回收舊集料評價及再生合成級配設計與檢驗

文鳳友

（湖南國信建設集團股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

瀝青混合料材料在道路工程中大規模的建設帶來了日益增長的養護任務［1，2］，道路工程中舊集料回收利用是循環發展、節能減排的有效手段［3］。原有道路中集料在服役期間由于車輛荷載等其他荷載的反復作用，導致集料顆粒出現不同程度的破碎，原混合料級配配比與初始設計配比出現較大變異，原設計級配配比已不能作為指導再生合成級配設計依據，需依據回收集料級配篩分結果進行重新配比設計。

1 舊集料評價及變異分析

1.1 舊集料評價

依托某就地熱再生施工項目，按照規范結對項目RAP料進行抽提篩分試驗，其集料篩分試驗結果如表1所示。由表1和圖1分析可知，舊集料級配曲線出現明顯細化的現象，其中9.5、13.2mm篩孔的粗集料超出級配上限值，且0.075、0.15mm篩孔的細集料較大偏出配中值。這說明該級配在服役期間由于車輛荷載的長期作用導致其級配有一定程度的細化，還有部分集料細化可能與就地熱再生銑刨有關。

表1 RAP料篩分試驗

圖1 RAP料級配篩分結果

1.2 舊集料級配變異評價

舊集料變異主要來源于舊路面破損程度的差異與銑刨工藝造成取值樣本間級配的變異［4］，而分析樣本級配均勻程度常用方法為方差或標準差，若兩者隨機變量的方差相等時該方法則無法反映出兩個隨機變量各自的分散程度，而變異系數Cvi能反映某一變量自身的不穩定性［5］。故采用變異系數Cvi評估舊料級配的變異性。由于級配通過率是由各篩分計篩余量計算得到的，所以級配變異系數Cvi應采用分計篩余為基礎進行計算，其計算公式：

式中，Pri為第i篩孔的分計篩余量，%；Pi+1為第i+1、i個篩孔的通過率，%；Cvi為第i篩孔的變異系數，%；Pv為第i篩孔分計篩余平均值，%。

由圖2分析可知，13.2、16mm篩孔的粗集料其變異系數明顯大于其他篩孔，說明16mm和13.2mm篩孔的變異性較大。0.075、2.36mm篩孔細集料比其他篩孔的細集料變異系數也較大，說明這兩檔細集料變異性較大。由圖3分析可知，2.36mm篩孔的方差較大，說明該篩孔數據波動較大。

圖2 變異系數Cvi變化示意圖

圖3 方差S2變化示意圖

由圖4分析可知，16、2.36mm篩孔的變異性對舊集料整體的變異影響比較顯著，其權重因子分別為14.62、24.32。同時，0.15mm＜0.075mm（篩底）篩孔細集料的變異性對整體變異性影響較小，其余篩孔的影響程度介于這兩者之間。綜合考慮級配離散性和權重明確了舊集料中變異性貢獻主要篩孔為16、13.2、2.36mm和0.075mm。

圖4 各個篩孔權重因子

2 地熱再生瀝青混合料級配設計

2.1 表征細度模數合成級配設計

根據RAP料的級配類型是AC-16，選擇新集料包括正大（13～16mm）碎石、正大（9～13mm）碎石、正大（6～9mm）碎石、正大（3～6mm）碎石、正大（0～3mm）碎石、2#機制砂、0.3#機制砂，填料為礦粉。

舊集料再生主要是舊集料級配的調整優化，通過加入一定比例新集料來改善其性能。以某就地熱再生維修改造項目為依托，級配設計均采用該路面的RAP料。RAP摻量以60%、70%、80%比例進行再生料級配設計，為了合理控制舊料的變異性，選擇超出級配上限最大的A2集料作為RAP料的代表級配，由于原舊料2.36mm篩孔通過率小于38%且9.5mm和13.2mm超出級配上限，目標級配以規范中值為參考結合舊集料特點設定為9.5mm以上篩孔略高于規范中值、4.75mm篩孔略低于規范中值的AC-16C型。

通過細度模數表征級配特點進行合成級配設計，該方法涵蓋了0.15mm以上篩孔所有的孔徑的通過率，對于級配特點有較為全面的反映。所以采用細度模數表征再生合成級配有一定的代表性。其計算公式如下：

式中，Mx為細度模數；AX為各個篩孔累計篩余百分數，%。

在進行級配設計時為使不同RAP摻配比例的細度模數基本相同，對于不同RAP摻量采用不同的級配進行合成級配設計。通過對新集料級配不斷的調試，各檔集料篩分通過率及摻配比例分別見表2和表3，其合成級配如表4所示。

表2 各檔集料篩分結果

表3 RAP料和各檔料調用比例

表4 各級配細度模數合成級配設計

由表3、圖5分析可知，通過計算各級配的細度模數值基本相等，但80%RAP摻量的級配曲線仍稍偏離前兩者。原因在于舊料摻配比例越大對其合成級配影響越發顯著。新料級配A、B、C均不在AC-16級配范圍內，RAP摻量越大其新料級配偏離級配下限值越大，雖其合成級配曲線基本重合。但其新料級配偏離AC-16級配范圍的程度隨著RAP摻量的增大而變大。故單從合成級配因素分析，RAP料摻配比例越大新料級配對舊料改善效應越差，偏離目標級配越大，導致可控變量因素增多。

圖5 細度模數合成級配設計

2.2 貝雷法檢驗

2.2.1 CA、FAc、FAf參數檢驗

對于非貝雷法設計的設計級配采用貝雷法［7］檢驗，一方面可以檢驗表征細度模數設計級配的合理性；另一方面能較好的反映出設計級配是否具有較好的粗細集料均勻性，其主體思想是采用CA、FAc、FAf這三個參數對合成級配進行分析。

（1）CA比。

式中，PD/2為D/2（D為公稱最大粒徑）的通過率，%；PPCS為第一控制篩孔的通過率，%。

（2）FAC比。

式中，PSCS為第二控制篩孔的通過率，%。

（3）FAf比。

式中，PTCS為第三控制篩孔的通過率，%。

上述關系中，比例因子采用0.22，PCS=0.22NMPS（NMPS為最大粒徑）、SCS=PCS×0.22、TCS=SCS×0.22。參數統計結果見表5。

表5 參數統計

一般認為當CA比增大，D/2～PCS間的粗集料增多降低了集料壓密性，而FAc比增大會導致空隙率和礦料間隙率變小，FAf則表示最細集料的嵌擠情況。由圖6分析可知，摻量60%、70%和80%的合成級配其CA比均大于1，反映該級配粗集料較小粒徑顆粒會懸浮在骨架結構中。而FAc和FAf均接近0.5，反映合成級配細集料均衡性較好。

圖6 合成級配摻量與檢驗參數關系

2.2.2 P理論篩孔修正

由以上3個參數可知，控制篩孔的尺寸并非是按0.22系數理論計算得到篩孔尺寸取值，而是按其接近篩孔尺寸的通過率來計算得到的，影響CA值的兩個控制篩孔的理論值與實際值有較大差別［8］。因此，采用P理論篩孔（理論篩孔通過率）進行修正。理論篩孔的通過率值利用實際篩孔通過率的加權平均方法來計算得到。例P5.2=P4.75+（5.2-4.75）/（9.5-4.75）·（P9.5-P4.75），其計算結果見表6。

表6 理論篩孔參數計算結果%

由圖7分析可知，修正后的CA值有較大的變化且比修正前明顯變小，而FAc和FAf的修正前后變化較小。說明采用理論值臨近的實際篩孔通過率來計算，對CA值影響較大。分析其原因在于13.2、9.5mm和4.75mm這3個實際篩孔之間孔徑差值分別為3.7mm和4.75mm，可見第一控制篩孔的通過率其理論值與實際值會有較大的誤差，使CA值出現明顯變化。而修正后的參數除60%摻量FAf略大于0.55外，其余數值基本滿足我國AC級配（CA比0.45～0.85、FAc比0.40～0.55、FAf比0.40～0.55）合理范圍內，說明該合成級配粗細集料顆粒間較好的均勻性。

圖7 合成級配摻量與修正檢驗參數關系

2.2.3 K值參數檢驗

上述貝雷法中CA反映的PCS以上篩孔粗集料的比例關系，而FAc、FAf反映的是PCS以下篩孔細集料之間的比例關系，若只采用三參數進行檢驗是無法反映出整個級配粗細集料比例的情況。以下例A、B級配為例進行說明見表7。

表7 A和B級配貝雷法檢驗示例%

表7中A和B級配CA比均為0.6、FAc比均為0.45、FAf均為0.45，其CA比、FAc比和FAf比均滿足當前認為優良級配的合理范圍內。但以PCS劃分粗細集料，A級配粗細集料比值為2：8；B級配粗細集料比值為8：2，顯然A、B級配均屬于不良級配，其級配整體粗細集料比例嚴重失調。

貝雷法是利用設計密度（設計密度=粗集料松裝密度×K，K的合理取值范圍為95%～105%）［9］來控制粗細集料比例進行級配設計的，因此，在貝雷法檢驗三參數基礎上增加一個檢驗參數，提出對已定級配反算松裝密度的百分數K值，來分析整個級配粗細集料均勻性和級配骨架結構嵌擠情況。其公式：

式中，K為松裝密度的百分數修正值；Pi為i檔粗集料用量；Qi為i檔細集料用量；ρ粗松i為i檔粗集料松裝密度，g/cm3；ρ粗毛i為i檔粗集料毛體積密度，g/cm3；ρ細搗i為i檔細集料（0.075mm篩孔以下為填料）干搗密度，g/cm3。

將合成級配的粗集料各檔集料分別按比例進行回配看成一檔粗集料，其細集料各檔料按比例進行回配看成一檔細集料，上述公式簡化處理見式（8）。用密度桶分別測定ρ粗松和ρ細搗，用掛籃法測定ρ粗毛。測定結果見表8和表9。

表8 ρ粗松和ρ粗毛測定結果 g/cm-3

表9 ρ細搗測定結果g/cm-3

結合表4將上述結果代入式（8）可反算K值，其結果見表10。

表10 反算K值結果 %

一般要求K值滿足95%～105%區間時，其級配具有良好的壓實性和骨架嵌擠結構，當K值高于105%時，粗集料顆粒嵌擠不密實使空隙率變大造成混合料難以壓實；當K值低于95%時，細集料顆粒過量級配骨架結構不穩。由計算結果可知，3種摻量的合成級配滿足95%～105%區間，其合成級配粗細集料有良好的均勻性和骨架嵌擠結構。

3 結語

利用CVi和Wi對舊集料進行分析，綜合考慮級配離散性和權重，明確了舊集料在服役期間變異性貢獻主要篩孔為16、13.2、2.36mm和0.075mm，采用細度模數進行級配設計，可改善級配變異性，用貝雷法對級配進行檢驗，用P理論篩孔對貝雷法檢驗參數進行修正，最后利用K值對合成級配進行檢驗分析，得出了合成級配粗細集料有良好均勻性和骨架嵌擠結構的結論。