大摻量廢舊SBS 改性瀝青混合料溫拌同步再生技術的應用

■曾 偉＊ 孫俊波 許培欣 張德潤

（1.湖北長江路橋有限公司，武漢 430077；2.華中科技大學，武漢 430074）

截至2022 年底，我國已通車的高速公路已達17.7 萬km，居世界首位，其中瀝青混凝土路面占九成以上。大量的廢舊瀝青混合料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP） 因高速公路的養護和維修而產生，其中不乏高等級公路中上面層銑刨產生的廢舊SBS 改性瀝青混合料（簡稱RAR-SBS），據初步估計RAR-SBS 混合料的年產生量高達400 萬t，但循環利用率僅為2%左右[1]。 通常，高等級公路中上面層由SBS 改性瀝青、優質集料、礦粉以及纖維拌和鋪筑而成，銑刨后的廢舊料再利用價值明顯高于普通公路產生的廢舊料[2-4]。 傳統廠拌熱再生技術將RAR-SBS 混合料視為普通RAP 材料，用于鋪筑高等級公路下面層或較低等級公路瀝青路面，實現了RAR-SBS 混合料的低值化回收利用[5]。廠拌熱再生技術在應用過程中最大的弊端是再生溫度過高，拌和施工溫度高達160℃～180℃，加速了RAP上原有的老化瀝青二次老化[6-8]。 此外，RAP 材料來源復雜，其本身級配變異性大，實際再生施工時大多根據經驗直接按比例添加新集料與廢舊料，再生料的級配變異性也較大，導致再生路面的水損害性能和疲勞性能較差，從而限制其在高等級路面中的推廣應用，廢舊料摻量也僅為10%～15%，無法發揮瀝青路面再生技術的優勢[9]。

針對以上技術瓶頸，本研究依托湖北省某高速公路2023 年度養護工程， 采用自主研發的高效SBS 改性瀝青同步再生劑恢復老化瀝青原有性能，根據新集料、廢舊料的分檔情況，提出再生料規劃求解及配比設計方法，并對設計得到的溫拌同步再生混合料施工工藝及鋪筑效果進行研究，以期為大摻量廢舊SBS 改性瀝青混合料溫拌同步再生技術工程應用與推廣提供理論與工程實踐參考。

1 依托工程概況

湖北省某高速公路工程是武漢連接周邊城市的重要交通運輸通道，全長約29 km。全線采用高速公路標準建設，雙向四車道，設計速度100 km/h，于2014 年12 月正式建成通車。 在2022 年12 月開展的病害調查中， 發現部分路段出現了嚴重的車轍、橫向裂縫、龜裂、坑槽等病害（圖1），因此擬針對該路段開展銑刨再攤鋪養護維修作業。 為響應我國交通強國戰略所提出的“綠色發展節約集約、低碳環保”的發展理念，同時促進各類建筑施工材料以及廢舊材料的再生和綜合產業化再利用[10]，2023 年9月湖北省某高速公路養護工程采用溫拌同步再生SBS 改性瀝青混合料進行試驗段鋪筑， 對大摻量RAP 溫拌同步再生技術展開研究。

圖1 某高速公路試驗段原路面病害情況

本次試驗段長度200 m、寬度3.75 m，原路面病害情況見圖1，原路面結構：4 cm SUP 12.5 上面層+6 cm AC-20C 中面層+6 cmAC-20C 下面層+20 cm 水泥穩定碎石半剛性基層。 養護實施方案：先銑刨原路段4 cm SUP 12.5 上面層+6 cm AC-20C 中面層，再采用溫拌同步再生實施30%SBSRAP 混合料摻量4 cm SMA-13 上面層+ 40%SBSRAP 混合料摻量6 cm AC-20C 中面層。

2 原材料及配比設計方法

2.1 原材料

2.1.1 RAR-SBS 瀝青混合料

試驗段RAP-SBS 瀝青混合料采用湖北省某高速公路2023 年度養護工程銑刨料， 經檢測其含水率低于3%，滿足JTGT5521-2019《公路瀝青路面再生技術規范》規定的使用要求。 為了便于后續施工，首先將試驗段所需的RAP-SBS 廢舊料運輸至拌合站，再將其通過3 級篩分裝置破碎篩分為3 檔集料：（0～8 mm（細集料），8～12 mm（粗集料）、12～20 mm（粗集料）。 隨后，通過燃燒法確定各檔廢舊料的級配參數，見表1。3 集料中的舊瀝青含量分別為7.22%、4.50%、4.48%，平均瀝青含量為5.0%。

表1 3 檔SBS 廢舊料燃燒后的級配參數

2.1.2 RAP 瀝青與新瀝青

根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，采用阿布森法抽提試驗段SBS 廢舊料中的老化SBS 瀝青，測試其三大指標，其中針入度30.1 dmm，軟化點91.7℃，延度9.2 cm，遠低于JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》規范要求值，因此需要添加再生劑使其恢復使用性能[11-12]。試驗段采用自主研發的復合再生劑恢復老化SBS瀝青的性能，包括瀝青相組分調節劑和斷裂SBS 改性劑修復劑，將復合再生劑按照抽提SBS 瀝青質量比的3%、5%和7%添加至其中，測試再生SBS 瀝青的三大指標,結果見表2。老化再生前后的SBS 瀝青熒光顯微鏡測試結果見圖2。

表2 摻加復合再生劑后SBS 瀝青的三大指標測試結果

試驗段采用湖北某新材料有限公司提供的SBS（I-D）改性瀝青作為新瀝青，其基本物理性能見表3。結合表2 和表3 的性能指標結果可知，當復合再生摻量為5%時，再生SBS 瀝青的性能最接近新瀝青。 此外，添加5%復合再生劑后，專屬于SBS 改性劑的熒光反應重新出現，表明老化斷裂的SBS 聚合物得到有效修復。 因此，在批量生產試驗段再生混合料時復合再生劑的最佳摻量確定為5%。

表3 新瀝青基本性能指標測試結果

2.1.3 溫拌劑

為了達到降低施工溫度的目的，進一步在新瀝青中添加Sasobit 溫拌劑， 摻量為新瀝青質量的3%。通過測試3%摻量Sasobit 溫拌新瀝青的表觀黏度確定最佳拌和溫度為148.5℃，攤鋪溫度為138.5℃。 在批量生產試驗段再生混合料時，Sasobit 溫拌劑預先通過拌合站卸油池抽送進入瀝青攪拌罐，見圖3。

圖3 Sasobit 溫拌劑投放過程

2.2 大摻量溫拌同步再生混合料配比設計方法

試驗段SBS 廢舊料的摻量為30%～40%， 摻加后必須保證溫拌同步再生混合料的配合比精確可控。 為此，研究提出了一種基于規劃求解的便捷配比設計方法，任意廢舊料摻比下的再生料的級配參數計算方法見式（1）。

式中Zi是某一篩孔尺寸下的篩余百分率，%；Ai是某一檔新集料在某一篩孔尺寸下的篩余百分率，%；Xi是某一檔新集料的摻配比例，%；x 是新集料的摻比（0～1）；Bi是某一檔廢舊料在某一篩孔尺寸下的篩余百分率，%；Yi是某一檔廢舊料的摻配比例，%；y 是廢舊料的摻比（1-x）。當對再生料的級配參數進行求解時，以再生料合成級配參數與目標配合比設計中值之間的總誤差為目標單元格， 以各檔新集料、廢舊料摻比為可變單元格，進行規劃求解，直至目標單元格值最小且再生料合成級配參數逼近目標配合比設計中值。

根據上述計算方法，試驗段30%廢舊料再生上面層SMA-13 與40%廢舊料再生中面層AC-20 的再生料合成級配見表4、表5。 根據室內研究經驗，SMA-13 再生料初擬油石比5.8%、6.1%、6.4%，AC-20 再生料初擬油石比4.1%、4.4%、4.7%。以148.5℃拌和混合料后成型試件，進行標準條件養生，根據馬歇爾設計方法的體積指標與性能指標等試驗測試， 驗證表4 和表5 中廢舊料摻配比例的合理性，并根據目標空隙率和摩擦系數確定最佳油石比。 通過拌合站試拌調整，最終確定的上面層和中面層的級配曲線見圖4，最佳瀝青油石比分別為6.1%和4.4%，實際新添加瀝青油石比為3.96%和2.86%。

表4 30%廢舊料再生上面層SMA-13 合成級配

表5 40%廢舊料再生中面層AC-20 合成級配

圖4 某高速公路試驗段上中面層溫拌同步再生料合成級配

3 大摻量溫拌同步再生混合料施工工藝

3.1 舊路銑刨與回收廢舊料破碎篩分

主要包括原路面銑刨、SBS 廢舊料預處理、復合再生劑制備以及溫拌劑投放。 試驗段采用由湖北省某高速公路銑刨的SBS 廢舊料，采用顎式破碎機將銑刨料軋制后分篩成2 檔粗集料（12～20 mm 和8～12 mm）和1 檔細集料（0～8 mm），分檔后的3 檔集料分開堆放，用防雨布覆蓋。 復合再生劑在拌合站人工配置，按照瀝青相組分調節劑與斷裂SBS 改性劑修復劑質量比5∶3 混合、攪拌后即得，見圖5。試驗段采用的溫拌劑是固體顆粒狀Sasobit 蠟，將其按照新瀝青質量比的3%投放至瀝青攪拌罐中。

圖5 老化SBS 瀝青復合再生劑制備過程

3.2 新舊料拌和及再生料運輸

試驗段選用5000 型瀝青混凝土拌合站拌制，配套再生機2000 型， 實際拌和時考慮到SBS 廢舊料的細料中含有大量瀝青，為避免加熱后細集料中的瀝青融化堵塞拌合站管道，試驗段的廢舊細集料通過拌合站控制系統采取冷添加的方式，而粗集料采取熱添加的方式。 在拌合前，通過調整單倉轉速比，確保各檔新、舊集料摻配比不變的情況下，提升拌合樓的產量。 生產時，提前加熱溫拌SBS 瀝青攪拌罐中的瀝青至150℃， 各檔集料通過皮帶轉速控制上料速度，SBS 廢舊料干燥加熱至135℃，新集料干燥加熱至160℃， 將SBS 廢舊料粗細集料投放至拌鍋，添加一定比例的復合再生劑拌和20 s，立即加入新集料干拌15 s，干拌結束后，立即加入溫拌SBS 瀝青拌和15 s，最后加入礦粉、纖維、水泥等材料再次拌合15 s，即得溫拌同步再生SBS 混合料。

瀝青拌合站至試驗段距離大約90 km， 溫拌同步再生混合料運輸采用60 噸位普通瀝青混合料運輸車自卸卡車，自卸車需配備具有防雨保溫、防污染功能的雨篷布。 事前對車廂徹底清掃，噴灑一薄層能夠防止混合料粘結的油水混合液。 上料時，按照先后部再前部順序裝入。 運輸當天采用插入式數顯溫度計記錄每輛運輸車的混合料溫度，不滿足出廠溫度應當廢棄。

3.3 攤鋪及碾壓

溫拌同步再生瀝青混合料攤鋪碾壓過程如下：采用1 臺抗離析瀝青混凝土攤鋪機，溫拌同步再生瀝青上面層壓實厚度為4 cm，松鋪系數為1.24，松鋪厚度4.96 cm；中面層壓實厚度為6 cm，松鋪系數為1.25，松鋪厚度7.5 cm。 試驗段攤鋪前對攤鋪機仔細地檢查、調整和清洗工作，提前0.5 h 對熨平板進行了加熱處理，溫度控制要求不低于100℃，攤鋪前檢測熨平板加熱溫度為105℃，符合熨平板加熱要求。然后仔細檢查熨平板的平直度，確保熨平板不起拱，前場準備好后再通知瀝青拌合站拌料。

攤鋪機的初始工作仰角定為0°30′，隨著攤鋪調節，仰角為0°25′。 運料車采用后退式的方式進場，有規律地排成一排現場等候卸料，在運料車為3 輛時開始攤鋪。攤鋪機緩慢、均勻、連續不間斷地攤鋪，均未隨意變換速度或中途停頓，以提高平整度，減少混合料的離析，每車混合料攤鋪完后關一次收料斗，人工配合收斗，不使混合料沿著收料斗兩側堆積，在接縫接頭處、攤鋪帶邊緣采用人工修補扣鍬攤鋪。 施工中攤鋪機兩邊安排專人控制攤鋪寬度，壓實后實測平均寬度為3.75 m。 此外，在攤鋪過程中安排專人采用非接觸式測溫槍實測攤鋪溫度，溫度控制在140℃左右。 試驗段的碾壓方案見表6。

表6 大摻量溫拌同步再生試驗段碾壓方案

3.4 養生及路面性能檢測

壓實完成后， 封閉交通直至路表溫度降低至50°C 以下即可開放交通。 鋪筑完成的當天對試驗段進行路面性能檢測，見圖6。 經現場檢測評定，溫拌同步再生試驗段不滲水；擺式摩擦系數為64，遠大于JTGD50-2017《公路瀝青路面設計規范》的最低要求54；路面構造深度為0.80 mm，遠大于瀝青路面構造深度一般不小于0.50 mm 的最低要求。 試驗段冷卻后，鉆芯取樣試件表觀良好，上面層空隙率為7.01，中面層空隙率為8.70、水穩定性均達標。

圖6 大比例溫拌同步再生試驗段現場檢測與評定

試驗段鋪筑當天在拌合站留樣檢測溫拌同步再生混合料的各項性能，主要檢測溫拌同步再生瀝青混合料的各項力學性能，檢測結果見表7。 從表7可知，溫拌同步再生混合料上、中面層的各項技術指標均滿足規范使用要求，其中上、中面層的車轍動穩定度均超過10 000 次/mm， 高溫穩定性優異，疲勞壽命超過25 000 次，具有良好的抗疲勞開裂性能。 綜上所述，所提出的大摻量溫拌同步再生SBS改性瀝青混合料同步再生應用技術具備大規模推廣應用的可行性。

表7 試驗段上面層與中面層溫拌同步再生瀝青混合料性能檢測結果

4 經濟環境效益分析

按照試驗段工程所在地SBS 改性瀝青、粗細集料等原材料的市場價格，經計算本次200 m 溫拌同步再生試驗段所需的材料費僅為8.2 萬元， 若采用傳統熱拌攤鋪所需的材料費為11.04 萬元， 相當于養護再生1 km，材料費可節約14 萬元，推廣至湖北省7 600 km 高速公路預計材料費可節約10 億元，經濟效益顯著。

傳統瀝青路面熱拌施工消耗化石能源巨大的同時，溫室氣體排放也較大，將SBS 廢舊料循環再利用的同時引入溫拌技術，既能減少高值化資源浪費，又能將瀝青路面施工溫度降低20℃左右，減少混合料拌和時的化石能源消耗，從而降低溫室氣體排放，實現綠色低碳可持續發展。 本次200 m 溫拌同步再生試驗段節約能源成本約1 200 元，減少CO2約440 t，降幅約16.7%，相當于養護再生1 km，可節約能源成本6 000 元， 減少碳排放2 200 t，湖北省全省范圍內推廣可節約能源成本4 440 萬元，碳排放減少1 628 萬t，環境效益十分可觀。

5 結語

SBS 廢舊料通過合理再生處理后具備在高等級公路中上面層循環利用的可能性；新集料、廢舊料摻比必須采用合理的配比設計方法綜合考慮，才能使再生料級配貼近目標配合比設計中值，進而保證再生料各項路用性能穩定； 從施工過程來看，溫拌同步再生混合料的養護施工工藝易于控制，并且經濟與環境效益顯著。 基于以上各種優勢，本研究提出的大摻量廢舊SBS 改性瀝青混合料溫拌同步再生技術方案具有廣闊的應用前景。