沥青路面回收料结团特性的评价指标

2024-04-22李晓琴秦敬平

枣庄学院学报 2024年2期

杜茜，李晓琴，秦敬平，詹贺

(1.枣庄学院城市与建筑工程学院，山东枣庄 277160；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500；3.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

结团性和变异性是沥青混合回收料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的两大主要特性，再生沥青混合料的性能在很大程度上受RAP变异性的影响[1]。RAP结团导致材料的变异性增加，降低再生沥青混合料的RAP掺量。研究表明，RAP结团会造成RAP假粒径严重、级配变异性大，进而产生高掺量RAP再生级配不稳定问题，增大了热再生混合料组成设计的难度。当使用较高含量的RAP时，新旧沥青的相容性降低，RAP材料的变异性增加[2]。RAP的变异性受原路面交通荷载、不同路面沥青老化程度、材料组成、级配特性、铣刨设备、铣刨温度、路面湿度和路面层数等诸多因素的影响[3-5]。旧沥青路面经过铣刨后，老化沥青砂浆附着在RAP集料表面，导致大量含有老化沥青、矿粉和细集料的颗粒聚集形成RAP团粒。RAP结团不仅会增加再生沥青混合料的变异性，还会降低混合料的低温性能、疲劳性能和水稳定性[6-7]。

在RAP材料的结团特性评价方法研究方面，文献[8-9]提出了抽提损失率(PL)和稳定指数(w)来定量评价RAP的结团和稳定程度，并采用集料图像测量系统(AIMS)建立了RAP表观形貌与结团程度的关系，研究表明棱角度和球度可以有效反映RAP的结团程度。Bressi等[10-11]采用动态剪切流变仪(DSR)、环境扫描电子显微镜(ESEM)和能量色散X射线光谱仪(EDX)验证了再生沥青混合料中RAP的结团特征，分析了温度对RAP结团程度的影响，认为复数模量指标可以用来研究RAP的结团程度。Zaumanis等[12]提出了块指数、分解指数和填料增加指数3个指标来评估RAP的破碎和筛分效果，通过实体工程验证了所提评价指标在RAP评价领域的应用价值。然而这些RAP评价方法并未在国内普及，仍以经验性为主评价RAP材料的结团程度。

针对现有RAP结团程度评价指标缺乏、评价方法可靠度不高、无法在实际工程生产中快速应用的难题，基于不同粒径RAP的抽提筛分试验结果，采用结团颗粒比表面积、RAP抽提细化度、细度模数比、结团率等指标综合评价RAP结团程度，并分析各个指标的适用性，以期为RAP的破碎筛分效果评价提供指导。

1 试验

1.1 原材料

考虑不同因素对RAP结团程度的影响，包括RAP来源、级配类型和铣刨速度等因素，对不同类型RAP进行编号，分别记为RAP 1#、RAP 2#、RAP 3#、RAP 4#，原材料具体信息见表1。其中RAP 1#、RAP 2#分别对应不同的加工工艺，RAP 3#、RAP 4#为不同级配类型、不同铣刨速度的RAP料。

表1 不同来源的RAP原材料信息

1.2 试验方法

依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中T2705试验方法对RAP材料进行抽提筛分试验，RAP抽提前后的级配通过率见表1。

2 结果与讨论

鉴于目前RAP结团试验过程复杂、实验成本高，评价方法不能较好普及的问题，采用级配细化度、结团率、细度模数比等指标定量评价各档RAP的结团程度。这3个指标是表征颗粒材料基本组成的指标，较为清晰反映RAP结团颗粒的组成状态，可量化RAP的结团率。通过分析各个评价指标的适用性，构建了RAP结团综合评价体系。

2.1 RAP抽提细化度

RAP 1#抽提前后的级配通过率如图1所示。由图1可知抽提前RAP的级配整体偏粗，已偏离SMA-13沥青混合料的级配范围。抽提后的RAP集料虽发生明显的细化作用，但仍靠近SMA-13的级配曲线上下限，具有较强的可回收利用价值。

图1 RAP 1#抽提前后集料通过率

针对RAP抽提后级配细化的现象，采用RAP抽提细化度表征RAP的整体细化程度。RAP抽提细化度定义为RAP抽提前后级配曲线所围成的面积之和。在同等粒径范围对比条件下，不同RAP抽提前后围成的面积ds越大，表明RAP的结团程度越大。相应的计算式为：

(1)

式中：ds为RAP抽提细化度；αi为筛孔权重，筛孔边长为4.75、2.36和0.075 mm取2.0，其余筛孔边长取1.0；PDi为RAP抽提前，在第i档的级配通过率，%；Pdi为RAP抽提后，在第i档的级配通过率，%；PDi-1为RAP抽提前，在第i-1档的级配通过率，%；Pdi-1为RAP抽提后，在第i-1档的级配通过率，%。

采用式(1)计算四种RAP料的抽提前后细化度，结果见表2。

表2 四种RAP料抽提细化度

从表2可以看出，不同RAP料的抽提细化度存在较大差异。从SMA-13混合料来看，除了RAP 2#以外，RAP 1#、RAP 3#的抽提细化度均在270～300，表明不同来源RAP料的结团程度存在差异，在存储堆放过程中将会引起RAP整体变异性的增加。AC-20的抽提细化度在240～270，说明级配细化程度低于SMA-13。这与AC、SMA的级配组成和粒径密切相关，SMA-13沥青混合料具有粗集料、矿粉和沥青含量多的特点，冷铣刨后部分沥青胶浆结团颗粒紧密黏附在粗集料表面，引起抽提细化度偏大。

从不同铣刨速度的RAP抽提细化度来看，随着铣刨速度的增加，RAP的抽提细化度增加，这说明冷铣刨速度对RAP的结团程度具有一定的影响，结团程度随铣刨速度的加快而增加。此外，已有研究表明，冷铣刨速度增加，原路面集料的细化程度越大，因此根据RAP级配细化度的试验结果，建议通过控制合适的铣刨速度来降低RAP的结团程度和细化程度[13]。

RAP 1#和RAP 2#分成三档后，各档RAP的级配细化度均降低，RAP 2#中各档RAP的级配细化度均低于RAP 1#，说明RAP 2#材料的结团程度整体偏低。相比于分档前的RAP，分档后不同粒径的RAP在抽提前后所围成的面积较小，导致各档RAP的抽提细化度普遍偏低。RAP抽提细化度随集料粒径的降低而下降，意味着粒径较小的RAP料结团程度较低。该指标不适用于评价同一来源的不同粒径RAP的结团程度，仅适用于对比不同来源相同粒径范围RAP的结团程度。

2.2 细度模数比

细度模数通常应用于水泥混凝土中，用以评价砂的粗细程度，根据细度模数计算结果可将砂分为粗砂、中砂和细砂三类[6]。与RAP抽提细化度的概念相类似，认为RAP在抽提后发生了细化。根据RAP抽提前后的级配曲线分别计算出RAP和RAP集料的细度模数，采用RAP抽提前后的细度模数比(FMR)来定量评价RAP的结团程度[13-15]。

细度模数的表达式为：

(2)

FMR=fA/fR

(3)

式中：f为细度模数；fA为RAP抽提后集料的细度模数；fR为RAP的细度模数；U1、U2、U3，……为各筛孔的累计筛余百分数，U1为最大的筛孔；FMR为细度模数比。

细度模数的物理意义为在RAP的粒径范围内各个筛孔的累计筛余平均值，细度模数f越大表明RAP越粗，越小则表明越细。一般来说，RAP的整体级配偏粗，细度模数要高于RAP集料。FMR的范围为0～1，FMR越接近1，表明抽提前后两个级配的差异较小，RAP的结团程度越低；如果FMR越靠近0，则表明RAP的结团程度较大。选取与2.1节中相同的原材料计算细度模数，结果见表3。

表3 不同RAP的细度模数

从表3可以看出，RAP 1#和RAP 2#经过分档后，FMR均有所增加，这意味着分档在一定程度上降低了RAP的结团程度。从不同粒径的RAP细度模数比结果来看，基本遵循RAP粒径增加，细度模数比下降，结团率降低的趋势。

凌宏杰等[6]根据不同RAP细度模数比的试验结果，提出了高速公路就地冷再生用RAP的最小细度模数比为0.75，当RAP的FMR低于0.75时，则意味着RAP的结团程度较大，需要进行二次破碎筛分处理。根据试验结果，所有未进行破碎筛分RAP的FMR均低于0.75，说明未经破碎筛分处理的RAP均具有较大的结团程度，需要经二次破碎处理后方可进行使用。

细度模数指标可以反映各档RAP粗料的结团程度，不适宜评价RAP细料的结团程度，RAP细料大多是由沥青胶砂包裹的细集料和矿粉组成，其结团程度均较大。RAP细料的粒径范围较窄，计算细度模数值比RAP粗料偏小，导致RAP抽提前后细度模数相差不大。该指标认为RAP细料的FMR偏大，结团程度较小，与实际情况相反。但是，可以将细度模数比FMR作为铣刨后RAP料是否需要进行破碎筛分的控制标准，当RAP的FMR低于规定的临界值时，需要采取措施降低RAP的结团程度。

2.3 结团率

采用结团率定量分析RAP的结团程度，RAP结团率L是指每档RAP在抽提前后的通过率损失率，计算为：

L=PRAP-PRAP

(4)

式中：L为RAP结团率；PRAP为RAP集料的通过率；PRAP为RAP的通过率。通过率损失率越大，说明RAP材料结团情况越严重。

2.3.1 RAP结团颗粒组成

为了解RAP的结团特性，将RAP 1#和RAP 2#分为5组不同粒径的样品：16～13.2、13.2～9.5、9.5～4.75、4.75～2.36和2.36～1.18 mm。各档RAP集料的通过率见图2。

图2 不同粒径RAP集料级配通过率

从图2可以看出，RAP的通过率总是在其粒径小一档或者两档处发生较大变化，这意味着某一筛孔处RAP结团是由下一筛孔或者两档较细筛孔粒径的集料结团造成的。为了进一步验证此结论，计算RAP集料相邻两个筛孔通过率的差值，相邻筛孔通过率差值越大，并且差值大的筛孔数量越多，表明RAP的结团主要是由该筛孔处的集料团聚引起。图3列出了不同粒径RAP在各个筛孔处的通过率差值，当RAP的粒径高于4.75 mm时，小于其粒径的两档集料通过率变化较大；当RAP粒径低于4.75 mm时，小于其粒径的三档集料的通过率变化较大，说明影响RAP细料结团的粒径较多，这可能是引起RAP细料变异性增加的主要原因。

图3 不同粒径RAP集料相邻级配通过率差值

将不同粒径RAP相邻级配通过率的差值与较小的筛孔进行指数拟合，见图4，拟合参数见表4。

图4 不同粒径RAP集料相邻级配通过率差值-集料粒径指数拟合

表4 指数拟合函数的相关参数

由表4可以看出，除了RAP 1#的4.75～2.36 mm和2.36～1.18 mm将不同粒径RAP相邻级配通过率的差值与较小的筛孔的指数拟合的相关系数较低以外，其余拟合函数的相关系数R2均达到0.85以上，具有较好的相关性，说明提出的RAP结团是由小于其粒径两档或两档以上集料团聚引起的结论是合理的。相关系数较低的RAP分界线在粒径为4.75 mm处，当粒径大于4.75 mm时，通过率差值与筛孔尺寸具有较好的相关关系，说明RAP粗料的结团颗粒组成较为单一，结团颗粒主要是由低于其两档粒径的集料组成。然而RAP粒径小于4.75 mm时，结团颗粒组成较为复杂，结团颗粒主要是由低于其两档甚至三档粒径的集料和矿粉组成，其变异程度受多因素影响。由此可以得到RAP粗料和RAP细料的结团组成成分不同，为了尽量保证再生沥青混合料的均匀性，建议以4.75 mm为临界点，将RAP粗料和RAP细料分开使用。

2.3.2 各档RAP的结团率

筛分后的RAP在13.2、9.5、4.75、2.36和1.18 mm等筛孔处的通过率为0，将各档RAP进行抽提筛分测定级配通过率和油石比，抽提后RAP集料在上述筛孔处的通过率即为该档RAP的结团率。根据式(4)计算得到不同粒径RAP的结团率见图5，RAP结团率指标可以直观反映RAP结团主要集中的粒径范围。粒径范围低于4.75 mmRAP细料的结团程度均较高，验证了将4.75 mm作为RAP分级的临界筛孔是合理的。