大摻量RAP再生瀝青混合料性能研究

魏必成

(1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司,福州 350018;2.福建省高速公路工程重點實驗室,福州 350018)

瀝青混凝土路面具有行車舒適、低顛簸、低噪音、施工快、維修養(yǎng)護方便等優(yōu)點,廣泛應用于各級公路,是我國高等級路面的主要組成部分[1,2]。瀝青路面養(yǎng)護過程中產(chǎn)生大量廢舊瀝青混合料(RAP),如果不充分循環(huán)利用,則易造成能源和資源的極大浪費,并且隨意堆放RAP不僅侵占大量土地資源,還對生態(tài)環(huán)境、社會穩(wěn)定造成一定的隱患[3,4]。據(jù)統(tǒng)計,截至2021年底全國公路總里程達528萬公里,養(yǎng)護總里程接近100%,養(yǎng)護過程中每年產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料約8 000萬噸[5,6]。為達到建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求,將RAP合理地循環(huán)利用到工程中去,成為目前必須面對和解決的問題。歐美和日本等發(fā)達國家的RAP再生利用技術(shù)十分成熟,RAP利用率高達100%,而我國RAP再生利用率不足70%[7-9]。

RAP材料中含有一定的老化瀝青以及大量的粗、細集料,經(jīng)過適宜的再生工藝處理后,能夠滿足道路工程使用要求。當前,低摻量再生瀝青混合料在道路養(yǎng)護工程中已經(jīng)得到廣泛的應用,而大摻量再生瀝青混合料(RAP摻量高于30%)在實際應用過程中還存在一定的瓶頸。因此,為了在道路工程中充分利用RAP材料,并減少舊料級配組成變異性、瀝青再生融合效果對再生混合料路用性能的影響,該項目以舊料RAP標準化處理為切入點,開展大摻量、高質(zhì)量、多元化、高價值循環(huán)再利用研究,符合“綠色建造”、“青山綠水”等國家政策要求,具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。

1 原材料

1.1 瀝青膠結(jié)料

試驗所用瀝青為廈門新立基股份有限公司生產(chǎn)的改性瀝青,其物理性能見表1。

表1 瀝青性能檢測結(jié)果

表2 集料物理性能檢測結(jié)果

1.2 集料

試驗所用集料為玄武巖集料,其物理性能見表 2,篩分結(jié)果見表3。

表3 集料篩分結(jié)果 平均通過百分率/%

1.3 礦粉

試驗所用礦粉為石灰石礦粉,其各項指標見表4。

表4 瀝青面層用礦粉檢測結(jié)果

2 RAP標準化處理

試驗所用RAP取自福建莆田公路養(yǎng)護拌合站,將RAP按《RAP分類標準化處理技術(shù)指標研究》[10]中的方法進行標準化處理,得到最佳篩孔尺寸為6 mm。進一步將RAP過6 mm振動篩,僅將6 mm以上RAP進行破碎分散,減少RAP粗集料的團聚。將篩分后的RAP分為6～15 mm和15～20 mm兩種粒徑規(guī)格進行使用。RAP各項指標見表5,采用全自動瀝青抽提儀(Pave Analyzer,意大利controls)對RAP進行抽提,并對抽提后的RAP集料進行篩分,結(jié)果見表6。

表5 RAP物理性能

表6 RAP抽提后篩分結(jié)果 平均通過百分率/%

3 AC-20大摻量再生瀝青混合料配合比設計

試驗根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)進行再生瀝青混合料配合比設計,混合料類型為AC-20,選擇RAP的摻量分別為45%、50%和55%。為獲得性能穩(wěn)定的再生瀝青混合料,在進行配合比設計時采用粗型級配,即調(diào)整再生瀝青混合料級配曲線使其處于級配中線下方,并使不同RAP摻量再生瀝青混合料的級配曲線盡量重合,不同RAP摻量合成級配見表7,各種礦料組成比例見表8。

表7 不同RAP摻量再生瀝青混合料合成級配

表8 各種礦料組成比例 w/%

通過馬歇爾試驗確定再生瀝青混合料的瀝青含量為4.2%,最佳油石比為4.4%。45%、50%和55%RAP摻量再生瀝青混合料添加新瀝青的含量分別為3.14%、3.00%和2.86%,不添加再生劑,不同摻量PAP再生瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果見表9。

表9 不同摻量RAP再生瀝青混合料最佳油石比和馬歇爾試驗結(jié)果

由表9可知,所制備的三種不同RAP摻量的AC-20再生瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的要求。

4 試驗結(jié)果與分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)對不同RAP摻量AC-20再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、高溫性能開展試驗研究,該研究成果將在福建省進行工程應用。福建地處中國東南沿海,屬于亞熱帶季風氣候,較少出現(xiàn)極寒天氣,因此暫不考慮再生瀝青混合料的低溫性能。

4.1 水穩(wěn)定性能

由圖1可知,三種RAP摻量再生瀝青混合料的48 h殘留穩(wěn)定度均大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中不小于80%的要求。45%和50%RAP摻量瀝青混合料的48 h殘留穩(wěn)定度大小相當,分別為93%和94%;當RAP摻量提高到55%時,再生瀝青混合料的48 h殘留穩(wěn)定度下降至91%。該研究中再生瀝青混合料摻入的RAP為6 mm以上大粒徑,RAP表面裹覆的舊瀝青相對較少,在拌和過程中舊瀝青變軟與新瀝青相互融合,因此再生瀝青混合料具有較高的殘留穩(wěn)定度,但是當RAP摻量達到55%后,再生瀝青混合料中的舊瀝青含量相對增多,在拌和過程中與新瀝青的融合均勻性下降,導致瀝青與集料的粘附性稍有下降,故55%RAP摻量再生瀝青混合料的48 h殘留穩(wěn)定度有小幅度下降。

由圖2可知,隨著RAP摻量的提高,再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比也隨之增加,45%RAP摻量再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比為92.7%;RAP摻量增加至50%時,凍融劈裂強度比提高至94.0%,提高了1.4%;當RAP摻量為55%時,再生瀝青混合料凍融劈裂強度比為95.3%,提高了2.8%。三種不同RAP摻量再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的技術(shù)指標要求。這可能是由于舊瀝青與新瀝青融合后粘度大,RAP摻量越高,舊瀝青含量越多,所以在短期內(nèi)表現(xiàn)出RAP摻量越高,再生瀝青混合料凍融劈裂強度比越大。

4.2 高溫穩(wěn)定性

對不同摻量RAP再生瀝青混合料動穩(wěn)定度進行測試,試驗結(jié)果見表10。隨著RAP摻量的增加,再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度減少,55%RAP摻量的再生瀝青混合料動穩(wěn)定度最小,為4 200次/mm,但仍遠大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中不小于2 800次/mm的要求,說明摻入RAP的再生瀝青混合料具有較好的高溫抗車轍變形能力。這是由于RAP中的舊瀝青在光、熱、氧氣等自然環(huán)境下發(fā)生了老化,老化過程中瀝青分子中分子質(zhì)量較小的芳香分和飽和分向分子質(zhì)量較大的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變,導致瀝青變硬,因此摻入RAP的再生瀝青混合料在抵抗高溫車轍變形方面表現(xiàn)出較好的性能。

表10 不同摻量RAP再生瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

5 結(jié) 論

a.采用標準化處理后的RAP級配變異性小,能夠制備出級配穩(wěn)定的大摻量AC-20再生瀝青混合料。

b.對不同RAP摻量再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比進行測試,結(jié)果表明50%RAP摻量瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好。

c.不同RAP摻量的再生瀝青混合料均表現(xiàn)出較好的高溫抗車轍性能,這主要是由于RAP中的瀝青經(jīng)過老化后變硬,抗車轍變形能力提高。