RAP 精细化油石分离及存储条件研究

2023-11-17王红祥王德玉

城市道桥与防洪 2023年10期

王红祥，晏应，李宁，王德玉，唐伟

（1.江苏现代路桥有限责任公司，江苏南京 210049；2.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098）

0 引言

随着“碳达峰、碳中和”双碳战略的稳步推进以及对可持续发展理念的日益重视，矿石和石油等不可再生资源的开发越来越受到限制，导致集料和沥青的价格不断上涨，养护成本上升[1]。同时，我国公路正由“建养并举”向“全面养护时代”迈进，路面大中修养护产生了大量废旧沥青路面材料（RAP）[2-3]。由于RAP 材料本身的结团性和变异性，在对其进行利用时往往只能应用于路面下面层或者更低层位，如何将其应用于中上面层，或更加有效地加以利用是路面养护工程面临的一大难题[4-5]。

针对此问题，不少学者提出将RAP 中的旧集料与老化沥青分离以减少RAP 结团。黄磊[6]采用多级联合筛分工艺对RAP 进行筛分、分档，从而有效降低了RAP 材料的变异性，有利于提升RAP 掺量。Zhan 等[7]采用常规破碎筛分方式处理RAP，通过多级分档，有效降低了RAP 的变异性，但RAP 的结团程度依旧较大，不利于大规模推广应用。孙学楷[8]采用“反击-转子离心多级联合筛分工艺”处理RAP，其分离效率可达70%以上。这项工艺通过剥离RAP表面黏附的沥青胶砂，使粒径为5～10 mm、10～15 mm的RAP 粗料表面的沥青含量降至1%以下，可直接当作原生集料进行使用。现行《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）要求将RAP 至少分成2 档及以上，但未规定采用何种措施来处理RAP。因此，选取合适的RAP 处理方式来降低RAP 的结团，对RAP 原层位、大掺量使用至关重要。另外，《公路沥青路面再生技术规范》通过加热效率来限制RAP 含水率，并未考虑筛分的影响，也未阐述分离过后RAP存储过程中的复结团问题，因而对于日常RAP 的存储管理没有指导作用。本文介绍了一种RAP 精细化油石分离新技术的分离效果和结团组成，同时基于分级后的各档RAP 特性探究了RAP 的储存条件，以期为RAP 预处理及后期存储管理提供参考。

1 精细化油石分离技术

RAP 精细化油石分离技术是通过特殊的离心装置剪切并研磨RAP 粗料，将RAP 表面黏结的沥青胶砂剥离，然后根据颗粒大小将其筛选成3～5 档。本文以山东临沂某县道上面层AC-13 和下面层AC-20整体铣刨所获取的RAP 材料为例，说明该技术的工艺过程。

精细化油石分离过程（见图1）为：首先，将RAP料投入喂料仓，由提升机将其送至分离机中；然后，分离机通过离心作用对RAP 料进行剪切和研磨，以剥离黏附在RAP 集料上的老化沥青胶砂（见图2），由于剥离过程会产生大量沥青粉，为减少粉尘污染，由除尘器收集后归置到0～3 mm 档；最后，经过分离的RAP 进入筛分机，经过第一层25 mm 的筛网无法筛落的大粒径RAP 通过传送带送到喂料仓重新分离，25 mm 以下的由筛分机分成贫油粗RAP（15～25 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm）和富油细料（0～3 mm）共5 档成品料。

图1 精细化油石分离示意图

图2 油石分离原理示意图

2 试验与方法

2.1 抽提筛分试验

按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中T0722—1993 和T0725—2000，分别进行抽提和筛分试验。

2.2 料堆取样方法

取样的RAP 料堆高7.5 m。由于堆放场地没有做硬化处理，直接堆放时底层会受到湿气和尘土污染；同时，料堆表面会形成一个厚度为100～200 mm的硬壳，因此取样时舍去距地面0.5 m 以内的RAP以及硬壳。采用挖掘机挖掘RAP 料堆以获取垂直剖面，然后按照0 m、2.5 m、5 m、7 m 的堆高依次获取RAP 料样品。RAP 料堆不同深度取样位置见图3。

图3 RAP 料堆不同深度取样位置

3 预处理方法对RAP 性质的影响

3.1 各档RAP 质量分布

通过称取分离前后的各档RAP 质量，可获取各档RAP 比例，结果见图4。

图4 各档RAP 质量占比

对比分离前后各档RAP 质量占比可知，5 mm 以上3 档均被不同程度地破碎分离，其中15～25 mm档的比例下降10%，但是5～10 mm、10～15 mm 这2档受15～25 mm 档破碎影响，无法得出其真实比例，为此下文将细化至以每个筛孔尺寸为1 档来研究RAP 的油石比、结团率和结团组成。0～3 mm 档分离后的比例增加了33%，说明分离机通过高速离心所产生的剪切和研磨作用可以有效地将RAP 上裹覆的沥青胶浆剥离。

3.2 RAP 结团率

为评价通过精细化油石分离获得的RAP 结团程度，将分离后的各档RAP 料按照图4(b)所示比例混合均匀，再筛分成2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm 这5 档，然后进行抽提筛分。抽提后，每档RAP 样品的集料均不同程度地通过了抽提前粒径范围的下限，抽提损失率即定义为结团率。5 档RAP 集料的级配通过率见图5，结团率见图6。

图5 精细化油石分离各档RAP 料通过率

图6 分离后各档RAP 料结团率

由图6 可以看出，精细化分离后的各档RAP 料结团率随着粒径增大而增大；2.36～13.2 mm 这3 档的结团率较小，而13.2～19 mm 这2 档的结团率均在50%左右。原因可能是RAP 原材料由上、下面层同时铣刨，上面层沥青由于直接受到氧气、光照等自然因素与行车作用，虽然与下面层所用沥青材料一致，但是其老化程度却更大，沥青与集料裹覆性也更差，沥青变硬变脆，因此其分离效果更佳，结团率较小。下面层沥青受到上面层的保护作用，并不直接承受复杂的环境因素，老化程度小，沥青与集料黏附性更好，因此分离效果不佳，结团程度更大。再结合上、下面层混合料类型AC-13、AC-20 的最大公称粒径分别为13 mm、19 mm，可以得出13.2 mm 以上的结团在很大程度上应该是由中面层的AC-20 所构成。

3.3 RAP 结团组成

RAP 主要由旧沥青和旧集料组合而成，因此，RAP 结团组成也从这两方面入手。将精细化油石分离后的5 档RAP 料分别进行抽提和筛分，获取每档油石比以及分计筛余百分率，具体评价每档RAP 的构成。

3.3.1 油石比

图7 为精细化油石分离后各档RAP 料实物图。由图7 可见，粗集料表面的沥青胶浆已基本被剥离干净。

此外作者所在的独立三本学校的英语专业学生英语基础较薄弱，英语水平参差不齐，而且学习兴趣较差，极其缺乏自主学习能力。在英语授课中，作者发现大多数学生仍属于接受型学生，不主动思考问题，不主动问问题，不主动发言。长时间如此，经过四年的英语学习，大多数学生的英语水平不能达到应具备的英语专业八级能力。所以在具体实践中，作者选用了综合英语II中的其中一课Unit6 Wisdom of Bear Wood为例，应用了多元识读教学法设计了两课时的课，如表2所示。

图7 精细化油石分离后各档RAP 料样品

采用抽提试验获取各档RAP 油石比。分离前后的RAP 油石比见图8。

图8 分离前后RAP 油石比

原路面的整体RAP 油石比为4.07%，通过精细化油石分离后，粗RAP 料的油石比降低约1.23%～2.40%，其中5～10 mm、10～15 mm 这2 档更是降低到1.7%以下。油石比的降低在一定程度上表明RAP结团已被打开，这样可以减少实际生产拌和中RAP料因黏料而对升温的限制，适当提高RAP 料加热温度，从而有利于保障再生混合料的出料温度，这为粗RAP 料如同新集料一样直接添加在原生滚筒中的再生方式提供了可能。15～25 mm 档的油石比降低1.23%，原因可能是该档RAP 大部分由强结团构成，也可能是部分铣刨RAP 料混杂了水稳层材料，造成该档RAP 结团不同于其他档。3～5 mm 档的油石比降低2.18%，说明精细化油石分离不仅可以将RAP粗料进行有效破碎，还因为离心分离方式而使得3～5 mm 档的RAP 也得到了有效破碎。

3.3.2 粒径组成

不同粒径RAP 集料的分计筛余百分率见图9。

图9 不同粒径RAP 集料分计筛余百分率

由图9 可见，任意一档的最大筛孔尺寸分计筛余百分率均最大，除16～19 mm 档外均大于50%，说明经过精细化油石分离后的每档RAP 基本还是由该档的集料构成，这也从侧面说明了分离效果较好。另外，某档粒径的旧料颗粒主要是由2.36 mm 以上的集料和0.15 mm 以下的粉料结团而成，原因可能是精细化油石分离需要全粒径RAP 均通过离心分离，导致0.15 mm 以下的集料和矿粉有所增加。

4 RAP 存储条件研究

4.1 堆放高度和堆放时间对RAP 复结团的影响

经过精细化油石分离之后的5 档RAP 料中，大于5 mm 的粗料油石比较低，通过简单取样发现，大于5 mm 以上的精细化油石分离料不会产生复结团。因此，本节主要针对0～3 mm、3～5 mm 这2 档RAP 料进行研究。

精细化油石分离之后，不同堆高的RAP 料级配见图10。

图10 不同堆高RAP 级配

通过测定同一批铣刨料分离后堆放3、7、15、30 d的各档RAP 级配，探究不同堆放时间下RAP 复结团现象，结果见图11。

图11 不同堆放时间下的RAP 级配

由图11 可知，在所测试的4 个时间点内，5～10 mm、10～15 mm 这2 档RAP 级配基本没有波动。这是因为精细化油石分离以后，RAP 粗料油石比较低，因此堆放时间不会对RAP 粗料复结团造成影响。但是由于细料含油量较高，且粒径越小，比表面积越大，其表面能也越大，团聚几率同步增大，因此0～3 mm、3～5 mm 这2 档RAP 在堆放超过7 d 后出现复结团现象。另外，由于铣刨料来源不一、精细化油石分离RAP 分档较多以及堆场面积有限等问题，不建议堆放过长时间，否则极有可能出现混合堆放的情况。综合建议精细化油石分离RAP 后堆放时间不超过7 d。

4.2 含水率对分离混筛率的影响

采用不同含水率的RAP 料进行精细化分离处理，研究不同含水率RAP 的分离效果，采用混筛率来具体评价RAP 含水率对精细化分离设备的影响。分离后各档通过重新筛分来获取该档最小筛孔通过的质量，其筛下质量占总质量的百分比即为混筛率。

不同RAP 含水率下，精细化油石分离RAP 料的混筛率见表1。

表1 不同RAP 含水率下精细化油石分离RAP 料的混筛率单位：%

由表1 可知，当RAP 料的含水率大于3%时，会造成精细化油石分离设备筛孔堵塞，导致各档RAP料混筛严重，特别是10～15 mm 档RAP 料混筛率达到60%以上。当RAP 料含水率为1.71%时，在精细化油石分离后10～15 mm 档RAP 料的混筛率仍偏高，但3～5 mm 和5～10 mm 这2 档RAP 料的混筛率相对降低，仅为3%～4%。精细化油石分离设备对RAP 料含水率指标的要求较高，建议精细化油石分离前要控制RAP 料含水率在1.5%以内，在储存时建议室内封闭储存；含水率较大时采用摊铺晾晒方式来降低含水率，且检查精细化油石分离设备筛网是否通畅。