40%掺量RAP厂拌热再生沥青混合料设计及路用性能

黄伯承

(福建省高速公路养护工程有限公司,福建 福州 350100)

随着国内高速公路集中性地进入大中修阶段，路面铣刨产生的回收沥青混合料(recycled asphalt pavement，RAP)也越来越多。这些废旧沥青混合料如不加以利用，会带来占地较多、无处堆放、环境污染等一系列问题；但若能很好利用，将带来较高的环境效益和经济效益[1-3]。

厂拌热再生技术是最常用的沥青路面再生的方式，可有效地利用RAP。此技术经历了级配筛分和配合比设计的过程，可以对级配进行重新调整，级配可控。此外，经过拌合楼的加热拌合过程，混合料较为均匀，新旧沥青融合后混合料性能较好。厂拌热再生技术的RAP掺量越多，则其经济性和环保效益更加显著。因此，有效RAP掺量一直是研究者关注的重点[4-7]。虽然在室内试验时RAP的合理掺量可以达到40%～50%，但受性能和工艺制约，厂拌热再生在工程中实际掺量依然较低，当前国内大规模应用时主要掺量大多少于20%[8-9]。为了在实际工程中大规模应用时能够达到室内试验40%的RAP掺量值，论文在混合料级配设计中提出优化思路，分析其路用性能，并检测其在实际工程中的应用效果，为同类工程项目中的RAP掺量提供借鉴和参考。

1 40%掺量RAP厂拌热再生混合料配合比设计

为了进一步提高实际工程中的RAP掺量，首先按照“细级配、低空隙率、富油”的设计思路，对40%RAP的AC-20再生沥青混合料进行配合比设计。

1.1 原材料组成

原材料由RAP、集料、矿粉、沥青和再生剂组成，铣刨后的旧沥青路面材料按3档进行筛分，所用筛网分别为8 mm、12 mm和20 mm，配合比设计前需要对3档RAP料分别进行抽检确定其级配、沥青含量和密度，RAP料沥青含量和密度结果见表1，矿料级配结果见表2，老化沥青测试结果见表3。

表1 RAP料的性质Tab.1 Properties of RAP

表2 RAP矿料级配筛分结果Tab.2 Screening results of RAP aggregate gradation

表3 老化沥青性质Tab.3 Properties of aged asphalt

根据表1检测结果，铣刨后的旧沥青路面材料筛分后0～8 mm集料粒径范围的沥青含量最高达到7.21%，8～12 mm和12～20 mm集料粒径范围的沥青含量、表观相对密度和毛体积相对密度相当。

从表2检测结果可以看出，8～12 mm和12～20 mm粒径集料中2.36～9.5 mm的旧料较多，9.5 mm筛分通过率达到90%以上，在铣刨刀具的作用下，路面材料被刨起，这必然使路面材料得到破碎，铣刨材料必然细化且粉料增加。

从表3检测结果可知，老化沥青的针入度和软化点60.5 ℃均只能满足规范下限要求。

所用集料规格为19～24 mm、16～19 mm、11～16 mm、6～11 mm、3～6 mm、0～3 mm，集料和矿粉的级配见表4，密度见表5，沥青为改性沥青I-D，性质见表6，再生剂采用美德维实维克生产的8182型再生剂。

表4 集料级配结果Tab.4 Aggregate grading results

表5 集料密度试验结果Tab.5 Test results of aggregate density

由于沥青路面在车轮荷载冲击、震动、挤压作用下，矿料颗粒发生碎裂而破坏，使得沥青混合料中粉料增加；同时在铣刨过程中材料必然细化且粉料增加，因此再生沥青混合料的集料设计要重点补充大粒径粗集料的集配。如表4所示，19～24 mm、16～19 mm和11～16 mm集料中9.5 mm筛孔通过率分别仅为0.1%、0.1%和1.8%。

根据集料配合比设计，集料的密度试验结果如表5所示，表观相对密度在2.702～2.999 g/cm3之间，毛体积相对密度在2.80～2.965 g/cm3之间。

根据检测结果，改性沥青性能如表6所示，改性沥青的针入度、延度、软化点、动力黏度均可以满足规范值。

表6 沥青性能试验结果Tab.6 Asphalt performance test results

1.2 配合比设计

由于40%RAP掺量下再生沥青混合料中老化沥青较多，加入再生剂后依然较难完全恢复。配合比设计时应当适当增加沥青用量，以弥补老化沥青过多带来的抗裂性不足的风险。以经验沥青用量4.7%作为设计目标值，配合比设计时试验沥青用量为4.1%～5.3%，间隔为0.3%。参考以往相关研究成果[4-8]和工程实际应用经验总结，同时为了提高再生沥青混合料的水稳定性和低温性能，采用表7所示的级配设计表；再生剂为RAP掺量的0.1%。成型马歇尔试件测试体积指标见表8，由于RAP掺量较高，考虑到老化沥青影响，再生沥青混合料沥青饱和度应贴近规范上限。为保证水稳定性和低温性能，目标空隙率设为3.5%。采用OAC法计算，得最佳沥青用量为4.6%，制备最佳沥青用量下的沥青混合料马歇尔试件，测试体积指标见表9。由表可知，按细级配、低空隙率、富油思路设计的40%RAP掺量下再生沥青混合料，各体积指标均满足规范要求。

表7 级配设计表Tab.7 Gradation design table

表8 马歇尔试验结果Tab.8 Marshall test results

表9 最佳沥青用量下的马歇尔试验结果Tab.9 Marshall test results under optimum asphalt content

2 路用性能试验

2.1 低温抗裂性能

通过劈裂试验来表征40%RAP掺量AC-20再生沥青混合料的低温抗裂能力，劈裂试验结果见表10。由表10可知，按细级配、富油理念设计的高RAP掺量再生沥青混合料的劈裂强度高，平均劈裂强度达到了2.993 MPa,抗裂性较好。

表10 劈裂试验结果Tab.10 Splitting test results

2.2 水稳定性能

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来表征再生沥青混合料的水稳定性能，试验结果见表11和表12。由此可知，按细级配、富油理念设计的高RAP掺量再生沥青混合料的浸水残留稳定度为95.1%，满足浸水残留稳定度≥85%的设计要求，冻融劈裂强度比为86.4%，满足冻融劈裂强度比≥80%的设计要求。

表11 浸水马歇尔试验结果Tab.11 Immersion Marshall test results

表12 冻融劈裂试验结果Tab.12 Freeze thaw splitting test results

2.3 高温稳定性能

通过车辙试验来表征再生沥青混合料的高温稳定性，测试结果见表13。由表可知，再生沥青混合料的动稳定度均值5 960次/mm，远高于规范值2 800次/mm的要求。普通沥青混合料若按细级配、富油理念进行配合比设计，可能会导致高温性能不足而出现车辙。但对于高RAP掺量的再生沥青混合料而言，其中存在较多的老化沥青，其粘性较高，难以发生流动，按此级配设计理念设计的沥青混合料具有较好的高温稳定性，抗车辙能力强，可用于重载车辆较多的高速公路。

表13 车辙试验结果Tab.13 Rutting test results

3 实体工程验证

3.1 实体工程概况

漳永高速公路是福建省西南部连接漳州市华安县和三明市永安市的省级主干线高速公路，由于华安县玉兰枢纽段入口处重车较多，出现了车辙病害，选择漳永高速入口段桩号范围AK143+500至 AK143+675路段共175 m作为试验段，对原路面的4.5 cm上面层和5.5 cm中面层进行铣刨，铣刨后重新铺筑4.5 cm上面层AK-16和5.5 cm的中面层再生AC-20；采用40%RAP掺量厂拌热再生AC-20作为中下面层，既可以充分发挥厂拌热再生抗车辙的优势，又可以进一步提高环境效益和经济效益。

3.2 拌合工艺

40%RAP掺量的再生沥青混合料加热温度需严格控制，拌合过程新集料加热温度为200～210 ℃，RAP加热温度为130 ℃，再生混合料出料温度170 ℃。拌合顺序为：(1)首先进行预拌5 s，使RAP与再生剂充分接触；(2)加入新集料干拌5～10 s，保证集料分散；(3)加入新沥青湿拌45 s，使得混合料拌合均匀。与普通热拌沥青混合料相比，高RAP掺量再生沥青混合料增加预拌5 s和干拌5～10 s，拌合时长整体增加10～15 s。

3.3 施工工艺

按40%RAP掺量的再生AC-20配合比设计结果进行试验段的铺设，40%RAP掺量再生沥青路面的施工工艺与正常沥青路面的施工工艺一致，摊铺速度和初压速度均为3 km/h，复压速度为5 km/h。首先为钢轮压路机压实2遍，再通过胶轮压路机碾压6遍，最终采用钢轮压路机终压2遍。各阶段需控制的温度为：平板温度>110 ℃，出料温度>170 ℃，摊铺温度160～165 ℃，初压温度155～160 ℃，复压温度120～130 ℃，终压温度>90 ℃。

3.4 试验段检验

通过试验段对压实度和抗渗性进行检验。首先钻芯取样后对芯样体积指标及压实度进行检测，对道路前、中、后位置共取芯3个点位。取芯位置左右侧以沿行车方向为准，芯样位置见表14。芯样厚度设计值为5.5 cm，中面层厚度满足要求，芯样压实度见表15。

表14 芯样位置Tab.14 Core position

从表15可以看出芯样压实度均满足规范要求，其中空隙率均值为4.64%，测得其理论最大相对密度均值为95.4%，大于规范93%的要求值；测得其试验室压实度均值为98.4%，大于规范97%的要求值，说明现场压实效果要优于试验室压实效果，因此芯样压实度满足规范要求。

表15 芯样压实度Tab.15 Compactness of core sample

现场通过渗水仪对路面抗渗性能进行检测，抗渗性测试点位在钻芯位置附近，对前、中、后3处位置进行了渗水试验，实测结果见表16，沥青路面的抗渗性满足规范要求。

表16 路面渗水系数实测结果Tab.16 Measured results of pavement seepage coefficient

综上所述，由40%RAP掺量的再生AC-20沥青路面试验段检测可以发现，按级配偏细、沥青饱和度偏高、空隙率偏低的思路进行高RAP掺量再生沥青混合料配合比设计，路面的压实度和抗渗性能均满足要求。实体工程验证可行，高RAP掺量再生沥青路面中面层的应用可推广。

4 结论

根据实体工程试验段检测结果验证可知，按细级配、低空隙率、富油思路，40%RAP掺量的厂拌热再生沥青混合料高温、低温、水稳定性能均较好，抗渗性和压实度均满足规范要求，符合工程需求。与普通热拌沥青混合料相比，40%RAP掺量再生沥青混合料虽增加了预拌5 s和干拌5～10 s的拌合时间，但可节约大量碎石、土地等资源，减少温室气体排放和资源消耗，社会效益和经济效益明显，具有较好的推广前景。