高摻量RAP廠拌熱再生在干線公路養護中的應用

朱 鈺,張亞財,牛 龍,高 巍,梁文斌

(1.陜西省公路局,陜西西安 710068;2.長安大學新型路面研究所,陜西西安 710064; 3.陜西省榆林公路管理局,陜西榆林 710009)

高摻量RAP廠拌熱再生在干線公路養護中的應用

朱 鈺1,張亞財2,牛 龍3,高 巍2,梁文斌2

(1.陜西省公路局,陜西西安 710068;2.長安大學新型路面研究所,陜西西安 710064; 3.陜西省榆林公路管理局,陜西榆林 710009)

為了充分發揮瀝青路面循環利用的潛力,結合G210陜北榆林干線公路大中修工程,對不同再生劑摻量下再生瀝青的技術性質變化進行了分析;同時,以RAP摻量為50%的ATB-25為例進行再生混合料設計,對比再生混合料與普通新拌混合料的路用性能,并提出現場設備改造與施工工藝的關鍵控制點.結果表明:再生瀝青在再生劑摻量為4%時便可恢復到70＃瀝青的技術性質;高摻量RAP的再生混合料與普通混合料路用性能相差不大,部分性能甚至優于普通混合料.

廠拌熱再生;公路養護;配合比設計;設備改造

0 引 言

近年來,國內許多在役公路已逐漸進入大、中修期,急需進行養護[1],而采用傳統的銑刨、重鋪工藝,不僅費用高昂,還產生大量瀝青路面回收銑刨料(RAP),形成極大浪費.廠拌熱再生作為一種備受青睞的技術,不僅能充分利用RAP,緩解資源壓力,而且適用性廣、經濟性強,具有顯著的經濟效益和環保效應,已成為公路養護發展的新方向[2-3].

日本及歐美等發達國家19世紀初就開始研究廠拌熱再生,目前RAP摻配比例可達50%～60%,已形成比較規范化的再生利用體系;中國自2003年在廣佛高速公路維修中應用廠拌熱再生開始,其應用逐漸擴大,但由于RAP變異性較大、再生設備性能不良等原因,RAP的利用率仍較低,多為15%～30%.為此,本文以G210陜北榆林干線公路大中修工程為依托,突破常規的RAP摻配比例限制,對下面層使用RAP摻量為50%的廠拌熱再生進行研究,為該技術推廣提供參考.

1 原材料技術性質

1．1 RAP

舊瀝青路面材料取自G210國道陜北榆林K388＋000～K406＋900段AC-16上面層.為保證舊瀝青的含量與性質、舊集料的級配與性質變異性最小,采用四分法對RAP進行縮分取樣,并開展相關試驗檢測.其中,RAP中舊瀝青的技術性質與含量如表1所示,RAP中舊集料的技術性質如表2所示,RAP中舊集料的級配如表3和圖1所示.

表1 舊瀝青含量與技術性質

由表1可知,舊瀝青的針入度和延度低,軟化點高,說明舊瀝青已經發生一定程度的老化,流變性能低,脆性較大.但舊瀝青25℃針入度為34(0.1 mm),說明老化程度輕,而且滿足大于20(0.1 mm)的規范要求;同時,RAP中舊瀝青含量高達3.94%,具備較高的再生利用價值.

表2 RAP中舊集料的技術性質

表3 舊集料級配

圖1 舊集料級配曲線

由表2可知,回收的舊集料主要性質指標均滿足現行技術規范的要求.其中,砂當量為77．3% (規范要求不小于60%),表明RAP具有較高的潔凈度;針片狀顆粒含量小,說明在路用性能衰減過程中舊集料還具有一定的抗壓碎能力.

由表3和圖1可知,與原路面結構AC-16相比,RAP中的舊集料在使用過程中已經出現細化現象,主要表現在舊集料中徑粒大于9．5 mm的顆粒量減少,粒徑為2.36 mm和1．18 mm的顆粒量增加,粒徑小于0．6 mm的顆粒量變化不大,部分粗集料細化為細集料,說明RAP級配組成已經發生改變.已有研究表明,舊集料的細化程度可用細化度ds表征,ds越大,需要摻加的新集料量越大.根據計算得到本文中的舊集料ds＝20.2%,屬于中度細化.因此,再生混合料設計時需摻加一定量的粗骨料進行小幅度級配調整.

1．2 新瀝青與新集料

為了改善RAP中舊集料出現的細化現象,需要添加一定量的新集料、新瀝青.本文所用新瀝青為克拉瑪依90＃基質瀝青;所用新集料為山西中陽石灰巖,其規格、級配、巖性穩定;所用礦粉由10～20 mm石灰巖碎石磨細加工而成.新瀝青、新集料與礦粉的各項性質均滿足現行規范的要求.其中,新瀝青主要技術性質如表4所示.

表4 新瀝青主要技術性質

1．3 外加劑

為了恢復舊瀝青的基本性質,采用RA-25型再生劑對舊瀝青進行再生.RA-25型再生劑的主要技術特性如表5所示.同時,為提高再生混合料力學與路用性能,本文在再生混合料中摻加補強劑,其摻量設定為再生混合料質量的0．35%.

表5 RA-25型再生劑的主要技術特性

2 再生瀝青設計

采用RA-25型再生劑在2%～8%(相對舊瀝青質量)摻量下對舊瀝青進行再生試驗,并將試驗結果進行回歸分析,得到不同再生劑摻量下再生瀝青的技術性質,如表6所示.

表6 舊瀝青性質變化

由表6可知,再生瀝青的針入度、軟化點與再生劑摻量成線性關系,相關系數分別為0．955、0.964;延度與再生劑摻量成指數關系,變化規律性較差.隨著再生劑摻量的增加,舊瀝青的針入度、軟化點、延度得到明顯改善,再生劑摻量在4%～6%時,再生瀝青技術指標均能滿足70＃瀝青的要求(針入度為60～80(0．01 mm),軟化點為44℃～54℃,延度不小于100 cm).根據經驗,再生劑過量使用在實際生產中會引起大面積“泛油”現象,影響路面的使用性能,同時增加經濟費用.因此,再生劑的摻量不宜過大,確定為舊瀝青質量的4%.

3 再生混合料配合比設計

目前國內外對再生瀝青混合料的設計方法還未統一,不同地區根據當地規范一般采用馬歇爾設計方法或Superpave設計方法[4-6].本文基于RAP中瀝青老化、集料細化等變異性,結合工程的實際情況、再生混合料的使用結構層位、拌和設備的類型,確定再生混合料RAP摻量為50%.基于馬歇爾設計方法,以ATB-25級配為例進行再生混合料設計.

3．1 礦料級配設計

根據舊集料級配與混合料設計級配,摻加舊料和新集料進行再生混合料級配設計.經計算,A料(19～31．5 mm)、B料(9．5～19 mm)、礦粉和RAP的比例為32∶16∶2∶50.再生混合料級配組成如表7所示.

3．2 最佳瀝青用量確定

最佳瀝青用量為舊瀝青含量、新瀝青用量與再生劑摻量之和.根據設計級配,結合道路交通狀況和以往工程經驗,選擇2．8%、3．2%、3．6%、4．0%、4．4%共5個油石比進行馬歇爾試驗,試驗結果如表8所示.

根據表8的試驗結果確定最佳油石比為3.6%,其中再生混合料中新瀝青油石比為1．56%.

3．3 路用性能驗證

為評價再生混合料的路用性能,本文在相同的油石比和目標級配(ATB-25)下對再生混合料與普通新拌混合料進行路用性能對比.其中,再生混合料中RAP摻量為50%,再生劑摻量為4%,補強劑摻量為0．35%;普通新拌混合料中未摻加任何RAP和外加劑.按照上述條件和規范要求成型試件,并進行相關路用性能試驗,結果如表9所示.

由表9可知,再生混合料與新拌混合料的路用性能差別不大,均滿足現行規范要求.其中,再生混合料動穩定度約為新拌混合料的1.7倍,表明再生混合料具有較好的高溫穩定性.雖然水穩定性的2個表征指標殘留穩定度 MS0和凍融劈裂強度比TSR結果不一致,但已有研究表明TSR更能表征再生混合料的水穩定性[7-10];因此與新拌混合料相比,再生混合料水穩定性略微降低,但仍能滿足規范要求.對于低溫性能,與新拌混合料相比,再生混合料破壞應變減小,勁度模量增大,這可能與再生混合料中存在部分舊瀝青未被再生劑再生有關.

表7 再生混合料級配組成

表8 不同油石比下ATB-25再生混合料馬歇爾試驗結果

表9 不同類型混合料路用性能試驗結果

4 現場設備改造與施工

4．1 再生設備改造

與普通混合料拌和設備相比,再生拌和設備需要在原有拌和設備的基礎上增加一套專門為RAP設計的加熱、計量、存儲、廢氣處理裝置.再生設備的匹配性應根據已有拌和設備的產能來選擇,使RAP的添加連續、精準,混合料產能穩定、持續.混合料的原有拌和設備與再生設備性能匹配要求如表10所示.

表10 再生混合料原有拌和設備與再生設備性能匹配要求

本文在對再生拌和設備充分調研和適用性反復論證的基礎上,對原有拌和設備西筑3000型間歇式拌和樓進行改造,增加1套匹配的由無錫錫通工程機械有限公司生產的ZSLQ-80型熱再生瀝青設備,生產能力為80 t·h－1.該設備具有對RAP單獨加熱、自動計量的功能,并且生產過程采用計算機自動控制,與西筑3000型原生機系統兼容;同時,該設備設置第二烘干筒,采用耙式葉片替代勺形葉片,不僅可以將RAP多次提升和自由灑落,實現均勻分散,還可以使大部分融化的瀝青與細料過濾,使其沿著筒體周圍流動,不直接與高溫煙氣接觸,從而避免瀝青再次老化以及葉片粘料;攪拌軸與葉片在拌和過程中具有自清潔功能,解決了普通攪拌機瀝青膠漿抱軸的問題.改造后的再生拌和設備如圖2所示.

4．2 再生混合料施工

(1)拌和.拌和前,新集料加熱溫度控制在180℃～190℃,新瀝青加熱溫度控制在145℃～160℃,RAP預熱溫度為110℃～130℃.拌和時, RAP經再生機烘干、計量后通過輸送皮帶進入原生機攪拌缸,與新集料、補強劑進行混合攪拌,同時均勻噴灑再生劑;然后添加新瀝青進行拌和,最后添加礦粉拌和至均勻.整個過程中,再生瀝青混合料拌和時間較常規瀝青混合料適當延長5～10 s,以保證混合料拌和均勻,無花白料以及細集料結團現象;同時,再生混合料出料溫度比普通瀝青混合料出料溫度高5℃～15℃.

(2)攤鋪與碾壓.再生瀝青混合料攤鋪與碾壓工藝與普通熱拌瀝青混合料施工基本一致.采用福格勒1800直板式攤鋪機,以2～3 m·min－1的速度勻速行走,采用2臺13 t鋼輪壓路機與2臺30 t膠輪壓路機組合碾壓,如圖3所示.施工前對攤鋪機進行性能優化調整,以解決攤鋪過程中混合料不均勻、離析等問題;施工時加強碾壓,對再生混合料現場空隙率和攤鋪均勻性實施監測,確保路面密實、平整[11-14].

圖2 改造后的再生拌和設備

圖3 再生路段攤鋪與碾壓

5 結 語

(1)隨著再生劑摻量的增加,再生瀝青的針入度呈線性增加,軟化點呈線性減小,延度呈指數增加,并且相關性較好.在4%再生劑摻量下,舊瀝青性質已經得到明顯改善,并且滿足相關規范的要求.

(2)采用馬歇爾設計法,摻加50%RAP、4%再生劑、0．35%補強劑的再生混合料與普通新拌混合料相比,高溫性能大幅提高,其他性能相差不大,均滿足規范要求.

(3)進行再生設備改造時,應注意再生拌和設備與原有拌和設備的匹配性,可采用振動的耙式葉片和攪拌軸來解決設備的粘連問題.通過降低RAP變異性,嚴格控制施工質量,再生混合料的性能可以達到現行規范要求.

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[責任編輯:杜敏浩]

Application of In-plant Hot Recycling with High RAP Content in Maintenance of Trunk Road

ZHU Yu1,ZHANG Ya-cai2,NIU Long3,GAO Wei2,LIANG Wen-bin2
(1．Shaanxi Provincial Highway Bureau,Xi'an 710068,Shaanxi,China;2．Pavement Research Center, Chang'an University,Xi'an 710064,Shaanxi,China;3．Shaanxi Yulin Highway Administration, Yulin 710009,Shaanxi,China)

In order to give full play to the potential of asphalt pavement recycling,combined with the rehabilitation project of the Yulin section in northern Shaanxi Province of G210 trunk road, the changes of technical properties of recycled asphalt with different regenerant contents were analyzed;meanwhile,ATB-25 with 50%of RAP content was used to design the recycled mixture,and comparison on the pavement performance of the recycled mixture and the common fresh mixture as well as the key control points of the on-site equipment transformation and construction process was conducted．The results show that the regenerated asphalt can be restored to the technical properties of 70＃asphalt when the amount of regenerant is 4%;the pavement performance of recycled mixture with high RAP content has not much difference comparing to that of the ordinary asphalt mixture,or even better in some cases．

in-plant hot recycling;highway maintenance;mix design;equipment transformation

U418．6

B

1000-033X(2017)05-0073-05

2016-11-16

朱 鈺(1981-),男,陜西子洲人,高級工程師,碩士,研究方向為公路養護工程.