复拌式就地热再生沥青路面配合比优化及性能分析

谢 成，骆俊晖，刘豪斌，任天锃，陈江财

(广西北投交通养护科技集团公司，广西 南宁 530025)

0 引言

目前，沥青路面大中修基本上采用铣刨后加铺新沥青路面方式，然而对沥青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的处置措施大多为露天堆放，这种方式不仅占用大量土地资源，并且会污染周边生态环境。合理利用RAP料已经成为道路从业者研究的重点和难点。就地热再生(hot in-place recycling，HIR)能够对RAP料百分百原位利用，与传统铣刨后加铺新沥青路面相比，能够节省新沥青、新集料等原材料的拌和及运输费用，具有显著的经济效益、生态效益[1]。

由于就地热再生沥青混合料中超过80%为旧沥青混合料，旧沥青路面的级配、旧沥青技术性质及油石比均发生不同程度的变异，受制于后续铣刨工艺，会进一步加剧再生混合料的性能变异。大量道路从业者从多角度研究了如何提升就地热再生混合料路用性能[2-3]。马登成等[4]的试验结果表明，控制就地热再生混合料的级配能够改善混合料的路用性能。曹荣吉等[5]研究了再生剂类型对热再生混合料性能的影响。张娟等[6]就控制就地热再生混合料配合比方面开展了相关研究。

为了系统控制就地热再生沥青路面的施工质量，本文以广西沿海片区某高速公路为实例，在结合室内试验的基础上，对就地热再生沥青路面的配合比进行优化研究，以期为后续工程提供参考。

1 旧路面性能评价

1.1 旧沥青路面就地热再生适用性分析

就地热再生技术是一项适用于沥青路面表面层修复的预防性养护技术，而沥青路面表面层长期受车辆荷载冲击、环境紫外线照射、雨雪冰冻天气等综合影响，其沥青含量、老化程度、承载力性能均出现不同程度的降低。因此在选用就地热再生技术时，需对路面技术状况进行分析。

依据《公路沥青路面再生技术规范》(JTGT 5521-2019)[7]，对广西某高速公路沥青路面表面层的技术状况进行评价，其旧沥青路面表面层为4 cm的AC-13C改性沥青混合料，原沥青采用SBS改性沥青，其评价结果如表1与表2所示。

表1 旧沥青路面技术状况评价结果表

表2 旧沥青路面抗滑状况评价结果表

由表1及表2可知：旧沥青路面整体状况满足就地热再生条件，但抗滑性能较差，SRI评定等级处于中与次。旧沥青路面抗滑性能衰减原因为：随着服役时间增加，路面受到车辆荷载的作用，在轮胎摩擦及动水冲刷下导致路面集料表面裹附的沥青膜发生脱落现象，同时也会导致面层集料棱角性丧失。

1.2 RAP料性能分析

采用离心抽提方法对RAP料进行回收，静置一段时间后用离心机去除矿粉，再采用阿布森法从抽提液中去除三氯乙烯有机溶剂得到回收沥青。对回收沥青进行三大指标试验，其试验结果如下页表3所示。

表3 旧沥青试验结果表

由表3可知：旧沥青老化较严重。针入度与延度指标退化明显，然而，针入度未降至20(0.1 mm)以下，表明可通过一定措施进行再生，恢复旧沥青的性能。

对抽提后的旧集料进行筛分试验，确定旧沥青路面的级配范围，其试验结果如表4所示。

表4 旧路面级配抽提筛分结果表

由表4可知：原路面级配整体出现偏细现象，4.75 mm筛孔通过率为44.6%，较原设计级配增大了14.3%。这表明在车辆荷载的累积作用下，原有4.75 mm以上的粗集料发生了破碎，导致后续路面抗车辙性能下降，同时路表粗集料的棱角性被磨光导致抗滑性能下降严重。为保证路面的抗车辙性能与抗滑性能，及时填补路面微车辙，需添加一定量的新集料。

1.3 旧沥青路面马歇尔体积参数

采用试验路段上提取的RAP料，进行100%RAP料的马歇尔试验，检验就地热再生混合料的性能，并为后续设计的就地热再生沥青混合料体积参数提供对比。其马歇尔体积参数结果如表5所示。

表5 旧沥青路面马歇尔试验结果表

由表5可知：纯RAP料的沥青混合料的马歇尔体积参数均满足规范要求。这表明旧路面整体性能良好，结合旧沥青特点及级配分析结果，需采用相应妥当的方式对旧路面进行处置以恢复原路面使用性能[8]。

2 就地热再生方式选择

就地热再生方式主要有以下三种类型：整形式就地热再生、复拌式就地热再生、加铺式就地热再生。

(1)整形式就地热再生：采用就地热再生机组将路面加热、添加再生剂、耙松、熨平，不添加新沥青混合料或摊铺极少量的新沥青混合料，压实成型。适用于原路面材料较好，主要病害为车辙、桥头跳车及沉陷等变形类病害的路段。具体施工工艺流程如图1所示。

图1 整形式就地热再生施工工艺流程图

(2)复拌式就地热再生：用就地热再生机组将路面加热、耙松、添加再生剂/热沥青、收集旧料，添加新沥青混合料，拌和、摊铺、压实成型。适用于维修中等破损的路段或旧路面材料级配需要调整和优化，或旧路面沥青含量不符合要求的路段。具体施工工艺流程如图2所示。

图2 复拌式就地热再生施工工艺流程图

(3)加铺式就地热再生：采用就地热再生机组对旧路面进行加热、添加再生剂、翻松、拌和、再生料摊铺、新沥青混合料摊铺，而后双层沥青混合料一起压实成型。适用于旧路面破损较严重或早期建设承载力不满足当前要求的路面。具体施工工艺流程如图3所示。

图3 加铺式就地热再生施工工艺流程图

根据旧路面性能评价结果，该路段路面承载力满足要求，仅发生抗滑性能衰减过快，由于旧沥青老化严重导致沥青路面空隙率稍高。综合不同就地热再生技术特点，推荐采用复拌式就地热再生技术进行处置。

3 就地热再生沥青混合料配合比设计优化

为了改善再生沥青混合料的耐久性，需恢复旧沥青的路用性能，添加一定量的新沥青与新沥青混合料，本节就再生沥青混合料的配合比进行设计优化。

3.1 再生剂的确定

再生剂是由多种轻质组分、基础油分、抗老化剂等高分子聚合物组配而成，能够补充丧失的轻质组分，恢复旧沥青的粘弹性。选取两种不同种类的(再生剂A和再生剂B)，研究不同种类再生剂对于旧沥青性能恢复程度，并优选出最佳的再生剂。试验结果如表6所示。

表6 不同种类再生剂试验结果对比表

由表6可知：

(1)常规的延度试验不足以评价旧沥青低温性能。这是由于受制于试验操作，制备的旧沥青中会存在一部分矿粉，导致延度试验结果受到干扰，不能完全反映沥青的低温性能。

(2)对旧沥青性能恢复效果而言，再生剂A优于再生剂B。针入度与软化点试验结果表明：同等掺量下，使用再生剂A的针入度结果明显超出再生剂B。综合针入度、软化点试验结果，最终选用再生剂A。根据以往施工经验，为确保再生沥青混合料的粘结性能，降低原沥青混合料的变异性，需添加0.2%的新沥青(以沥青混合料的质量分数计)。

为了确认再生剂的最佳掺量，对RAP料添加不同掺量再生剂和0.2%的新沥青后，进行室内马歇尔试验，根据马歇尔试验结果，并综合旧沥青三大指标试验结果优选出最佳掺量。马歇尔试验结果如表7所示。

表7 不同再生剂掺量下RAP料马歇尔试验结果表

由表7可知：4%再生剂及0.2%新沥青的RAP料马歇尔试验结果均满足规范要求，且空隙率、马歇尔稳定度、流值均最佳。考虑到旧沥青三大指标试验结果，综合经济性，确定再生剂的最佳掺量为4%。

3.2 再生混合料级配优化

由于旧路面承受交通荷载作用，导致路表存在坑槽、车辙等路面病害，且因施工时需铣刨行车标线，导致部分路面材料存在损耗。为了保持路面原设计厚度不变，再生施工时需添加部分新料。结合旧路面级配及性能检测结果，添加20%的AC-13C改性沥青混合料，改性沥青为SBS改性沥青。添加新料之后的再生混合料级配如图4所示。

图4 再生混合料级配曲线图

由图4可知：添加20%新料后，旧路面级配偏细的现象得到改善，再生混合料的骨架结构得到进一步提升。9.5 mm、4.75 mm集料通过率较旧路面级配分别降低了2.8%、5.6%，说明再生料级配中粗集料明显增多，整体处于偏粗状态，而添加的新集料能够弥补旧路面中粗集料受车辆荷载导致破碎偏细状况。

根据马歇尔试验方法，确定新沥青混合料的最佳油石比为5.0%，根据新旧沥青混合料掺配比例、再生剂添加量及热沥青添加量，得出再生混合料的油石比为4.98%。新沥青混合料与再生沥青混合料的马歇尔体积参数试验结果如表8所示。

表8 再生混合料马歇尔体积参数试验结果表

由表8可知：再生沥青混合料的马歇尔体积指标均满足规范要求，且再生沥青混合料的力学性能优于新沥青混合料。再生沥青混合料的马歇尔稳定度较新沥青混合料高1.37 kN，流值降低了0.8(0.1 mm)。

3.3 再生沥青混合料性能试验

为了评价就地热再生沥青混合料的路用性能，取样现场的就地热再生沥青混合料，在室内匹配现场施工实际温度，制作相应的试件。通过室内试验，对混合料的高温稳定性以及水稳定性进行检验。

3.3.1 高温稳定性

由于广西地区年平均温度较高，该段高速公路重载车辆较多，对于抗车辙性能提出较高要求。为评价再生混合料的高温稳定性，在60 ℃、0.7 MPa轮胎压力的条件下，制备三组再生混合料平行试样进行车辙试验，其试验结果如表9所示。

表9 再生混合料车辙试验结果表

由表9可以看出，就地热再生混合料的动稳定度指标均值达到6 160次/mm，具有良好的高温稳定性，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[9]的要求，能够满足广西地区高温重载的运营条件。

3.3.2 水稳定性

该路段处于热带季风性气候，夏季高温潮湿，对路面的抗水损害能力要求较高，检验再生沥青混合料的水稳定性十分必要。试验结果如表10所示。

表10 再生混合料浸水马歇尔试验结果表

由表10可知，就地热再生混合料具有良好的水稳定性，浸水马歇尔残留稳定度达到89.5%，可以满足广西地区对路面抗水损害能力的要求。

4 就地热再生沥青路面质量检测

项目完工后，对复拌式就地热再生沥青路面进行质量检测，主要检测指标包含：构造深度、摩擦系数、平整度、路面厚度、渗水系数。具体数据如表11所示。

表11 工后质量检测结果表

由表11可知：

(1)就地热再生沥青路面的抗滑性能优于旧路面。再生沥青路面TD与BPN的实测均值高出旧路面0.28 mm、32，且均满足相应的技术要求。这表明，旧路面经就地热再生技术处置后，抗滑性能得到明显提升。

(2)再生路面平整度优于旧路面，再生路面的平整度均值较旧路面降低近20%，表明就地热再生技术可以提升路面平整度，提升行车安全性与舒适性。

(3)再生路面厚度与旧路面厚度接近。再生路面厚度均值与旧路面厚度仅相差1.6 mm，表明对路面附属设施(如路缘石等)基本不会造成影响。

(4)旧路面与再生路面的渗水系数均满足规范要求(<200)，说明就地热再生沥青路面的密实性能优于旧路面。再生路面的渗水系数均值为46 mL/min，明显小于旧路面的80 mL/min，这表明，经就地热再生技术处置后，可以有效提升路面的密实性能。

5 结语

(1)旧路面性能分析结果表明，旧路面整体满足就地热再生要求；旧路面的各项马歇尔体积参数均满足要求；旧路面沥青含量为4.4%，但旧沥青老化严重；旧路面级配在行车荷载作用下出现偏细现象。

(2)根据旧路面调研结果，结合就地热再生技术方式，推荐采用复拌式就地热再生技术进行处置。

(3)通过三大指标试验优选出最佳再生剂A，考虑到旧沥青老化严重，需添加一部分新沥青增强混合料的粘结性能，结合马歇尔试验结果得出掺加4%再生剂+0.2%新沥青为最优掺配组合；考虑到旧路面施工过程中的损失，在室内试验的基础上添加20%的AC-13C改性沥青混合料，能够明显改善旧路面级配的偏细状况，且再生沥青混合料的抗车辙性能与抗水损害性能均得到明显改善。

(4)工后质量检测结果表明，就地热再生技术能够明显提升旧路面的抗滑性能、密实性及行车舒适性，且不会对附属设施产生影响。