RAP分级对热再生沥青混合料路用性能变异性的影响

2021-04-12刘燕燕裘秋波纪文强庞露林

公路工程 2021年1期

刘燕燕,裘秋波,纪文强,庞露林,李宁,唐伟,詹贺

(1.浙江顺畅高等级公路养护有限公司,浙江杭州 310051；2.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098)

1 概述

沥青路面养护面临着环境保护形势严峻、基础建设原材料紧缺与大量RAP废弃的多重矛盾，RAP的高效再生利用将成为公路养护必然的发展趋势[1-4]。再生沥青混合料生产过程中由于缺乏对RAP变异性的精细化考虑，导致再生混合料存在较大的变异性[5-6]，影响再生混合料的路用性能。HONG[7]等通过室内试验及现场检测表明RAP中的材料变异性会导致使用再生路面性能发生不同程度的变异。MCDANIEL[8]等也认为控制RAP的变异性是保持再生混合料性能稳定的关键点。张明杰[9]等提出了采用分层铣刨的方式来降低RAP的变异性，但是降低的幅度有限且影响施工效率。因此本文首先分析RAP的变异性，采用控制关键筛孔的方式对RAP进行分级，然后研究分级后RAP级配和油石比的变化规律，最后分析RAP分级对热再生沥青混合料路用性能及其变异性的影响。

2 原材料与评价方法

2.1 原材料

RAP采用某高速使用年限为11 a的上面层SMA-13铣刨料，RAP性能指标见表1。

表1 RAP性能指标Table 1 Properties of RAP类别RAP的指标抽提老化沥青砂当量/ %含水率/ %针入度/ 0.1mm软化点/ ℃5 ℃延度/cm检测值640.9824.571.80.8技术要求>55<3.00>20.0实测实测

2.2 试验方法

2.2.1再生混合料制备方法

再生沥青混合料中RAP掺量为30%，RAP、再生剂分别保温至130 ℃和120 ℃，将再生剂均匀喷洒到RAP上，在175 ℃的拌锅中拌和90 s，加入新集料与新沥青后拌和90 s，即制得热再生沥青混合料。

2.2.2再生混合料制备方法

采用全自动抽提仪对RAP和再生沥青混合料进行抽提，测定混合料的油石比和级配。

2.2.3路用性能试验

依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验分别测试再生沥青混合料的高低温性能和水稳定性。

3 RAP变异性计算方法

RAP的变异性包含RAP级配、RAP中集料级配与油石比的变异性，其中RAP级配是指将路面铣刨所得RAP直接筛分测定的级配，RAP中集料级配是指将RAP进行抽提后筛分集料测定的级配。为了定量评价RAP的变异性，本文引入变异系数CV来衡量RAP中级配和油石比的变异程度。变异系数的计算方法见式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

4 试验结果与分析

4.1 RAP分级关键筛孔的确定

4.1.1RAP的变异性分析

将RAP进行6次抽提平行试验，RAP的集料级配平均值与变异系数见图1。

图1 集料级配平均值与变异系数

从图1可以看出，RAP抽提集料的筛孔通过率均超出了级配规范上限，说明原路面集料在长期车辆荷载作用和冷铣刨作用下发生了一定细化，尤其4.75 mm筛孔处通过率变化幅度最大。集料级配的变异系数随筛孔尺寸的增加先增大后降低，细集料的变异系数显著大于粗集料，4.75 mm筛孔处变异系数达最大值。4.75 mm作为SMA沥青混合料支撑骨架密实结构的关键筛孔，其变异程度最大，说明筛孔处的RAP质量较难控制，波动性较大。RAP的油石比平均值为6.7%，变异系数为8.17，油石比的变异程度远大于集料级配，从而导致RAP的变异性增加。

4.1.2RAP细料关键筛孔的确定

参考美国NCHRP SYNTHESIS-495报告中对RAP级配及油石比变异性的控制标准来确定RAP细料分级的关键筛孔[10]，由图1可知抽提集料在2.36、4.75 mm筛孔的变异性较大，初选与集料粒径相近的3、5 mm作为RAP细料分级的关键筛孔，0～3、0～5 mm档RAP的级配通过率、变异系数见表2、表3。

表2 RAP级配通过率Table 2 Gradation pass rate of RAPRAP尺寸/mm不同筛孔(mm)的通过率/%4.752.361.180.60.3油石比/%0～397.971.346.326.107.40～5100.070.529.816.507.8

表3 RAP级配变异系数Table 3 CV of RAPRAP尺寸/mm不同筛孔(mm)的变异系数4.752.361.180.60.3变异性NCHRP控制标准0～30.008 0.0270.015 0.021 00.046≤0.050～50.0000.0740.063 0.074 00.105≤0.10

由表2可以看出，0～5 mm档RAP的破碎筛分效果良好，4.75 mm筛孔的通过率达97%以上，该档RAP在充分筛分后可以全部通过4.75 mm筛孔。0～3 mm档RAP在充分筛分后2.36 mm筛孔的筛上含量仍有30%，RAP破碎筛分效果不佳，主要原因为较小粒径的RAP极易在筛孔处结团聚集，振筛机很难将RAP筛分完全。

从RAP级配变异系数来看，0～5 mm档RAP细集料的级配和油石比变异系数均满足NCHRP再生报告的控制标准，0～3 mm档RAP易结团导致油石比变异性偏大，据此将RAP细料分级的关键筛孔定为5 mm。

4.1.3RAP粗料关键筛孔的确定

RAP分级关键筛孔的确定主要考虑分档后各档RAP质量的均衡性及变异性控制效果。由于RAP粗料变异性较小，主要考虑各档RAP的质量均衡性确定RAP粗料的分级关键筛孔，RAP的通过率见表4。

基于各档RAP均衡性的原则，每档RAP粗料占总量的比例应不得低于30%。从表4可以看出，RAP粗料在13.2 mm处的筛上含量约为7%，9.5 mm处的筛上含量约为28%，因此RAP粗料分级关键筛孔应分布在9.5～13.2 mm，结合RAP筛分的施工工艺，将RAP粗料的关键筛孔定为12 mm。根据关键筛孔将RAP分为以下3级(见图2)。

表4 RAP的通过率Table 4 Gradation pass rate of RAP试验次数不同筛孔尺寸(mm)的通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.3①10092.471.630.215.310.64.90②10093.172.331.116.311.05.70③10092.171.329.714.29.94.40④10094.573.133.217.912.46.00⑤10097.175.035.118.514.96.50⑥10089.268.328.113.613.44.00平均值10093.1 71.9 31.2 1612.0.5.3 0

(a) 12～22 mm

4.2 分级对RAP集料级配及油石比变异性的影响

4.2.1分级对集料级配及油石比的影响

分别选取6组分档后的RAP进行抽提筛分，分级前后RAP的集料级配与油石比结果分别见图3和图4。

图3 分级前后集料级配曲线图

图4 分级前后油石比图

从分级前后的集料级配和油石比可以看出，分级后RAP粗料质量较为稳定，细料的波动性仍较大，分级对降低RAP粗料变异性的效果显著。

4.2.2分级对RAP变异性控制效果的影响

采用变异系数对分级前后各档RAP的变异性进行量化分析，集料通过率和油石比变异系数分别见图5、图6。

图5 分级前后各筛孔变异系数图

图6 分级前后油石比变异系数图

由图5各筛孔集料通过率的变异系数可以看出，随着RAP分级粒径的增加变异系数有所下降，4.75 mm筛孔处的变异系数下降最为显著，分级后的0～5、5～12、12～22 mm相比于未分档前分别下降了约100%、93%和80%，分级可以显著降低4.75 mm筛孔集料通过率的变异性。从油石比变异程度来看，分级后的0～5、5～12、12～22 mm相比于未分档前分别下降了36%、63%和75%，RAP细料的油石比变异性下降程度较小，主要原因为0～5 mm档RAP细料中含有较多的细集料和填料，其比表面积大，能够吸附更多沥青产生结团现象。整体来看分级有助于降低RAP集料级配和油石比的变异性。

4.3 RAP分级对再生沥青混合料路用性能的影响

4.3.1RAP分级对再生沥青混合料变异性的影响

再生沥青混合料的变异性来源于RAP和新沥青混合料，且与两者所占比例有较大关系。再生沥青混合料的变异性计算如式(4)。

CVr=αCVa+(1-α)CVv

(4)

式中：CVr为再生混合料变异系数，无量纲；CVa为RAP变异系数；CVv为新沥青混合料变异系数；α为RAP掺量，%。

采用分级前后RAP的再生沥青混合料级配及油石比见表5。

从表5可以看出使用未分级RAP的再生沥青混合料级配和油石比均存在一定波动性，油石比的偏差为0.386%，9.5 mm的通过率偏差达3.955%，0.075 mm的达2.042%，这3个关键技术指标均接近或者已经不满足NCHRP的规范偏差允许值；采用分级后RAP制备的再生沥青混合料级配和油石比偏差均满足规范允许值，可见再生混合料的级配和油石比均得到有效控制。

表5 再生沥青混合料的级配和油石比Table 5 Gradation and Asphalt-stone ratio of recycled asphalt mixture项目油石比/%不同筛孔(mm)的通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07516.2210095.363.628.522.718.515.713.41210.8RAP分级前25.4610093.657.922.318.714.212.19.68.46.935.7210094.356.026.822.716.314.211.410.89.9 标准差0.38600.8543.9553.2042.3092.1501.8081.9011.8332.04216.0810092.162.829.22117.614.912.210.38.9RAP分级后25.8610094.061.926.320.217.114.111.39.68.335.9410092.763.027.919.816.914.312.09.28.1 标准差0.11100.9710.5861.4530.6110.3610.4160.4730.5570.416 设计值5.910093.161.525.119.316.113.111.1108.6规范偏差允许值±0.3%±4% ±5% ±2%

4.3.2RAP分级对再生沥青混合料路用性能变异性的影响

a.高温性能。

RAP分级前后动稳定度DS试验结果如表6所示。

再生沥青混合料的动稳定度均远大于规范要求，高温性能良好，RAP分级后动稳定度提升了6.5%，变异系数下降了59.3%，RAP分级后显著降低了混合料高温性能的变异性。再生沥青混合料的高温性能主要受优良的骨架密实结构与老化沥青流变特性的影响，RAP分级后集料级配和油石比变异性得到了有效控制，有助于降低高温性能的变异性。

表6 RAP分级前后车辙动稳定度Table 6 DS of recycled mixture before and after grading材料动稳定度 /次①②③④⑤⑥平均值变异系数使用分级前RAP料6 7549 8657 5197 7718 9346 1128 1260.155使用分级后RAP料8 8989 2347 8668 0349 2498 6578 6560.063注: 技术要求为≥3 000次。

b.低温性能。

低温小梁弯曲试验结果如表7所示。

表7 分级前后弯曲试验最大弯拉应变Table 7 Ultimate flexural strain of bending test before and after grading材料最大弯拉应变 / με①②③④⑤⑥平均值变异系数使用分级前RAP料3 345 4 032 3 472 3 867 3 629 3 676 3 6702.30使用分级后RAP料3 822 4 144 4 042 3 432 3 943 3 711 3 8492.33 注: 技术要求为≥2 500 με。

从表7可以看出，RAP分级后再生沥青混合料的最大弯拉应变提升了4.8%，变异系数基本无变化，表明RAP分级对再生沥青混合料的低温性能及其变异性控制无明显的改善效果。由于再生沥青混合料的低温性能主要受沥青性能的影响[11]，再生沥青混合料中RAP掺量仅为30%，老化沥青添加再生剂和新沥青再生后性能基本可以达到新沥青的水平，因此RAP分级对再生沥青混合料低温性能的影响较小。

c.水稳定性。

研究表明[12-13]浸水马歇尔试验不能有效反映实际路用性能的水稳定性，采用冻融劈裂试验评价再生沥青混合料的水稳定性，RAP分级前后冻融劈裂强度比见表8。

表8 RAP分级前后冻融劈裂强度比Table 8 TSR before and after grading材料冻融劈裂强度比TSR/%①②③④⑤⑥平均值变异系数使用分级前RAP料81.2 82.4 83.7 79.2 82.1 82.9 81.9 1.432 使用分级后RAP料85.2 84.1 84.8 86.5 83.7 84.0 84.7 0.944 注: 技术要求为≥80%。

RAP分级后再生沥青混合料的TSR增加了3.4%，变异系数下降了34%，表明分级可以有效降低再生混合料水稳定性的变异性。级配是影响沥青混合料水稳定性的主要因素[14-17]，RAP分级明显降低了级配和油石比的变异性，从而有效控制再生混合料中4.75、9.5 mm等关键筛孔的通过率，使再生混合料的级配更接近设计值。