test and beam bending test．The indicators such as residual Marshall stability,intensity ratio of freeze-thaw splitting,dynamic stability and bending strain under different regeneration conditions were analyzed．The results show that the proper recovery of the recycled asphalt mixture can be improved by increasing the holding time, holding temperature,regeneration temperature and mixing time．

road engineering;regeneration technology;hot recycled asphalt mixture;pavement performance

U416．26

B

1000-033X(2017)05-0068-05

2016-12-01

郝純宗(1977-),男,河南鞏義人,工程碩士,高級工程師,研究方向為工程管理.