瀝青路面舊料精分離技術(shù)與大比例再生技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用

高立波，王 森，霍繼輝，易軍艷，周健楠,李 爽

(1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015； 2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽市 110015；3.遼寧交投公路科技養(yǎng)護(hù)有限責(zé)任公司 沈陽市 110148； 4.遼寧省高速公路運(yùn)營管理有限責(zé)任公司 沈陽市 110003；5.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱市 150001； 6.遼寧省公路勘測設(shè)計(jì)公司 沈陽市 110006)

0 引言

固體廢棄物的減量化和資源化一直是困擾世界各國政府和研究人員的難題，也是我國提出構(gòu)建綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展社會的重要組成部分。據(jù)推算，我國僅干線公路大中修工程，每年產(chǎn)生瀝青路面舊料達(dá)1.6億噸。就遼寧省而言，每年產(chǎn)生約50萬噸瀝青路面廢料。瀝青路面固廢再生利用將是未來發(fā)展趨勢，也是當(dāng)下最熱門的研究課題之一。

由于RAP料性能存在變異性、舊瀝青無法與新瀝青、再生劑充分融合、再生瀝青混合料出料溫度低等原因，現(xiàn)在廠拌熱再生技術(shù)RAP料摻配比例一般均低于30%，形成的再生瀝青混合料存在低溫性能、水穩(wěn)定性能、抗疲勞性能不足的問題[1]，并且很少大規(guī)模應(yīng)用于高等級及高速公路瀝青面層中[2]。眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[3-4]，但目前國內(nèi)外主要針對低摻量(<50%)的再生瀝青混合料路用性能進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，對高摻量的RAP路用性能研究較少。提出的基于精細(xì)分離超大比例再生技術(shù)，首先從RAP舊料的精細(xì)分離技術(shù)及配套設(shè)備研制出發(fā)，實(shí)現(xiàn)RAP舊料中油石分離，最大限度解決RAP料假粒徑、變異性大問題，從RAP料源頭解決現(xiàn)階段大比例再生瀝青混合料因?yàn)镽AP變異性大引起的施工穩(wěn)定性差問題；其次，研發(fā)具有高效活化與擴(kuò)散融合特性和增粘改性作用的溫拌再生劑和直投式增粘再生改性劑，實(shí)現(xiàn)高摻量廠拌熱再生瀝青混合料性能恢復(fù)；最后通過施工全過程質(zhì)量管控成套技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱再生RAP舊料摻加比例70%，冷再生微表處舊料摻加比例100%。再生瀝青混合料高、低溫性能達(dá)到新瀝青混合料水平，可以應(yīng)用于高速公路、高等級公路瀝青路面面層新建和養(yǎng)護(hù)工程中，實(shí)現(xiàn)原位、大比例、高性能再生循環(huán)利用，不僅可以節(jié)省工程造價(jià)，還可節(jié)約自然資源和大量能源，減少環(huán)境污染，符合交通可持續(xù)發(fā)展的基本國策。

1 基于RAP精分離技術(shù)瀝青路面舊料材料化研究

1.1 RAP精分離技術(shù)

RAP精細(xì)分離技術(shù)就是采用專門“瀝青路面銑刨料精細(xì)分離再利用系統(tǒng)及工藝”，將瀝青路面銑刨舊料通過多次瀝青與石料剝離、精細(xì)篩分分離將瀝青路面銑刨料分成3～7擋規(guī)格的級配材料，可以基本消除舊料的假粒徑問題，實(shí)現(xiàn)RAP細(xì)集料0～3mm、3～5mm精細(xì)分離，瀝青路面RAP材料化、骨料化。

1.2 RAP材料化研究

對精分離處理后的RAP集料進(jìn)行試驗(yàn)研究，本研究除了對其進(jìn)行壓碎值、級配組成等規(guī)范規(guī)定常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)外，采用抽提前后關(guān)鍵篩孔篩余率偏差來評價(jià)RAP假粒徑顆粒含量情況，結(jié)果見圖1。并提出精細(xì)化預(yù)處理后的RAP技術(shù)要求(建議值)，見表1。為今后該技術(shù)推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

圖1 RAP抽提前后篩分結(jié)果對比

表1 精細(xì)化預(yù)處理后的RAP技術(shù)要求(建議值)

1.3 技術(shù)優(yōu)勢

瀝青路面舊料精分離技術(shù)，將舊料中瀝青與石料進(jìn)行了物理分離，技術(shù)優(yōu)勢總結(jié)如下：

(1)有效解決了廠拌熱再生技術(shù)舊料摻量過高時(shí)再生瀝青混合料質(zhì)量波動問題，經(jīng)工程驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)RAP摻量比例70%高性能再生。

(2)舊瀝青與石料的分離，促進(jìn)了新舊瀝青的有效融合和舊瀝青性能的再生恢復(fù)，消除再生瀝青混合料的“黑石”現(xiàn)象，有助于提高再生瀝青混合料的路用性能。

(3)精分離RAP再生集料可應(yīng)用于AC、SMA、高模量、超薄磨耗層等高性能瀝青混合料及表面層中，實(shí)現(xiàn)原位、大比例、高性能、高值化再生利用。

(4)精分離粗集料可作為粗集料直接添加到瀝青拌合站冷料供給系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)骨料化。

(5)精分離RAP再生集料可以應(yīng)用于全比例微表處、碎石封層、RAP裂縫處置、乳化瀝青廠拌冷再生等多種技術(shù)中。

1.4 工程應(yīng)用

2020年在遼寧省桓永高速公路路面維修項(xiàng)目中，采用RAP精分離技術(shù)共加工瀝青路面舊料3萬噸，應(yīng)用效果良好。

2 基于新舊瀝青融合再生技術(shù)高效再生劑研發(fā)

2.1 新舊瀝青融合再生技術(shù)

對于再生瀝青混凝土，根據(jù)瀝青混凝土的Black-Rock模型，回收料中集料表面均勻地覆蓋一層舊瀝青。當(dāng)新料添加進(jìn)去以后，新膠結(jié)材料包裹住了舊瀝青和骨料，如圖2。混合料的不均勻性主要有兩個(gè)層次，分別為I型和II型不均勻性。I型來源于混合料的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；II型則為集料表面老化與再生劑的分層現(xiàn)象。

圖2 再生混合料黑石模型

在大摻量再生混合料中，由于新加材料量比較少，因此集料與集料之間主要形成舊集料/舊瀝青/新膠結(jié)料/舊瀝青/舊集料的五層夾層結(jié)構(gòu)。在混合料拌合、施工、服役過程中，各層瀝青和再生劑之間一直發(fā)生著融合擴(kuò)散現(xiàn)象，直至充分融合。如圖3所示。

圖3 新舊瀝青間的融合擴(kuò)散現(xiàn)象

綜上所述，再生劑不僅需要具備恢復(fù)老化瀝青性能的能力，更重要的是要有快速擴(kuò)散融合的能力。因此需要進(jìn)一步對不同材料的擴(kuò)散特性進(jìn)行分析，明確擴(kuò)散較快成分的分子特征，進(jìn)一步縮小再生劑原材料的篩選范圍。

2.2 系列再生劑研發(fā)

基于以上研究及對舊瀝青老化程度分析，研發(fā)了液體溫拌高性能再生劑LJK-Z2和固體直投式增粘再生改性劑LJK-Z3。

LJK-Z3與LJK-Z2再生劑聯(lián)合使用，在與集料、RAP和基質(zhì)瀝青的拌和過程中，與廢舊瀝青和基質(zhì)瀝青融合對其進(jìn)行性能恢復(fù)、增粘、改性，改善瀝青四組分的配伍性，增加瀝青與骨料間的凝聚力，提高混合料的抗裂、抗拉性能和水穩(wěn)定性，提高混合料抗剝落和抗飛散能力。再生后的瀝青混合料具有優(yōu)良的綜合路用性能，可以實(shí)現(xiàn)舊料摻加比例70%，再生混合料高低溫性能優(yōu)于高模量瀝青混合料。其技術(shù)指標(biāo)要求及試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

表2 高性能再生劑檢測結(jié)果

表3 直投式增粘再生改性劑檢測結(jié)果

2.3 工程應(yīng)用

2020年在遼寧省桓永、西開高速公路路面維修項(xiàng)目中，應(yīng)用液體高性能再生劑100t、直投式增粘再生改性劑1t，應(yīng)用效果良好。

3 超大比例廠拌熱再生技術(shù)

3.1 配合比設(shè)計(jì)

舊料摻配比例為50%、70%，再生瀝青混合料類型為改性瀝青AC-16、基質(zhì)瀝青AC-20，再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及指標(biāo)結(jié)果見表4、表5。結(jié)果表明再生瀝青混合料指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 大比例廠拌熱再生瀝青混合料級配

表5 大比例廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

3.2 再生瀝青混合料路用性能

對再生瀝青混合料進(jìn)行高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損壞性能檢測，試驗(yàn)結(jié)果表明大比例再生瀝青混合料高低溫及抗水損壞性能均滿足或超過規(guī)范對全新瀝青混合料的要求，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 大比例廠拌熱再生瀝青混合料性能驗(yàn)證

3.3 工程應(yīng)用

2020年在遼寧省桓永高速公路維修項(xiàng)目中，基于RAP精分離技術(shù)共鋪筑了30%RAP中下面層(58.2+30.8)km/車道；50%RAP AC-20下面層單車道6km；50%RAP AC-16中面層單車道3km；70%RAP AC-20下面層單車道2km，應(yīng)用效果良好。

4 基于差異磨耗原理的再生SMA瀝青路面

基于差異磨耗原理的SMA再生路面，即在保證SMA瀝青混合料路用性能(抗滑性、耐久性)要求下，在玄武巖或輝綠巖粗集料中摻入一定比例的石灰?guī)r，可以保證路面抗滑性能不降低，從而實(shí)現(xiàn)了石灰?guī)rRAP再生料在高速公路瀝青表面層中的再生利用。

4.1 配合比設(shè)計(jì)

研究表明[5]，當(dāng)石灰?guī)r與玄武巖摻配比例為30/70時(shí)，可以保證混合料具有足夠高的抗滑指標(biāo)，采用摻入22%的精分離5～10mmRAP石灰?guī)r，5%的精分離0～3mmRAP石灰?guī)r，再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及指標(biāo)結(jié)果見表7。結(jié)果表明再生SMA瀝青混合料滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 再生SMA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

4.2 再生SMA瀝青混合料路用性能驗(yàn)證

對再生瀝青混合料進(jìn)行高溫抗車轍、析漏、飛散及水損壞性能驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明再生SMA瀝青混合料性能滿足規(guī)范對全新SMA瀝青混合料的要求，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 再生SMA瀝青混合料路用性能驗(yàn)證結(jié)果

4.3 工程應(yīng)用

2020年在桓永高速單向全幅鋪筑了RAP摻量27%的SMA-13試驗(yàn)段1km，應(yīng)用效果良好。

5 全比例冷再生微表處技術(shù)

全比例冷再生微表處技術(shù)是基于瀝青路面舊料精細(xì)分離技術(shù)而開展的一項(xiàng)新的全比例冷再生技術(shù)，采用專用機(jī)械設(shè)備將聚合物改性乳化瀝青、精分離RAP粗、細(xì)集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計(jì)配合比拌和成稀漿混合料攤鋪到原路面上，達(dá)到快速開放交通要求的一種薄層結(jié)構(gòu)，與常規(guī)全新料微表處技術(shù)相比，具有降噪、與乳化瀝青配伍性好、便于施工、節(jié)省工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

5.1 配合比設(shè)計(jì)

舊料摻配比例為100%，混合料級配范圍參照遼寧省微表處地方標(biāo)準(zhǔn)，全比例冷再生微表處各礦料摻配比例、合成級配、優(yōu)化配合比結(jié)果見表9、表10。

表9 全比例冷再生微表處各礦料摻配比例及合成級配

5.2 再生微表處混合料路用性能驗(yàn)證

對100%RAP再生微表處混合料進(jìn)行可拌和時(shí)間、粘聚力、負(fù)荷輪碾壓、濕輪磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表11。試驗(yàn)結(jié)果表明100%RAP再生微表處混合料性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

表11 再生微表處瀝青混合料配合比驗(yàn)證

5.3 工程應(yīng)用

2020年在桓永高速永陵方向K43+951和K45+514兩座中橋上進(jìn)行100%精分離微表處試驗(yàn)路施工，共計(jì)1104m2，應(yīng)用效果良好，通車20d后檢測噪音比全新料微表處降低3～4dB(車內(nèi))，降噪效果明顯。

6 結(jié)語

通過對RAP精分離技術(shù)及大比例再生技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)踐，驗(yàn)證了基于瀝青路面舊料(RAP)精細(xì)分離、新舊瀝青融合、全過程質(zhì)量控制三項(xiàng)核心技術(shù)的研究，可以實(shí)現(xiàn)舊料(RAP)摻加比例70%、舊料(RAP)摻加比例27%的SMA表面層廠拌熱再生、舊料(RAP)摻加比例100%的全比例冷再生微表處技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用，再生瀝青混合料高低溫性能均達(dá)到或超過規(guī)范對全新瀝青混合料的指標(biāo)要求，應(yīng)用效果良好，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約工程造價(jià)20%以上，社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。