厂拌热再生柔性基层ATB-25配合比设计与性能研究

张登峰，李术金，崔星星，吴少鹏

(1.武汉工大土木工程检测有限公司，武汉 430070；2.秦皇岛市玄通公路工程有限公司，秦皇岛 066004；3.内蒙古路桥集团有限责任公司，呼和浩特 010051；4.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

沥青混合料厂拌热再生工艺是当前应用较为普遍的沥青路面再生方式之一[1]。提高热再生混合料的路用性能是该项研究的重点和难点，热再生混合料配合比的优化设计是有效提高再生混合料性能的有效途径，因此，厂拌热再生混合料配合比设计研究具有重要的工程应用价值。目前，厂拌热再生混合料配合比设计主要参照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)[2]以及《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)附录热拌沥青混合料配合比设计方法进行[3]，在矿料组成设计、沥青总用量预估和回收沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，简称RAP)最佳掺量的确定等环节上带有较强的经验性，缺少相关的设计理论及优化方法。依托实体工程，通过对旧路面铣刨RAP进行试验检测及性能分析，对RAP中沥青含量、回收沥青性能、颗粒级配等性能进行试验，结合已有的工程实践经验，提出与依托工程相适应的ATB-25厂拌热再生混合料配合比优化方法。

1 项目概况

二广高速二连浩特至赛汉塔拉段改扩建工程是在国道208线一级公路基础上改扩建成高速公路，原一级公路沥青路面结构组成为7 cm SBS改性沥青AC-25C下面层+5 cm SBS改性沥青AC-16C上面层。项目设计文件明确要充分利用RAP制备沥青稳定柔性基层混合料，增加沥青面层厚度，减少反射裂缝，提高路面耐疲劳寿命，达到充分利用现有资源，减少矿石开采造成资源损失和环境影响，节约建设成本的目的。

2 RAP回收料性能试验

2.1 RAP回收料的铣刨与分级

试验用RAP料取自路面二标面层铣刨料，集中在沥青拌合厂进行二次破碎分级筛分，分为≤4.75 mm、4.75～13.2 mm、13.2～26.5 mm三档，分开堆放在设置了钢结构大棚的料仓中，防止RAP料的结团。对分级材料分别取样并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[4]试验方法进行沥青混合料抽提回收试验，对抽提后的矿料进行颗粒级配检验，并将分离后的抽提液采用压力过滤装置结合燃烧法对粉料的残留进行检查，在确定抽提液中无粉料残留的情况下，再采用旋转式沥青回收仪进行沥青回收，并进行性能检验。各级回收料中沥青含量试验结果如表1所示，回收料颗粒级配检验结果如表2所示。

表1 RAP分级抽提试验结果

表2 RAP抽提后分级筛分试验结果

表1试验结果表明，分级后的各档RAP中均含有数量不等的老化沥青，其中4.75 mm以下的回收料中含量最高，达到5.6%。表2试验结果可以看出，重新分级的RAP颗粒级配均匀性较好，粗集料外形规整，坚硬、棱角性好，具有循环再生利用的价值。

2.2 RAP回收料的性能

将抽提回收的矿料分别进行密度、吸水率、压碎值、针片状等性能试验，并对回收沥青的针入度、软化点、延度性能进行测试，具体试验结果如表3所示。

表3 RAP性能试验结果

2.3 再生剂的选择及掺量确定

在回收的老化沥青中加入适量再生剂可有效还原其化学组成，恢复其胶体结构，从而起到改善老化沥青性能的作用[5-7]。目前市场上再生剂种类较多，不同的再生剂对老化沥青性能的还原效果不尽相同，对老化沥青混合料路用性能的恢复效果也千差万别。试验室选用了植物油类、动物油类、高分子聚合物类三种再生剂，分别与回收沥青进行配伍分析试验。试验结果显示采用高分子聚合物单体和芳香分油聚合反应生成的路面热再生剂对旧沥青的还原效果最佳，再生剂最佳施工掺量为回收沥青质量的10%。

预估再生ATB-25混合料总最佳沥青用量为3.8%，采用20%、30%、40%三种RAP掺配比例，根据掺配比例计算出RAP中旧沥青含量，再计算需添加的新沥青质量，根据计算结果进行旧沥青和新沥青的掺配。首先将回收沥青与再生剂按照质量比9∶1的比例进行混合搅拌，采用可变速剪切搅拌机在150 ℃时以2 500 rad/min搅拌15 min，以1 500 rad/min搅拌15 min；再按表4计算的质量百分比加入新沥青，在150 ℃时以2 500 rad/min搅拌15 min，以1 500 rad/min搅拌15 min，即制得再生沥青，对制备的再生沥青进行针入度、软化点、延度性能试验。

表4 再生沥青性能试验结果

从表4再生沥青性能可以看出，当RAP掺配比例不超过30%时，再生沥青针入度、软化点、延度均满足A级90号沥青要求。当RAP掺量达到40%时，针入度和延度指标均不满足沥青技术指标的要求。

3 再生混合料配合比设计

3.1 矿料级配设计

按照RAP和新集料的比例为20%∶80%、30%∶70%、40%∶60%进行矿料级配合成，调整各档矿料的组成比例，参考《公路沥青路面施工技术规范》ATB-25级配范围的要求，最终计算合成矿料比例级配1、级配2、级配3，详见表5。

表5 ATB-25再生混合料矿料级配

ATB-25沥青稳定碎石属于粗骨架密实结构，对细集料及填料的用量相对较多，除了利用RAP的4.75 mm筛孔以下细集料外，还需要掺配一定量新的0～2.36 mm机制砂及填料来改善级配的填充效果。

3.2 最佳沥青含量确定及混合料性能验证

根据表5三组矿料合成比例，采用马歇尔试验进行混合料最佳沥青含量优选试验，以估算总沥青用量3.8%为中值，采用3.2%、3.5%、3.8%、4.1%、4.4%五个沥青用量进行马歇尔击实。室内制备马歇尔试件时，将RAP料按照比例准确称量配料装盘，置于140 ℃烘箱中保温2～3 h备用，新加集料按比例称量配料装盘，置于170 ℃烘箱中加热6～8 h备用。小型拌合机升温170 ℃并保温2 h。先将RAP料与再生剂拌和90 s，再往拌合机中加入新集料和新沥青与RAP料一起拌和90 s，加入矿粉，再共同拌和90 s，观察再生混合料拌和效果，拌制的再生混合料颜色均匀一致无花白料且粗集料表面油膜裹附饱满。按标准方法进行分料、装模、击实成型马歇尔试件，成型过程中注意控制再生混合料击实温度在140～145 ℃之间。三组矿料比例最佳沥青含量优选及马歇尔试验结果如表6所示。

表6 再生混合料最佳沥青含量优选及马歇尔试验结果

表6试验结果可以看出，三组级配再生混合料马歇尔试件体积性能与力学性能均满足技术要求。随着RAP料用量的增加，新加矿料占比降低，试件空隙率呈下降趋势，马歇尔稳定度随着RAP掺量的增加而大幅度降低，流值也变大，接近流值技术要求上限。

3.3 再生混合料性能验证试验

在最佳沥青含量试验的基础上，进一步对再生混合料的水稳定性、高温稳定性和弯曲性能进行验证试验，为确定RAP合理掺量提供理论支持，具体试验结果如表7所示。

表7 再生混合料性能验证试验结果

表7试验结果表明，级配3的浸水马歇尔残留稳定度、车辙动稳定度及低温弯曲破坏应变性能均不满足技术要求，级配1与级配2混合料性能均满足规范技术要求且基本相当，但级配2的RAP掺量要高于级配1，能最大限度的减少物料浪费，节约资源，因此采用级配2作为目标配比以指导后续的生产配合比验证与现场施工。

4 结 论

a.为更好的利用RAP料，在施工准备阶段需要将其严格分级，合理的分级方式为0～4.75 mm、4.75～13.2 mm、13.2～26.5 mm三级，分级完成的各档料应在具有防晒防雨能力的料仓中堆放，防止RAP料二次结团，方便取用。

b.综合考虑热再生ATB-25混合料性能和RAP最大利用率，推荐RAP最佳掺配量为30%，各档矿料目标合成配比为：13.2～26.5 mmRAP∶4.75～13.2 mmRAP∶≤4.75 mmRAP∶19～31.5 mm碎石∶9.5～19 mm碎石∶4.75～9.5 mm碎石∶2.36～4.75 mm碎石∶≤2.36 mm碎石∶矿粉=8%∶7%∶15%∶26%∶20%∶8%∶6%∶8%∶2%，总最佳沥青含量为3.8%，再生剂掺量为旧沥青质量的10%。