王雪蓮， 胡林， 黃曉明

(1.廣州航海學(xué)院， 廣東 廣州 510330； 2.東南大學(xué) 交通學(xué)院)

瀝青路面是道路工程中一種重要的高等級(jí)路面類型，在中國(guó)已建成的高等級(jí)公路中的比例達(dá)到90%。隨著時(shí)間的推移，大部分瀝青路面已處于大、中修期。高速公路在翻修銑刨過(guò)程中產(chǎn)生大量的路面回收料，其回收再利用不僅可以減少新的筑路材料的開(kāi)采，避免廢舊混合料的堆積，保護(hù)環(huán)境，還能夠節(jié)約資源和能源消耗。1997年國(guó)際經(jīng)合組織(OFECOAD)發(fā)表《道路工程再生利用戰(zhàn)略》白皮書(shū)，指出RAP利用率為75%～100%，廠拌熱再生推廣使用比例最高。根據(jù)中國(guó)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工程瀝青路面的材料費(fèi)平均節(jié)約達(dá)到45%～50%。工程造價(jià)降低比例為20%～25%。而中國(guó)瀝青路面再生發(fā)展起步較晚，RAP利用率較低，尚處于經(jīng)驗(yàn)摸索水平，在中國(guó)公路大規(guī)模養(yǎng)護(hù)和改造背景下，瀝青混合料再生利用具有社會(huì)、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)等多方面效益。該文主要針對(duì)瀝青路面的再生利用，對(duì)廠拌熱再生開(kāi)展相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)瀝青混合料再生工藝和技術(shù)的應(yīng)用推廣具有重要意義。

1 廠拌熱再生瀝青混合料關(guān)鍵工藝參數(shù)分析

1.1 路面回收料RAP合理加熱溫度

在廠拌熱再生瀝青混合料施工工藝中，工藝參數(shù)的控制是保證生產(chǎn)質(zhì)量的重要因素。為了研究RAP加熱溫度對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響，試驗(yàn)中采用同一標(biāo)準(zhǔn)，即RAP摻配比例25%，瀝青用量4.3%，級(jí)配采用AC-20S再生瀝青混合料，進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.1.1 RAP加熱溫度對(duì)再生混合料高溫性能的影響

試驗(yàn)建立了RAP的預(yù)熱溫度與高溫性能指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 RAP不同加熱溫度下的再生混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知：當(dāng)RAP預(yù)熱溫度為90 ℃，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了2 000次/min以上；當(dāng)RAP溫度達(dá)到140 ℃時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了4 436次/min。混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)隨著RAP加熱溫度呈增大趨勢(shì)，高溫性能得到提高。試驗(yàn)表明：添加一定比例的RAP對(duì)混合料的高溫性能有所提高。

1.1.2 RAP加熱溫度對(duì)再生混合料空隙率的影響

再生瀝青混合料最關(guān)鍵的體積參數(shù)是空隙率，由于RAP的摻加，新舊料之間的融合不夠充分，拌和不均勻，再生混合料的體積參數(shù)空隙率會(huì)偏大。在車輛荷載作用下產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力，容易導(dǎo)致水損壞的發(fā)生。RAP的加熱溫度與再生混合料的空隙率關(guān)系如圖2所示。

圖2 RAP加熱溫度與再生混合料空隙率關(guān)系

由圖2可知：隨著RAP預(yù)熱溫度的升高，再生混合料的空隙率出現(xiàn)降低趨勢(shì)?？障堵试赗AP加熱溫度達(dá)到110～120 ℃下降的幅度加快。超過(guò)此溫度后，RAP中的瀝青能較好地軟化，與新瀝青新集料等材料之間的融合更充分，拌和更均勻，空隙被填充擠密。

1.1.3 RAP加熱溫度對(duì)再生混合料疲勞性能的影響

影響瀝青混合料疲勞性能的因素較多，如瀝青性質(zhì)及用量、集料特性及級(jí)配、混合料的空隙率等。通過(guò)疲勞試驗(yàn)得到的再生瀝青混合料疲勞壽命與RAP預(yù)熱溫度關(guān)系如圖3所示。

圖3 RAP加熱溫度與再生混合料疲勞壽命關(guān)系

由圖3可知：隨著RAP的加熱溫度升高，疲勞壽命出現(xiàn)較大幅度的提高。在溫度為90～120 ℃時(shí)，疲勞壽命的增長(zhǎng)幅度最大；當(dāng)RAP的加熱溫度為120～140 ℃時(shí)，疲勞壽命的增加幅度較小，間接反映出RAP在120 ℃已經(jīng)達(dá)到較好的分散。

1.2 廠拌熱再生工藝合理拌和順序

廠拌熱再生拌和中的材料主要包括RAP、新集料、新瀝青以及再生劑等。確定合理的拌和順序需要從各拌和材料的結(jié)構(gòu)、主要發(fā)揮的功能入手。在廠拌熱再生工藝中，為改善舊瀝青的性能，考慮添加一定比例的再生劑，其添加時(shí)機(jī)直接決定了再生劑與RAP融合的時(shí)間和融合的程度。

1.2.1 再生劑合理投料方式

該文設(shè)計(jì)了再生劑與RAP拌和、再生劑添加到新瀝青后與RAP拌和兩種不同投料方式的平行試驗(yàn)，采用某RA102型瀝青再生劑，其摻量比例為舊瀝青的10%，技術(shù)指標(biāo)如表1所示，同時(shí)設(shè)計(jì)拌和時(shí)間分別為60、90 s兩種情況。再生混合料的相關(guān)性能指標(biāo)如表2所示。

表1 某RA102型再生劑技術(shù)指標(biāo)

注：1 cSt=1 mm2/s。

從表2可以看出：在拌和時(shí)間相同條件下，再生劑添加到RAP中的再生混合料的高溫性能比再生劑添加在新瀝青中提高了近20%；再生劑與RAP拌和的再生混合料更加密實(shí)，空隙率更低。由此可見(jiàn)，再生劑應(yīng)該優(yōu)先與RAP拌和，對(duì)促進(jìn)RAP與新瀝青、新集料之間的充分拌和，提高拌和均勻性等起到了重要的作用，改善了再生混合料的性能。

表2 再生混合料性能指標(biāo)

1.2.2 拌和時(shí)間的影響

拌和時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)直接影響生產(chǎn)能耗及成本。國(guó)外學(xué)者Lee，t.c等通過(guò)化學(xué)粒子追蹤再生劑在RAP混合料中的融合，發(fā)現(xiàn)膠結(jié)料的融合需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。在實(shí)際的廠拌熱再生工藝中整個(gè)工藝流程的時(shí)間約為60 s。當(dāng)拌和時(shí)間由60 s提高到90 s時(shí)，再生混合料材料更加均勻密實(shí)，空隙率降低，高溫穩(wěn)定性指標(biāo)也所有提高，如表2所示。拌和時(shí)間的延長(zhǎng)可以促進(jìn)再生劑對(duì)舊瀝青的軟化和對(duì)瀝青質(zhì)的分解，促進(jìn)新舊料、新瀝青之間的充分融合，從而提高再生混合料的拌和均勻性和密實(shí)性。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該在保證材料充分拌和時(shí)間的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制拌和時(shí)間。

1.3 再生混合料存儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)

廠拌熱再生工藝中，新舊瀝青、新舊料之間的拌和時(shí)間較短，融合不充分，再生混合料的穩(wěn)定性、均勻性、密實(shí)性較差。采取短期儲(chǔ)存的方式，控制儲(chǔ)存環(huán)境參數(shù)，能較好地提高再生混合料的性能，同時(shí)也可有效解決因惡劣天氣、交通等因素導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)攤鋪的情況。

再生混合料的儲(chǔ)存試驗(yàn)主要通過(guò)儲(chǔ)存環(huán)境參數(shù)的控制，達(dá)到提高再生混合料性能的目的。主要的環(huán)境參數(shù)包括儲(chǔ)存時(shí)間、儲(chǔ)存溫度等。試驗(yàn)中將再生混合料同放入130 ℃烘箱內(nèi)分別保溫0、6、24和48 h，試件成型時(shí)將溫度調(diào)高至150 ℃，進(jìn)行劈裂強(qiáng)度及水穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 不同保溫時(shí)間的再生混合料劈裂強(qiáng)度

圖5 不同保溫時(shí)間的再生混合料水穩(wěn)定性

試驗(yàn)表明：短期儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)再生混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性有一定的提高。當(dāng)儲(chǔ)存保溫時(shí)間達(dá)到48 h時(shí)，其強(qiáng)度及殘留穩(wěn)定度值相較于24 h出現(xiàn)了明顯的降低。說(shuō)明儲(chǔ)存48 h后瀝青出現(xiàn)了較明顯的老化，瀝青和集料間的黏結(jié)強(qiáng)度降低。因此，再生混合料的儲(chǔ)存時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以不超過(guò)24 h為宜；儲(chǔ)存溫度不宜過(guò)高，以接近攤鋪時(shí)溫度為宜。

2 廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)相較于普通瀝青混合料在以下幾方面有著明顯的差異：① 需要確定RAP的合理?yè)脚浔壤?。一般用于廠拌熱再生工藝RAP的摻配比例為15%～30%；② RAP的加入影響再生混合料的最大理論密度等基礎(chǔ)參數(shù)；③ 再生劑的使用在于改善舊瀝青的性能，促進(jìn)新瀝青、RAP、新集料間的融合，在配合比設(shè)計(jì)中需要確定合理的再生劑摻配比例。

2.1 再生混合料最大理論密度確定

從再生混合料組成結(jié)構(gòu)看，可分為RAP、新集料、新瀝青3部分。在馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比時(shí)，對(duì)于不同油石比的馬歇爾試樣，變化的是瀝青用量，而RAP和新集料部分保持不變。因此，可以將再生混合料從組成上分為兩類：① RAP和集料；② 新瀝青。

基于實(shí)測(cè)-理論計(jì)算結(jié)合法確定最大理論密度， 該方法的思路是通過(guò)拌和同樣油石比的試樣，精確地實(shí)測(cè)最大理論密度，反推RAP和集料共同部分的理論密度，從而再采用計(jì)算的方法計(jì)算其他油石比下的混合料最大理論密度，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：γse為合成礦料有效相對(duì)密度；γti為RAP有效相對(duì)密度；p新瀝青為新瀝青占總礦料百分比；γt測(cè)為最大理論密度實(shí)測(cè)值。

試驗(yàn)中采用南京某市政工程公司提供的RAP材料，滿足工程要求的AC-25，分別試拌油石比為3.7%、4.0%、4.3%的馬歇爾試件各3組，控制設(shè)備環(huán)境參數(shù)，實(shí)測(cè)各個(gè)混合料的最大理論相對(duì)密度，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)實(shí)測(cè)的最大理論相對(duì)密度值按照式(1)反推出由RAP和新集料共同組成部分的有效相對(duì)密度、最大理論相對(duì)密度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 實(shí)測(cè)-計(jì)算法確定最大理論密度值

2.2 再生劑摻配比例的確定

廠拌熱再生工藝中，添加適當(dāng)比例的再生劑能對(duì)RAP中舊瀝青進(jìn)行調(diào)和和軟化，促進(jìn)新舊料及新瀝青間的融合，有效提高再生混合料低溫抗裂性。一般情況下添加較低比例再生劑有助于改善舊瀝青與集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度，極限荷載有增大的現(xiàn)象；但當(dāng)老化混合料中加入較大比例再生劑時(shí)，老化瀝青逐漸被軟化，再生混合料極限荷載逐漸降低。

試驗(yàn)中不添加新集料和新瀝青，再生劑分別設(shè)置0、3%、6%、9%、12%共5種比例，利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，采用環(huán)形加載試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，由表5可見(jiàn)再生劑的摻配比例為6%時(shí)，其極限荷載達(dá)到最大值。

表5 不同比例的再生劑環(huán)形加載極限荷載

3 廠拌熱再生瀝青混合料壓實(shí)特性

再生混合料在攤鋪碾壓過(guò)程中由于 RAP的添加，容易出現(xiàn)壓實(shí)不足、空隙率難以滿足規(guī)范要求。RAP添加比例越高，在同樣的工藝環(huán)境下，混合料壓實(shí)成型達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度所需的壓實(shí)功越大。

3.1 不同RAP摻量的再生混合料壓實(shí)特征

試驗(yàn)中采用摻加再生劑(10%)與不摻加再生劑兩種情況，分別設(shè)計(jì)RAP摻配比例為0、15%、25%、35%共4檔，集料級(jí)配及油石比同前。利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀記錄再生混合料壓實(shí)曲線，不摻加及摻加再生劑時(shí)混合料壓實(shí)曲線見(jiàn)圖6。

圖6 不同RAP摻配比例的混合料壓實(shí)曲線

對(duì)比添加再生劑與不添加再生劑的情況，發(fā)現(xiàn)添加再生劑時(shí)同等壓實(shí)功下，壓實(shí)度有一定比例的提高，隨著RAP摻量的增加，提高比例越大，再生劑的作用凸顯越明顯?？梢钥匆?jiàn)，在對(duì)舊瀝青的軟化調(diào)和以及促進(jìn)新舊瀝青間的融合方面，再生劑發(fā)揮明顯作用。

3.2 不同油石比的再生混合料壓實(shí)特征

在控制RAP摻量25%和集料級(jí)配條件下，變化油石比，再生劑摻量定為RAP中舊瀝青比例的10%。按照3.7%、4.0%、4.3%、4.6%及4.9%共5個(gè)油石比進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，觀察在壓實(shí)功相同條件下油石比的提高對(duì)壓實(shí)度和空隙率的影響情況(圖7、8)。

圖7 不同油石比下壓實(shí)曲線(再生劑10%)

圖8 空隙率與油石比關(guān)系曲線

由圖7、8可知：隨著油石比增大，壓實(shí)度增加，空隙率降低。

4 廠拌熱再生瀝青混合料性能綜合評(píng)價(jià)

廠拌熱再生混合料的性能指標(biāo)主要包括高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、耐老化性以及疲勞性能等。相關(guān)試驗(yàn)表明：添加一定比例的RAP，有助于提高再生混合料高溫性能，但再生混合料的水穩(wěn)定性、低溫性能、耐老化性會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降；RAP摻配比例較低時(shí)，再生混合料的疲勞性能有所增加，當(dāng)RAP摻配比例偏高時(shí)，再生混合料的疲勞性能出現(xiàn)明顯下降。

5 結(jié)論

針對(duì)廠拌熱再生工藝，研究了再生混合料的關(guān)鍵性工藝參數(shù)、配合比設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵性能指標(biāo)，得出如下結(jié)論：

(1) 隨著路面回收料加熱溫度的升高，再生混合料的疲勞壽命增長(zhǎng)，RAP最佳加熱區(qū)間為120～140 ℃。

(2) 采用再生劑與RAP先拌和后再與新瀝青及新集料拌和的工藝順序，可使再生混合料更密實(shí)、更均勻，高溫性能提高顯著。

(3) 混合料拌和時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，有利于各材料間的充分融合，在工藝環(huán)境許可條件下，建議將工藝拌和的時(shí)間延長(zhǎng)為60～90 s。

(4) 同等壓實(shí)條件下，隨著RAP摻量的增加壓實(shí)度提高；RAP摻量相同條件下，適當(dāng)提高油石比可以降低再生混合料的空隙率，提高壓實(shí)度。