RAP旧料在沥青路面预防性养护中全比例应用的理论分析与探讨

韩文珍,秦栋华

(1.山西辰润交通科技有限公司,山西 晋中 030600;2.山西路桥第六工程有限公司,山西 晋中 030600)

0 引 言

随着《公路沥青路面预防养护技术规范》(JTG/T 5142-01—2021)2021年12月1日起施行以来,微表处由于其开放交通快、施工方便、可综合改善路面,具有造价低廉等优势,已经成为目前应用最广泛的路面预防养护技术之一。再生沥青混合料,又称RAP(Reclaimed Asphalt Pavement的缩写),目前在工程中应用愈来愈广泛,基于旧料精细分离工艺,将RAP与微表处结构高效融合,实现旧料的100%再利用,可以在保证微表处结构路用性能的前提下,极大降低微表处结构工程造价,极具发展前景,面对有限的养护资金和更高的固废循环利用水平,开展全比例RAP微表处结构技术的研究,解决沥青路面材料高效再生利用关键技术瓶颈,走在RAP理论前沿、占据RAP创新高点、取得RAP产业优势,是提高沥青路面预养护能力的新举措。

1 微表处结构与RAP高效融合的技术瓶颈

国内外对于微表处结构技术已进行了系统性的研究,在材料组成设计、性能评价、施工工艺等方面取得大量研究成果,该项技术已成为我国沥青路面最主要的预防养护技术之一,尤其可大幅提升路面的综合性能。目前,虽然有学者尝试在微表处结构混合料中掺加RAP,但是旧料掺量有限,一般不超过50%,而且微表处结构混合料质量表现出不稳定性,现有研究未能从材料源头控制高比例旧料微表处结构混合料质量变异性。在保证微表处结构混合料性能的前提下,如何实现旧料的100%再利用,面临以下亟待解决的问题。

1.1 对废旧沥青路面材料精细分离工艺与装备研究不足

废旧沥青路面材料中石料与沥青相互裹覆,黏结成团粒结构,因此旧料并不是单一的颗粒物,而是一种混合颗粒,往往旧料中的一个颗粒是由许多较细颗粒黏聚而成。因此,旧料的矿料级配和沥青用量存在较大的波动性,会显著影响微表处结构混合料级配和油石比的稳定性,材料组成设计的不均匀容易诱发微表处结构出现剥落、水损等病害。实现旧料中的油石分离,可以精确确定旧料的级配和油石比,从源头上为全比例RAP微表处结构奠定坚实的基础,但该技术与相关装备尚有待开发。

1.2 未能建立全比例微表处结构混合料材料组成设计方法

全比例RAP微表处结构混合料材料组成包括旧料、水泥、改性乳化沥青、再生剂等,由于全比例旧料和再生剂的加入,全比例RAP微表处结构混合料与常规微表处结构混合料组成设计存在许多差异。例如,旧料分档尺寸和比例的确定、再生剂用量的确定、由于旧沥青存在而导致的乳化沥青用量的确定等,这都需要进行系统理论研究和工程实践,才能提出满足工程实际需求的全比例RAP微表处结构混合料材料组成设计方法。

1.3 全比例微表处结构混合料路用性能及长期性能有待验证

在微表处结构混合料中用RAP完全替代石料,由于大量旧沥青的存在,可能会对微表处结构混合料的水稳定性、抗裂性、长期性能等产生不利影响,100%RAP对微表处结构混合料性能的影响尚不确定,以及微表处结构混合料在高速公路路面中的适应性也缺乏研究。通过室内试验研究全比例RAP微表处结构混合料性能,为全比例RAP微表处结构技术在高速公路中的应用提供技术支持,进一步提高旧料循环利用水平,达到降低微表处结构混合料材料成本的目的。

2 关键技术问题分析

针对以上微表处结构与RAP高效融合的全国性的3个技术瓶颈,提出需解决的3个关键技术问题,具体如下。

2.1 旧料的掺配比例达不到100%

当前有研究人员提出将RAP应用于微表处结构混合料中,RAP中含有一些高品质集料,如沥青表面层中坚硬、耐磨、抗滑的玄武岩集料,可用于表面磨耗层,将含有玄武岩的RAP材料用于微表处结构混合料,既可以发挥旧料作用,还可以降低材料成本。但是受限于旧料矿料集配和沥青含量的不均匀性,微表处结构混合料中旧料的掺配比例一般不超过50%。在2022年之前的公路沥青路面相关工程实践中,完全获得成功的旧料掺配最大比例为80%[1,2],有关科研机构曾将比例扩大至85%及以上,但是否完全成功仍有待于工程实践验证。RAP材料是集料和沥青的混合物,石料与沥青相互裹覆,黏结成团粒结构,尤其在细料中表现最为明显。因此旧料并不是单一的颗粒物,而是一种混合颗粒,往往旧料中的一个颗粒是由许多较细颗粒黏聚而成,因此旧料的级配组成和沥青用量存在较大的波动性。由于旧料团状颗粒性质,往往会影响再生混合料质量的稳定性。尤其对于高比例旧料再生,极易引发再生路面出现局部性损坏。因此,为有效减小旧料的变异性,国内外通常的做法都是限制旧料在混合料中的的最大添加比例,但这也降低了旧料的资源化利用水平[3,4]。

2.2 RAP精细分离工艺与装备研发

掺RAP的微表处结构混合料生产中,旧料仍然是团状颗粒结构,旧料的真实级配和油石比难以确定,存在较大的变异性,尤其对于高比例RAP微表处结构,其质量难以得到保证。将旧料中的沥青和石料进行分离,可以有效确定旧料的级配组成,可大幅降低高比例甚至全比例RAP微表处结构级配的变异性,提高全比例RAP微表处结构质量。研发旧料油石物理分离工艺与装备是实现全比例RAP微表处结构的基础。

2.3 全比例RAP微表处结构混合料组成设计体系构建

全比例RAP微表处结构混合料组成设计体系包含RAP矿料级配的确定、再生剂的选择及用量的确定、乳化沥青的选择及用量的确定等,建立科学合理的材料组成设计方法将直接决定全比例RAP微表处结构混合料的整体结构与性能。而构建全比例RAP微表处结构混合料性能评价体系,可为该项技术的适用性分析提供判别依据。

3 创新点及研究技术路线分析

基于以上3个关键技术问题,提出创新点及研究技术路线。

3.1 创新点分析

基于旧料的团状颗粒性质,提出旧料中油石物理分离机理与作用方式,在充分认识旧料材料特征和微表处结构技术特点的基础上,开展基于精细分离的全比例RAP微表处结构应用技术研究。通过装备研发、理论突破、设计优化和工艺提升等,将旧料与微表处结构技术高效融合,在保证微表处结构混合料路用性能的基础上,实现旧料100%再利用,进一步降低微表处结构材料成本,同时提升旧料的循环利用水平,具有显著的经济、技术、环保效益。

(1)经济性分析

①理论预期可节省乳化沥青用量20%以上。

②理论预期可节省90%～100%优质石料。

(2)技术性分析

①理论预期全比例RAP微表处结构混合料技术性能显著满足规范要求。

②理论预期全比例RAP微表处结构噪音相比传统微表处结构降低10%左右。

③理论预期集料与乳化沥青配伍性得到有效提升。

(3)环保性分析

①完全符合我国“十四五”以来有关加强建筑垃圾和固体废料处置、推进循环利用及资源全面节约、《交通强国建设纲要》关于“提高资源再利用和循环利用水平”的相关要求,高度契合智慧公路、清洁能源、新基建交通等的相关趋势。

②项目实施约束条件少、周期短、进度快,实施方便,应用示范可行性强。环保参数见表1。

3.2 研究技术路线

首先在分析旧料材料团状颗粒性质的基础上,研发旧料的精细分离设备和工艺,实现油石分离,极大降低旧料级配组成的变异性,为后续全比例RAP微表处结构技术研发奠定坚实基础;然后,开展全比例RAP微表处结构混合料材料组成设计方法研究,重点解决RAP性质的评价与质量控制、全比例RAP微表处结构混合料配合比设计方法、全比例RAP微表处结构混合料耐久性等关键技术问题;最终通过修筑试验路,建立全比例RAP微表处结构质量控制方法及质量评价体系,并量化全比例RAP微表处结构技术的经济效益。

4 主要研究内容分析

基于以上创新点及研究技术路线,提出主要研究内容。

4.1 全比例RAP微表处结构混合料材料组成设计及性能研究

(1)RAP性质的评价与质量控制

基于微表处结构材料特征,研究RAP中旧沥青性能、集料性质对微表处结构混合料施工性能和路用性能的影响规律,确定关键影响参数,提出适宜微表处结构混合料的RAP旧沥青和集料的质量控制参数。

(2)全比例RAP微表处结构混合料配合比设计方法

基于RAP旧沥青性能,提出全比例RAP微表处结构混合料再生剂使用的判断依据及再生剂掺量确定方法;研究乳化沥青用量、矿料级配、旧沥青性质等材料组成因素对全比例RAP微表处结构混合料施工性能和路用性能的影响,通过敏感性水平分析提出材料组成设计的关键控制标准,根据研究结果,提出全比例RAP微表处结构混合料配合比设计程序。

(3)全比例RAP微表处结构混合料耐久性能验证

通过改进现有试验方法与开发新的试验方法相结合的方式,从水稳定性(长期浸水、冻融循环等)、耐磨耗性(磨耗损失)及抗滑性3个方面对全比例RAP微表处结构混合料耐久性能进行评价,同时与全新料微表处结构混合料进行对比分析;基于耐久性试验结果,进一步优化全比例RAP微表处结构混合料的材料组成设计。

4.2 全比例RAP微表处结构施工质量控制体系建立

通过全比例RAP微表处结构试验路铺筑,进行性能、噪音等跟踪检测,验证混合料配合比,从原材料生产、拌和、摊铺、养护等环节提出过全比例RAP微表处结构混合料施工全过程的质量控制要点和技术要求,建立全比例RAP微表处结构质量控制方法及质量评价体系。

4.3 全比例RAP微表处结构经济效益分析

采用合理的经济分析方法,通过试验路铺筑情况,对比研究全比例RAP微表处结构与全新料微表处结构的经济性;综合分析全比例RAP微表处结构技术在节省优质石料用量、节约乳化沥青用量等方面的经济优势,为该项技术在实体工程中的推广应用提供支撑。

4.4 RAP精细分离工艺与装备研发

(1)旧料团状颗粒性质研究

研究旧料中矿料级配、沥青含量和沥青性能的变化规律和差异性,分析旧料结团性特征;揭示旧料中沥青含量与粒径的分布特性;在此基础上,提出旧料中油石物理分离机理与作用方式。

(2)旧料分离工艺与装备研究

研究提出旧料中的沥青物理分离工艺,基于此开展旧料中的沥青物理分离设备配置研究,通过不同分离参数下各档料沥青含量与级配、集料形态等油石分离效果评价,研究确定油石分离加工的合理参数,以及适宜微表处结构级配的旧料分档尺寸。

(3)旧料破碎与筛分技术研究

分析旧料油石分离前不同破碎方式的机理与性能,确定适合分离旧料中沥青的破碎方式;基于混合料特性的材料分级研究,确定旧料振动筛配置与标准筛孔;研究提出旧料振动筛分过程中细集料防堵理论与方法。

5 结 语

综上述,基于精细分离的全比例RAP微表处结构技术,理论上讲,可实现RAP与微表处结构的高效融合,提升RAP的循环利用水平,具有显著的经济、技术、环保效益,应用前景广阔,下阶段需大量的室内试验与室外检测等实践来验证理论分析,如果理论、实践两者相符,能够解决上述全国性的技术瓶颈问题,关键技术应用成功,按照既定研究路线一一验证研究内容。