热再生沥青混合料精细化设计与路用性能研究

2022-04-04田引安

公路工程 2022年1期

田引安

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

0 引言

近年来，随着我国公路事业迅猛发展，早期修建的大部分公路已逐渐进入维修期。据统计，我国每年大约有12%的沥青路面急需翻修、养护，采用传统的铣刨、重铺养护工艺，不仅费用昂贵，每年还将产生约3 000万t沥青路面回收铣刨料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)[1-2]。废弃RAP既会造成环境污染，又会造成土地空间与材料资源的浪费[3]。

2016年，交通运输部在“六个坚持、六个树立”公路建设理念的基础上，结合国家战略和绿色交通发展要求，提出了“绿色公路”的建设理念，其中，养护管理更应严格恪守绿色公路建设理念，走绿色养护之路。

沥青路面再生技术[4-6]不仅可以循环利用RAP，缓和资源矛盾，而且适用层位广，经济效益、环保效应显著，是我国乃至世界公路养护发展的热点[7-8]。因此沥青路面再生技术符合可持续发展和绿色公路的建设理念。

由于RAP自身存在较大变异性，导致我国RAP利用率普遍在30%以下，而细RAP(粒径为0～5 mmRAP)的利用率更是不足10%。研究发现[9]，将RAP分档后能减少其变异性，且分档越多变异性越小，常将RAP分成2档(0～5 mmRAP、≥5 mmRAP)或者3档(0～5 mmRAP、5～10 mmRAP、≥10 mmRAP)后再进行级配设计，但工程和研究中对0～5 mm细RAP利用率较低。时彪[10]设计了30%RAP Superpave-20混合料，其细RAP用量为6%；袁芮[11]设计了50%RAP AC-20混合料，其细RAP用量仅为8%；高磊[12]设计了50%RAP AC-20混合料，其细RAP用量为15%；另外在工程现场，细RAP用量较小、甚至全部废弃。通过抽提试验可知，0～5 mmRAP富含大量旧沥青，被认为是最具回收利用价值的材料，如果能将其全部利用并合理再生，可节约沥青材料、降低路面养护维修费用，实现再生技术的经济效益最大化。因此，如何提高0～5 mm细RAP在热再生沥青混合料中用量，也是沥青路面热再生技术应用的重点。

研究表明[12-15]，马歇尔方法可以用于热再生沥青混合料的配合比设计过程；另外尽管众多学者发现高掺量RAP可以获得良好的路用性能，但也有学者对RAP掺量超过40%的再生混合料的长期性能持怀疑态度[16]。目前国内外主要从旧集料利用角度，增加大粒径RAP用量，以保证RAP总掺量提高，但对于高掺量细RAP热再生沥青混合料的研究仍然很少。

本研究采用马歇尔设计方法，以AC-20型沥青混合料为目标，将RAP总掺量设定为0%、30%、40%、50%，并适度提高细RAP用量，将其分别设置为10%、15%和20%(以混合料质量为基数)。分析不同细RAP掺量的热再生沥青混合料在最佳油石比下体积参数和力学指标的变化规律，并测试其使用性能，包括低温抗裂性和水稳定性。

1 试验原材料

1.1 RAP

本研究中使用的RAP来自G6京藏高速公路的白兰段。该段高速公路采用双向4车道标准建设，路面宽度21.5 m，设计时速80 km/h。上面层为4 cm中粒式沥青混凝土，中面层5 cm为中粒式沥青混凝土，下面层为6 cm粗粒式沥青混凝土，基层为20 cm为水泥稳定砂砾，底基层为28 cm水泥石灰砂砾土。于2017年针对下面层进行厂拌热再生，沥青混合料类型为AC-20。

根据国内外热再生技术研究成果和工程实际情况，通常将预处理后的RAP材料筛分为0～5、5～10、10～20 mm 3档。一份不抽提直接筛分，一份采用离心抽提法抽提回收旧集料，离心抽离法按照JTG E20-2011中T 0722-1993进行。得到的旧料RAP抽提前后的级配试验结果如表1所示。

表1 RAP抽提前后级配Table 1 RAP gradation before and after extraction孔径/ mm不同筛孔(mm)通过的百分率 /%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.07510～20 mmRAP抽提后10092.880.555.627.817.313.311.48.96.84.22.6抽提前90.964.532.87.70.60.20.20.20.20.20.20.25～10 mmRAP抽提后1001009792.685.362.739.631.223.518.412.98.6抽提前1001001009583.343.41710.13.20.50.20.10～5 mmRAP抽提后10010010010010099.795.184.659.939.724.917.5抽提前10010010010010098.68769.233.95.40.90.2

RAP中旧沥青含量、技术性质和旧集料主要技术特性分别如表2、表3所示。由表2可以看出，0～5 mmRAP沥青含量最高，高达8.1%，大约是10～20 mmRAP的4倍。可见，要实现再生技术的经济效益最大化，提高细RAP的掺量是再生技术的重点

表2 RAP中旧沥青含量与技术性质Table 2 Asphalt content and physical properties of aged asphalt in RAP检测项目25 ℃针入度/(0.1 mm)软化点/℃10 ℃测力延度行程/cmMAX荷载/N135 ℃布氏旋转黏度/(Pa·s)沥青含量/%0～5 mm RAP5～10 mm RAP10～20 mm RAP实测值3069.08531.628.15.22.1试验方法T0604T0605T0606T0625T0722

表3 旧集料主要技术特性Table 3 Basic properties of the RAP类别表观相对密度Gsa毛体积相对密度Gsb含水率压碎值磨耗损失针片状含量RAP 10～20 mm2.8262.7841.214.821.37.0RAP 5～10 mm2.8302.7691.2—21.3—RAP 0～5 mm2.760—1.4———技术指标≥2.5实测≤3.0≤28≤30≤15

1.2 新集料

本研究所用粗细集料均为甘肃北龙口石料厂生产的石灰岩，所用矿粉由石灰岩加工磨细而成，其主要技术指标如表4所示。

表4 集料及矿粉主要技术性质Table 4 Basic properties of the aggregate and mineral filler类别表观相对密度Gsa毛体积相对密度Gsb含水率/%压碎值/%黏土含量/%磨耗损失/%坚固性/%针片状含量/%15～20 mm2.8922.8500.3215.10.318.246.610～15 mm2.9082.8560.5315.10.518.368.45～10 mm2.8902.8360.53—0.6—57.23～5 mm2.8672.804——0.9———0～3 mm2.819———1.2———矿粉2.711———————

1.3 新沥青与再生剂

本研究所用沥青胶结料为韩国SK70#沥青，再生剂选用陕西省生产的再生剂，根据室内试验数据，当再生剂掺量为旧沥青的6.0%时，再生沥青的针入度可恢复至与新沥青相当的水平。新沥青的技术性质如下：25 ℃针入度77(0.1 mm)，软化点48.5 ℃，延度84 cm,最大荷载Fmax为11 N，135 ℃布氏旋转黏度0.52 Pa·s，再生剂的主要技术特性如下：60 ℃黏度2 800 cSt，闪点265 ℃，饱和酚26.7%，芳香酚48.2%，薄膜烘箱试验前后黏度比1.4%，薄膜烘箱试验前后质量变化-1.3%。

2 细RAP不同掺量热再生混合料配合比设计

2.1 热再生沥青混合料级配组成设计

根据RAP中旧集料级配和设计要求，本研究将RAP总掺量设定为0%、30%、40%、50%，并适度提高细RAP用量，在级配调整过程中发现，当细RAP用量超过20%时，合成级配曲线超出了规范要求的范围，因此本研究细RAP用量分别取10%、15%和20%(以混合料总质量为基数)，再生剂掺量为旧沥青质量的6%。

为减小级配差异对后续研究再生混合料路用性能产生的影响，以《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中规定的AC-20级配中值为目标级配，使热再生沥青混合料和普通新拌混合料的级配尽可能贴近目标级配。不同混合料各档材料组成比例如表5所示。

表5 不同RAP掺量的再生混合料各档材料组成比例Table 5 Material composition of hot recycled asphalt mixture with different RAP contents%混合料类型集料类型0～5 mm RAP5～10 mm RAP10～20 mm RAP15～20 mm碎石10～15 mm碎石5～10 mm碎石3～5 mm碎石0～3 mm机制砂矿粉新拌混合料000252014830330%RAP-10101010201512813230%RAP-151510521181379230%RAP-20205520171975240%RAP-10101416151491010240%RAP-1515101517151295240%RAP-202051516181276150%RAP-101025151514857150%RAP-1515181713141255150%RAP-20201020161214521注: 30%RAP-10指掺加30%RAP的热再生沥青混合料,其中0～5 mm细RAP为10%。

从表5可以看出，随着RAP和细RAP掺量的提高，混合料中新添加的0～3 mm的集料用量变化显著：对于新拌沥青混合料，0～3 mm集料用量高达30%；当RAP掺量达到50%，且细RAP的掺量达到20%时，0～3 mm集料用量仅为2%。对于同一RAP掺量下，随着细RAP掺量的增加，0～3 mm集料用量逐渐减小。

2.2 最佳油石比变化规律

不同RAP掺量下，热再生沥青混合料最佳油石比P与新添加油石比Pb的变化关系如图1所示。

(a) 热再生沥青混合料最佳油石比变化规律

由图1(a)可见：

a.当RAP掺量为30%时，再生混合料的最佳油石比普遍低于新拌沥青混合料。这可能是由于相比新拌沥青混合料，再生沥青混合料中对沥青含量最敏感的细料(0～3 mm)含量显著降低。

b.随着RAP掺量的持续增加，最佳油石比逐渐增大。这是因为在再生沥青混合料中，旧沥青分为活性和非活性2种，而非活性沥青含量随着RAP掺量的增加而增加，故需要更多的新沥青来包裹集料。

图1(b)表明：

a.再生混合料中添加的新沥青含量随着RAP的增加而减少。RAP中活性沥青含量随着RAP掺量的增加而增加，因此再生沥青混合料中使用的新沥青含量减少。

b.与新拌沥青混合料相比，增加RAP可节省41% (30-R-10)至63% (50-R-15)的新沥青。

c.当RAP掺量一定时，随着细RAP含量的增加，最高可节省29%(30-R-20)的新沥青。当RAP掺量达到50%时，细RAP含量对再生混合料中使用的原生沥青含量的影响最小，节省的新沥青含量仅为6%。

2.3 体积参数变化规律

再生混合料在最佳油石比下毛体积密度γf、空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA随RAP掺量变化的关系如图2所示。

(a) RAP掺量与毛体积密度的关系

由图2可知，随着RAP掺量增加，混合料中添加的新沥青逐渐变少，拌和时沥青流变特性逐渐变差，不能均匀地填充粗集料间的空隙。因此，热再生沥青混合料的毛体积密度逐渐降低，空隙率、矿料间隙率逐渐增大，而沥青饱和度并无明显变化。

2.4 力学指标变化规律

热再生沥青混合料在最佳油石比下马歇尔稳定度MS与流值FL随RAP掺量变化的关系如图3所示。

由图3可知：

(a) 稳定度随掺量的变化

a.与新拌沥青混合料相比，热再生沥青混合料的稳定度显著提高，并且伴随着RAP总掺量的增加，稳定度提高幅度越大。

b.在相同的RAP掺量下，随着细RAP掺量增加，混合料中旧沥青含量也在增多，使得集料间的粘结力增强，混合料刚度增大，抵抗变形能力提高。

c.对于流值，随着RAP掺量增加，其变化并不明显，基本与普通沥青混合料相当，表明再生剂对旧沥青起到较好的恢复作用。

3 再生混合料路用性能研究

RAP的掺入会提高热再生沥青混合料的模量，这对于混合料的高温性能是有利的，故本研究重点考虑混合料的低温性能和水稳定性。

3.1 低温抗裂性

本文采用低温弯曲试验研究热再生沥青混合料在规定温度和加载速率下的弯曲破坏力学性能。首先制作尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×50 mm(高)的车辙板试件，然后切割成尺寸为250 mm(长)×30 mm(宽)×35 mm(高)的小梁试件进行试验。每种混合料有4个样本，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm /min。试验结果如图4所示。

图4 热再生沥青混合料低温性能试验结果

由图4可以看出：

a.随着细RAP掺量的增加，热再生沥青混合料的劲度模量总体呈上升趋势，而破坏应变则呈下降趋势，表明混合料在低温条件下抵抗荷载能力增强，但抗变形能力减弱。

b.RAP掺量增加时，混合料低温抗裂性评价指标的变化规律与细RAP掺量增加下规律一致。产生上述现象的原因主要是RAP中的沥青老化后塑性降低、脆性增加，从而使混合料变脆变硬、温度敏感性增加，细RAP用量或者RAP掺量越大，旧沥青含量越多，对混合料性能影响越大。因此，在低温环境中热再生沥青混合料的抗变形能力随细RAP用量或者RAP掺量增加而逐渐降低。

3.2 水稳定性

本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究热再生沥青混合料抗水损害性能。试验按照规程JTG E20-2011中的方法进行，结果如图5所示。

(a) 混合料冻融劈裂强度比

由图5可以看出，无论是RAP掺量还是细RAP用量，它们对热再生沥青混合料水稳定性的影响都不是单一趋势的。从RAP掺量的角度考虑，随着RAP掺量的增加，TSR和MS均先增大后减小，表明RAP存在最佳掺量。这可能是因为当RAP掺量较小时新旧沥青可以较好融合并裹附在集料周围，但随着RAP掺量继续增大尤其当细RAP增多时，新旧沥青融合中不完全、不能被再生的旧沥青增多、级配变异性增大的情况会凸显，导致混合料水稳定性降低。