不同RAP掺量SMA再生沥青混合料性能试验分析
2022-05-13李浩熊鑫李俊
李浩, 熊鑫, 李俊
(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430056; 2.交通运输部公路科学研究院, 北京市 100088)
沥青路面在维修养护过程中,由于铣刨重铺将会产生大量的回收沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP)。过去由于行业环保意识不足,RAP料未得到有效的回收利用,经常直接废弃处理。在国家大力倡导绿色养护的背景下,采用厂拌热再生技术对RAP料予以利用,是当下研究的热点内容之一[1]。
理想情况下厂拌热再生混合料配合比设计应尽量增大RAP料的掺量,但是再生沥青混合料的路用性能应与新拌沥青混合料相当,或者不明显弱于新拌沥青混合料。因此在常规沥青混合料马歇尔配合比设计方法的基础上,RAP料特性分析、再生沥青性能研究等尤为重要[2-4]。曹卫东等[5]通过理论推导建立了厂拌热再生混合料油石比快速预估方法;周志刚等[6]提出了一种综合考虑再生沥青技术性能和经济效益指标要求的再生沥青优化设计方法;苏卫国等[7]基于老化沥青、新沥青及再生剂的混溶机理,对老化沥青的有效再生率进行了研究;熊剑平等[8]分析了拌和时间、拌和温度、RAP预热温度等因素对老化沥青再生率的影响。RAP料中集料密度差异将对再生沥青混合料的空隙率、合成级配产生较大的影响,集料颗粒的迁移规律也会影响再生沥青混合料的均匀性,因此RAP料稳定性对再生沥青混合料的路用性能十分重要[9-10]。此外,也有大量学者对厂拌热再生沥青混合料的各项路用性能进行研究,分析了RAP掺量、再生剂等因素的影响,但是研究对象多为不同层位AC沥青混合料[10-17]。
SMA作为目前高速公路上面层最为常用的沥青混合料,如能使用RAP料生产合格的SMA沥青混合料,将有利于厂拌热再生技术的推广应用。因此该文采用SMA沥青路面铣刨得到的RAP,以40%RAP掺量为代表进行厂拌热再生沥青混合料的配合比设计,并进一步对比分析了不同RAP掺量对再生沥青混合料路用性能的影响。
1 原材料
(1) 沥青
新沥青混合料采用SBS改性沥青拌制而成,SBS改性沥青的各项指标检测结果如表1所示。
(2) 再生剂
采用RA-75型再生剂,再生剂的各项技术指标检测结果如表2所示。
(3) 回收沥青路面材料RAP
RAP料的沥青混合料类型为SMA-13。为了减少RAP料成团结块的现象,使用破碎筛分机对RAP料进行处理,破碎筛分机选用的筛孔为6、11、16 mm,将RAP料筛分为0~6、6~11、11~16 mm3档,从而与拌和站热料仓的筛网孔径保持一致,保证RAP料的级配相对统一。
3档料中0~6 mm含有较多的粉尘、泥土,此次配合比设计时未予以采用。对6~11、11~16 mm两档RAP料进行抽提筛分,试验结果如表3所示。两档RAP料的含水率、针片状颗粒含量和压碎值试验结果如表4所示。
表1 SBS改性沥青技术指标检测结果
表2 再生剂技术指标检测结果
表3 两档RAP料抽提筛分试验结果
表4 回收沥青路面材料RAP技术指标检测结果
(4) 其他原材料
采用的粗集料为5~10、10~15 mm玄武岩碎石,细集料为0~3 mm石灰岩机制砂,填料为石灰岩质矿粉,纤维为木质素纤维。采用的原材料技术性质均满足相关规范要求。
2 厂拌热再生SMA沥青混合料配合比设计
2.1 再生剂掺量确定
再生剂掺量以RAP料中旧沥青质量计,分别选取2%、3%、4%共3个掺量,不同掺量条件下再生沥青的针入度、软化点以及延度测试结果如图1~3所示。
由图1~3可知:与旧沥青三大指标相比,随着再生剂掺量的增大,再生沥青的针入度和延度逐渐增大,软化点逐渐减少,表明再生剂起到了明显的调和效果,因老化现象导致的沥青硬化得到一定程度的缓解。但是考虑到再生剂掺量过大时,沥青软化程度较高,在碾
图1 再生剂掺量与针入度关系
图2 再生剂掺量与软化点关系
压过程中出现泛油的风险增大,并且高温稳定性也会受到影响。因此以软化点下降不超过10 ℃为基准,推荐再生剂掺量为3%。
图3 再生剂掺量与延度关系
2.2 矿料级配设计
通过对6~11、11~16 mm两档RAP料的产量进行估算,发现二者比例约为3∶2,因此为了减少RAP的浪费,将两档RAP料的内部掺配比例定为60∶40。以40%RAP掺量为例,通过调整3组新料的矿料级配使再生沥青混合料矿料级配尽可能落入SMA-13矿料级配范围,并测试再生沥青混合料的空隙率和马歇尔稳定度,选取体积指标满足要求的新料级配开展后续研究。不同新料级配及再生料合成级配如表5所示,不同新料级配条件下再生料的空隙率和马歇尔稳定度结果如图4所示。
表5 不同新料级配及再生料合成级配
图4 不同再生料空隙率和马歇尔稳定度
该文将再生料合成油石比暂定为6.0%。由表5可知:调试的3组再生料合成级配均在SMA-13级配范围内。由图4可知:① 从空隙率指标看,A、B、C再生料空隙率分别为3.7%、4.2%、4.7%,只有A级配再生料的空隙率在规范要求的3%~4%范围内。另外JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》规定,对高温稳定性要求较高的重交通路段或炎热地区,设计空隙率允许放宽至4.5%。B级配再生料也可认为满足空隙率要求;② 从马歇尔稳定度指标看,A、B、C 3种再生料马歇尔稳定度分别为9.9、11.4、9.2 kN。B级配再生料最大,表明适当增大空隙率可以一定程度上提高沥青混合料的力学性能。但是C级配再生料的马歇尔稳定度较B级配有明显下降,与其空隙率过大有关。
综合考虑3组级配再生料的空隙率和马歇尔稳定度,以及路面实际施工时现场压实度可能低于室内试件击实程度的现象,为了避免过多出现空隙率或压实度不合格情况,推荐采用A级配作为厂拌热再生SMA沥青混合料的新料级配。
2.3 油石比确定
采用上述新料A级配,分别以合成油石比5.5%、6.0%、6.5%3组油石比配制再生沥青混合料,此时新料的油石比分别为5.6%、6.4%、7.2%。考虑到厂拌热再生沥青混合料多用于养护工程,混合料运输距离和时间较长,为了避免混合料在运输过程中出现严重的析漏问题,该文将新料析漏损失作为油石比确定的技术指标之一。除此之外,将室内成型再生沥青混合料试件的马歇尔稳定度也作为油石比确定的另外一项技术指标。
不同油石比条件下新料析漏损失和再生料马歇尔稳定度测试结果如图5所示。
图5 新料析漏损失和再生料马歇尔稳定度
由图5可知:再生沥青混合料的油石比过大或过小均不利于其路用性能,再生沥青混合料的油石比为5.5%和6.5%时其马歇尔稳定度均小于油石比为6%;另一方面,当再生沥青混合料的油石比为6.5%时,此时新料的油石比为7.2%,油石比明显偏高,新料析漏损失也达到0.18%,超出SMA沥青混合料0.1%的技术要求。综上所述,推荐再生沥青混合料的油石比为6.0%,此时新料的油石比为6.4%。
3 不同RAP掺量再生沥青混合料路用性能对比
为了分析RAP掺量对再生沥青混合料路用性能的影响,需要控制其他因素如矿料级配、油石比等尽量一致。以尽可能接近表5中40%RAP掺量下合成级配A,且维持合成油石比6.0%不变为原则,通过调整新料各档矿料比例,设计了30%和50%RAP掺量下再生沥青混合料。3种RAP掺量下再生沥青混合料的矿料级配如表6所示,各项路用性能检测结果如表7所示。
表6 不同RAP掺量下再生沥青混合料矿料级配
表7 不同RAP掺量下再生沥青混合料路用性能
由表7可知:RAP掺量对再生沥青混合料路用性能影响显著。对于空隙率、马歇尔稳定度等体积指标,在RAP掺量为30%~40%时,二者与新拌沥青混合料相比基本维持一致,但是当RAP掺量为50%时,空隙率已经大于4%,并且马歇尔稳定度出现了明显降低。
由于再生沥青混合料的油石比为6%,属于最佳油石比范围内,因此不同RAP掺量的再生沥青混合料析漏损失均小于0.1%,满足相关规范的要求。但是再生沥青混合料飞散损失则随着RAP掺量增大而不断增加,表明受到RAP掺量影响,再生混合料的抗飞散性能有所衰减。
对于高温稳定性,当RAP掺量为30%、40%时,再生沥青混合料动稳定度分别较新拌沥青混合料提高了12.5%、45.5%,但是当RAP掺量为50%时,动稳定度较新拌沥青混合料反而降低了7.8%;对于低温抗裂性,随着RAP掺量增大,再生沥青混合料的破坏应变一直减少,表明掺加RAP会对再生沥青混合料的低温抗裂性产生不利影响;对于水稳定性,随着RAP掺量增大,再生沥青混合料的残留稳定度和残留强度比均先增大、后减小,RAP掺量为30%时水稳定性最优,RAP掺量为50%时,再生沥青混合料的水稳定性已经差于新拌沥青混合料。
RAP掺量对再生沥青混合料路用性能的影响主要体现在两个方面:① 沥青路面的老化现象导致RAP料中旧沥青老化较严重,这从回收沥青的针入度偏小、软化点偏大,以及开展延度试验时沥青脆断可以得到验证。RAP掺量越大,再生沥青混合料中旧沥青比例就越大,那么再生沥青的技术性质就越差。马歇尔稳定度、飞散损失以及低温破坏应变的持续减少与此有关。当然,老化沥青的重质组分比例较大导致沥青黏稠度增大,在一定条件下对沥青混合料的路用性能有利,如动稳定度、残留稳定度和残留强度比在RAP掺量为30%~40%时有所提升;② 由于RAP料含有沥青,因此对其加热时温度不宜过高,一般为130~140 ℃。拌制再生沥青混合料时新料温度有限,导致RAP掺量较大时再生混合料的成型温度无法得到较好保证,这在路面现场施工时将会更加严重。由表5中3种RAP掺量下再生沥青混合料矿料级配可知,50%RAP掺量下再生沥青混合料的矿料级配更细,但是其空隙率反而最大,主要原因在于马歇尔试件的成型温度不足。同样地,高掺量RAP再生沥青混合料的路用性能也会受到击实不足的显著影响。
4 结论
(1) 对于老化SBS改性沥青,随着RA-75型再生剂掺量的增大,再生沥青的针入度和延度逐渐增大,软化点逐渐减少,以软化点下降不超过10 ℃为基准,推荐再生剂掺量为3%。
(2) 对于SMA再生沥青混合料,当RAP掺量为50%时,再生沥青混合料的各项路用性能指标均有所下降,与再生料中旧沥青比例较高,以及旧料加热温度有限、导致再生料压实不足有关,建议适宜的RAP掺量为30%~40%。