RAP精細(xì)化處置工藝設(shè)備和工藝參數(shù)對顆粒形態(tài)的影響規(guī)律

摘要：為改善瀝青混合料回收料（reclaimed asphalt pavement，RAP）性能，提高RAP利用率，減少RAP精細(xì)化處置技術(shù)對集料顆粒形態(tài)的影響，研究再生集料顆粒形態(tài)的定量表征，采用三維掃描與集料圖像測量系統(tǒng)（aggregate image measurement system，AIMS）測量相結(jié)合的技術(shù)手段，研究不同工藝參數(shù)對再生集料針片狀指數(shù)、球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)指標(biāo)的影響規(guī)律，綜合分析關(guān)鍵影響因素。結(jié)果表明：隨主軸轉(zhuǎn)速增大或處置時(shí)間延長，再生粗集料的梯度棱角性減小，紋理指數(shù)和球度增大。再生粗集料的針片狀指數(shù)隨主軸轉(zhuǎn)速增大而減小，隨處置時(shí)間的延長先減小后回升。提高主軸轉(zhuǎn)速或延長處置時(shí)間，RAP針片狀指數(shù)、球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差均明顯減小，表明精細(xì)化處置工藝可改善再生集料宏觀-細(xì)觀-微觀形態(tài)特征的變異性。

關(guān)鍵詞：RAP；精細(xì)化處置；多尺度評價(jià)體系；針片狀指數(shù)；球度；梯度棱角性；紋理指數(shù)

中圖分類號：U416.217；U415.52+8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2025）01-0053-08

0 引言

我國高等級公路已由大規(guī)模建設(shè)期轉(zhuǎn)為建養(yǎng)并重期，道路維修、改建過程中產(chǎn)生大量瀝青混合料回收料（reclaimed asphalt pavement，RAP）[1]，如不妥善處理，不僅浪費(fèi)大量不可再生的石油資源，而且占用土地、破壞生態(tài)環(huán)境[2-3]，如何對RAP進(jìn)行高效再生利用已成為公路行業(yè)亟待解決的問題[4-5]。常規(guī)再生工藝下，RAP表面裹附老化的瀝青膠結(jié)料，在短暫拌和過程中，新、舊瀝青難以充分融合，嚴(yán)重制約RAP的高摻量回收利用[6]。

為解決RAP再生利用率較低的問題，采用RAP精細(xì)化處置技術(shù)對瀝青銑刨料進(jìn)行油石分離，通過精細(xì)化篩分得到富油細(xì)集料與貧油粗集料[7]。在精細(xì)化處置過程中，RAP精細(xì)化處置裝備沖擊再生集料表面，影響再生集料的顆粒形態(tài)。集料顆粒形態(tài)特征影響瀝青混合料內(nèi)部的骨架互鎖結(jié)構(gòu)和內(nèi)摩擦力[8-9]，影響瀝青路面的路用性能和服役壽命。按空間尺度，通常將集料的形態(tài)特征劃分為表面紋理、棱角性和輪廓形狀[10-11]：表面紋理反映顆粒的表面形貌，屬于集料的微觀特征，影響集料-瀝青的界面強(qiáng)度；棱角性屬于集料的細(xì)觀特征，代表顆粒的邊緣銳度，在一定程度上影響瀝青混合料的顆粒嵌擠與抗永久變形能力[12-13]；宏觀形態(tài)特征反映集料的輪廓形狀，影響瀝青混合料的體積性能（如空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度）和高溫穩(wěn)定性。需準(zhǔn)確表征再生粗集料的形態(tài)特征，評價(jià)精細(xì)化處置工藝對再生集料顆粒形態(tài)的影響，工程中再生粗集料的性能評估和預(yù)測才能更全面、更準(zhǔn)確。

在集料形態(tài)測量方法方面，隨現(xiàn)代圖像處理技術(shù)的發(fā)展，已由人工測量向數(shù)字圖像處理技術(shù)轉(zhuǎn)變，以解決傳統(tǒng)試驗(yàn)方法精度低、耗時(shí)長、工作量大的問題。為建立準(zhǔn)確的形態(tài)特征評價(jià)指標(biāo)，采用三維形態(tài)測量手段，利用X射線斷層掃描組合多幅二維圖像進(jìn)行三維集料重構(gòu)[14]。Wang等[15]采用綜合成像系統(tǒng)和X射線斷層掃描集料獲取斷層圖像，通過三維重構(gòu)評價(jià)顆粒大小、形狀、棱角性和紋理，建立顆粒形態(tài)特性與瀝青混合料抗滑性能間的相關(guān)性。受現(xiàn)有技術(shù)限制，高精度三維重構(gòu)作業(yè)計(jì)算量大，電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）設(shè)備昂貴，有嚴(yán)格的安全和輻射控制要求。三維激光掃描技術(shù)以其安全、便捷的優(yōu)勢成為研究熱點(diǎn)[16]。Liu等[17]采用三維光學(xué)掃描儀識別集料的三維形狀。Pan等[18]、Huang等[19]采用三維激光掃描技術(shù)評估瀝青混合料中破碎和未破碎集料的表面特性，與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性良好。三維光學(xué)掃描技術(shù)可準(zhǔn)確評價(jià)集料顆粒三維形態(tài)特征，可有效表征集料的宏觀形態(tài)。集料細(xì)微觀形態(tài)的表征手段較少，采用三維光學(xué)掃描技術(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)時(shí)，需對掃描模型進(jìn)行表面平滑處理，可能丟失部分局部信息。集料圖像測量系統(tǒng)（aggregate image measurement system，AIMS）可精確表征集料細(xì)觀-微觀形態(tài)，AIMS可在短時(shí)間內(nèi)測量粒徑從μm級到mm級的顆粒，掃描范圍較廣，可測量較大范圍的顆粒形態(tài)。目前研究的主要對象為新集料，對再生集料的形態(tài)特征研究較少，RAP精細(xì)化處置工藝對再生集料形態(tài)特征的影響規(guī)律尚不明確。

本文采用RAP精細(xì)化處置裝備對RAP進(jìn)行油石分離，采用三維光學(xué)掃描技術(shù)和AIMS測量再生集料的針片狀指數(shù)、球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)，通過針片狀指數(shù)和球度表征再生集料的宏觀特征，梯度棱角性表征細(xì)觀特征，紋理指數(shù)表征微觀特征，建立再生集料宏觀-細(xì)觀-微觀多尺度評價(jià)體系，分析不同精細(xì)化處置工藝參數(shù)對再生集料顆粒形態(tài)的影響規(guī)律，為再生粗集料性能評價(jià)和優(yōu)化提供指導(dǎo)，以期為RAP的高摻量再生利用提供有力支撐。

1 再生集料形態(tài)特征評價(jià)方法

1.1 基于三維掃描儀的宏觀形態(tài)特征評價(jià)

再生集料的宏觀形態(tài)主要指集料的外輪廓特征，選擇針片狀指數(shù)和球度評價(jià)再生集料的宏觀形態(tài)特征，采用高精度工業(yè)級三維掃描儀測量集料的宏觀形態(tài)特征，包括長軸、中軸和短軸長度，該設(shè)備工作原理是通過全金屬掃描儀上呈一定夾角的2個(gè)攝像頭采集被藍(lán)光照射的物體圖像，采用圖像處理技術(shù)解算公共區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)，對集料進(jìn)行三維重構(gòu)。

采用針片狀指數(shù)描述再生粗集料的針片狀特征，針片狀集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大會(huì)造成瀝青混合料壓實(shí)困難，影響瀝青路面的服役性能，針片狀指數(shù)

FER=DS/DL，

式中DS、DL分別為集料顆粒最小包圍盒的短軸、長軸長度。

采用球度描述再生粗集料的不規(guī)則程度，可有效避免二維數(shù)字圖像信息缺失和傳統(tǒng)測量粗集料形狀特征參數(shù)不準(zhǔn)確的問題，球度

式中DW為集料顆粒最小包圍盒的中軸長度。

1.2 基于AIMS系統(tǒng)的細(xì)觀-微觀形態(tài)特征評價(jià)

選擇梯度棱角性和紋理指數(shù)評價(jià)再生集料的細(xì)觀-微觀形態(tài)特征。AIMS由圖像采集模塊、運(yùn)行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成，工作原理是通過集料托盤將集料依次旋轉(zhuǎn)至相機(jī)工作范圍內(nèi)掃描3次，通過圖像處理獲取集料輪廓圖像，表征集料的尺寸和局部棱角性，采用顯微鏡獲得集料的紋理圖像和高度信息。

采用梯度棱角性表征再生粗集料的細(xì)觀棱角特征，以水平軸上粒子邊界點(diǎn)棱角向量平均傾斜度表征棱角性，集料外部輪廓凸出部分的銳度越大，集料邊緣相鄰梯度向量的角度差別越明顯，梯度棱角性越大。梯度棱角性

式中：θi、θi+3分別為第i個(gè)邊點(diǎn)、第i+3個(gè)邊點(diǎn)的方向角度，n為邊點(diǎn)總數(shù)。

采用Masad紋理指數(shù)表征微觀紋理，在AIMS中采用小波變換法量化集料表面紋理，通過短高頻基函數(shù)和長低頻基函數(shù)分別捕獲集料表面細(xì)節(jié)紋理信息與粗略紋理信息，將3個(gè)方向小波系數(shù)的平方和定義為紋理指數(shù)，公式為：

式中：D為分解函數(shù)；N為小波系數(shù)的總數(shù)；i為小波系數(shù)的3個(gè)方向，i=1，2，3；j為小波系數(shù)的序號，j=1～N；（x，y）為變換域內(nèi)系數(shù)位置。

多尺度形態(tài)顆粒評價(jià)體系操作簡單，數(shù)據(jù)精度高。

2 RAP精細(xì)化處置技術(shù)

2.1 RAP精細(xì)化處置設(shè)備

通常對瀝青銑刨料簡單破碎后直接使用，集料表面裹附大量瀝青膠結(jié)料，存在大量團(tuán)聚體，材料均質(zhì)性較差，限制RAP的性能。借鑒拋丸噴磨工藝原理，采用細(xì)集料噴磨（石打石）和螺旋葉片切削（鐵打石）的協(xié)同作用，自主研制RAP精細(xì)化處置裝備，實(shí)現(xiàn)貧油粗集料與富油細(xì)集料的有效分離，RAP精細(xì)化處置裝備外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

該設(shè)備工作原理是采用粒徑為2.36～4.75 mm的富油細(xì)集料以較高的線速度沖擊處理腔內(nèi)粗粒銑刨料表面，處理腔內(nèi)的螺旋葉片帶動(dòng)粗粒銑刨料翻動(dòng)，粗粒銑刨料得到充分處置，多次循環(huán)作用后，有效剝離粗粒銑刨料表面的老化瀝青。工作流程主要分為4步。

1）樣機(jī)工作時(shí)，開啟進(jìn)料口端蓋，瀝青銑刨料經(jīng)粗料進(jìn)料口進(jìn)入拋磨處置箱體內(nèi)部，待堆料高度完全高于螺旋葉片的頂端時(shí)關(guān)閉進(jìn)料口端蓋。

2）開啟拋丸器與驅(qū)動(dòng)裝置的電源，將一定粒徑的富油細(xì)集料作為拋丸均勻置于拋丸器進(jìn)料口內(nèi)，噴磨箱體上部的銑刨料表面。

3）在旋轉(zhuǎn)葉片作用下，箱體內(nèi)部物料不斷翻轉(zhuǎn)剝離，實(shí)現(xiàn)瀝青銑刨料在工作區(qū)域內(nèi)循環(huán)。富油細(xì)集料的碰撞噴磨能打散粗粒銑刨料中的團(tuán)聚體。經(jīng)過濾板篩分，符合條件的分散體隨拋丸一起落入防塵袋，作為下一次拋丸備用。

4）到設(shè)定拋磨時(shí)間后，關(guān)閉設(shè)備電源，打開正面的擋料板，取出箱體內(nèi)部已處理好的粗銑刨料。

為驗(yàn)證RAP精細(xì)化處置設(shè)備的可行性，選用山東省某高速公路改擴(kuò)建工程產(chǎn)生的中面層銑刨料，未處理的銑刨料表面被瀝青膠結(jié)料裹覆，形成黑色膠團(tuán)，經(jīng)RAP精細(xì)化處置設(shè)備處理后，RAP表面黑色膠團(tuán)顯著減少，集料表面瀝青膜剝離，集料和老化瀝青有效分離，RAP處置效果如圖2所示。

2.2 RAP精細(xì)化處置工藝

為分析精細(xì)化處置工藝對再生集料顆粒形態(tài)的影響，選用粒徑為2.36～4.75 mm的RAP作為拋丸，單次處理銑刨料40 kg。RAP老化瀝青粒徑在0～5 mm、gt;5～10 mm、gt;10～20 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.87%、4.23%、4.74%。設(shè)計(jì)5組試驗(yàn)方案處置RAP，采用燃燒爐法分析不同工藝參數(shù)下的集料老化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表1所示。處理后0～5 mm粒徑再生細(xì)集料的瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增大，均不小于7.40%，而5～10 mm和gt;10～20 mm粒徑再生粗集料的老化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減小，均小于2.20%。

3 再生集料形態(tài)特征影響分析

通過三維光學(xué)掃描技術(shù)和AIMS獲取再生粗集料的針片狀指數(shù)、球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)，將其結(jié)果進(jìn)行正態(tài)分布擬合，分析不同精細(xì)化處置工藝參數(shù)對再生集料顆粒形態(tài)特征的影響。正態(tài)分布中的位置參數(shù)μ為平均值，描述再生粗集料形態(tài)特征數(shù)據(jù)的集中趨勢位置；尺度參數(shù)σ為標(biāo)準(zhǔn)差，描述再生粗集料形態(tài)特征數(shù)據(jù)分布的離散程度。

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對再生集料形態(tài)特征的影響

研究精細(xì)化處置30 min，主軸轉(zhuǎn)速分別為20、40、60 rad/min對再生粗集料形態(tài)特征的影響規(guī)律，處置后的再生粗集料分別為RAP-20、RAP-40、RAP-60。不同主軸轉(zhuǎn)速下再生粗集料的宏觀形態(tài)參數(shù)如圖3所示。由圖3可知：針片狀指數(shù)和球度均滿足正態(tài)分布特征；RAP的平均針片狀指數(shù)比新集料增大11.16%，原因是RAP中存在團(tuán)聚現(xiàn)象，扁長形集料顆粒在再生粗集料中的占比較大；隨主軸轉(zhuǎn)速增大，處置后再生粗集料的平均針片狀指數(shù)比RAP分別減小10.40%、13.76%、14.87%，表明精細(xì)化處置工藝可有效減小再生粗集料中扁長形顆粒占比；RAP的平均球度比新集料大5.00%，主軸轉(zhuǎn)速對再生粗集料的平均球度影響較小，表明RAP精細(xì)化處置是集料表面的微損傷處置工藝，不會(huì)導(dǎo)致集料過度磨圓。

不同主軸轉(zhuǎn)速下再生粗集料的細(xì)觀-微觀形態(tài)參數(shù)如圖4所示。由圖4可知，梯度棱角性和紋理指數(shù)均滿足正態(tài)分布特征。RAP的梯度棱角性比新集料減小6.94%，原因是長期服役過程和銑刨過程對集料的棱角性均產(chǎn)生較大負(fù)面影響。隨主軸轉(zhuǎn)速增大，再生粗集料的平均梯度棱角性比RAP分別減小3.79%、5.96%、10.85%，表明主軸轉(zhuǎn)速大于40 rad/min后，精細(xì)化處置工藝對集料棱角性的負(fù)面影響加劇。確定最優(yōu)主軸轉(zhuǎn)速為40 rad/min。

隨主軸轉(zhuǎn)速增大，處置后再生粗集料的紋理指數(shù)比RAP分別增大5.65%、7.31%、15.56%，主軸轉(zhuǎn)速大于40 rad/min后，再生粗集料紋理指數(shù)增速明顯加快，原因是主軸轉(zhuǎn)速加快，導(dǎo)致處理腔內(nèi)粗集料顆粒間的翻轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步提高，集料顆粒間及螺旋葉片與集料表面間的相互碰撞和研磨增強(qiáng)，表面刮擦效果更全面，紋理特征得到明顯提高。上述4個(gè)指標(biāo)正態(tài)分布擬合結(jié)果如表2所示。

由表2可知：隨主軸轉(zhuǎn)速的增大，再生粗集料4個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差比RAP均明顯減小，表明加大主軸轉(zhuǎn)速可有效改善集料宏觀-細(xì)觀-微觀形態(tài)特征的變異性，保證材料的一致性。

3.2 精細(xì)化處置時(shí)間對再生集料形態(tài)特征的影響

分析在恒定主軸轉(zhuǎn)速為60 rad/min條件下，處置時(shí)間（15、30、45 min）對再生粗集料形態(tài)特征的影響規(guī)律，再生粗集料的宏觀形態(tài)參數(shù)如圖5所示，處置后的再生粗集料分別為RAP-15、RAP-30、RAP-45。

由圖5可知，針片狀指數(shù)和球度均滿足正態(tài)分布特征。隨精細(xì)化處置時(shí)間延長，再生粗集料的平均針片狀指數(shù)比RAP分別減小11.15%、14.50%和8.92%，表明精細(xì)化處置15～30 min時(shí)可緩解RAP中的團(tuán)聚現(xiàn)象；處置時(shí)間超過30 min時(shí)，再生粗集料的平均針片狀指數(shù)略增。再生粗集料的平均球度受處置時(shí)間影響較小，比RAP分別增大1.59%、3.18%和6.35%，處置15～30 min時(shí)可減小再生集料的磨圓度。

主軸轉(zhuǎn)速為60 rad/min時(shí)，不同精細(xì)化處置時(shí)間下再生粗集料的細(xì)觀-微觀形態(tài)參數(shù)如圖6所示。

由圖6可知，梯度棱角性和紋理指數(shù)均滿足正態(tài)分布特征。隨精細(xì)化處置時(shí)間延長，再生粗集料的平均梯度棱角性逐漸減小，比RAP分別減小7.46%、9.98%和16.48%，處置30～45 min時(shí)，再生粗集料的平均梯度棱角性衰減速率加快。隨處置時(shí)間延長，再生粗集料的平均紋理指數(shù)逐漸增大，比RAP分別增大5.65%、8.44%和16.00%，處置30～45 min時(shí)，再生粗集料的平均紋理指數(shù)增長速率加快，可能是處置超過30 min后，再生集料表面老化瀝青油膜較薄，集料間的擠壓和研磨直接作用于再生集料自身表明，表面粗糙度增大。確定最優(yōu)處置時(shí)間為30 min。

上述4個(gè)指標(biāo)正態(tài)分布擬合結(jié)果如表3所示。隨處置時(shí)間的延長，再生集料4個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差比RAP均明顯減小，表明延長處置時(shí)間可有效改善再生集料宏觀-細(xì)觀-微觀形態(tài)特征的變異性。

4 結(jié)論

選用RAP精細(xì)化處置裝備對RAP進(jìn)行油石分離，建立定量評價(jià)再生粗集料顆粒宏觀-細(xì)觀-微觀形態(tài)特征的多維度指標(biāo)體系，分析主軸轉(zhuǎn)速和處置時(shí)間等工藝參數(shù)對再生粗集料顆粒形態(tài)的影響規(guī)律。

1）采用三維掃描儀與AIMS評價(jià)再生集料的宏觀-細(xì)觀-微觀形態(tài)特征，選擇針片狀指數(shù)、球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)作為再生集料的宏觀-細(xì)觀-微觀尺度方面評價(jià)指標(biāo)，多尺度形態(tài)顆粒評價(jià)體系操作簡單，數(shù)據(jù)精度高。

2）隨主軸轉(zhuǎn)速增大，再生粗集料針片狀指數(shù)和平均梯度棱角性比RAP小，球度與紋理指數(shù)比RAP大。主軸轉(zhuǎn)速大于40 rad/min后，再生粗集料梯度棱角性衰減速率和紋理指數(shù)增速明顯加快。確定最優(yōu)主軸轉(zhuǎn)速為40 rad/min。

3）隨處置時(shí)間延長，再生粗集料球度與平均紋理指數(shù)比RAP大，梯度棱角性比RAP小，平均針片狀指數(shù)先減小后逐漸增大。處置時(shí)間為30～45 min時(shí)，再生粗集料平均梯度棱角性的衰減速率和平均紋理指數(shù)的增長速率加快。確定最優(yōu)處置時(shí)間為30 min。

4）增大主軸轉(zhuǎn)速或延長處置時(shí)間，再生集料針片狀指數(shù)、球度、梯度棱角性和紋理指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差比RAP均明顯小，表明精細(xì)化處置工藝可有效改善再生集料宏觀-細(xì)觀-微觀形態(tài)特征的變異性，保證材料具有良好的一致性。

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The influence of RAP fine treatment process equipment and process

parameters on particle morphology

Abstract：To improve the performance of recycled asphalt pavement （RAP）and increase the utilization rate of RAP， while reducing the impact of fine processing technology on the particle morphology of aggregates， this study investigates the quantitative characterization of recycled aggregate particle morphology. A combination of three-dimensional scanning and the aggregate image measurement system （AIMS） is employed to study the influence of different process parameters on the needle-like index， sphericity， angularity gradient， and texture index of recycled aggregates， and to comprehensively analyze the key influencing factors. The results indicate that with an increase in spindle speed or extension of processing time， the angularity gradient of recycled coarse aggregates gradually decreases， while the texture index and sphericity gradually increase. The needle-like index of recycled coarse aggregates decreases with increasing spindle speed and initially decreases then gradually rebounds with the extension of processing time. Increasing the spindle speed or extending the processing time significantly reduces the standard deviations of the needle-like index， sphericity， angularity gradient， and texture index of RAP materials， indicating that the fine processing technology can improve the variability of the macro-meso-micro morphological characteristics of recycled aggregates.

Keywords：RAP; fine treatment; multiscale evaluation system; needle-like index; sphericity; angularity gradient; texture index