江 鋒

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430051)

瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限一般為15年，然而由于種種原因，大部分瀝青路面往往使用不到設(shè)計(jì)年限就會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害，影響行車舒適性，甚至危及行車安全。在對(duì)舊路面進(jìn)行維修整治過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量的舊路面回收材料(RAP)，針對(duì)這些RAP材料的處理目前仍以堆放為主，回收利用率不高，不僅污染環(huán)境，還會(huì)導(dǎo)致大量的RAP資源被浪費(fèi)[1]。

將RAP回收再生，重新用于路面的鋪筑中，是RAP變廢為寶的主要途徑[2]。但由于RAP存在級(jí)配變異性較大、拌和站加熱困難、性能下降過(guò)大等原因，目前在廠拌熱再生瀝青混合料中RAP摻量并不高，室內(nèi)試驗(yàn)研究大部分采用30%～50%，在實(shí)際工程中應(yīng)用更低，往往不到30%。針對(duì)RAP摻量超過(guò)50%的廠拌熱再生瀝青混合料性能研究仍鮮有報(bào)導(dǎo)[3-5]。如此低的RAP摻配率難以真正解決RAP資源利用問(wèn)題[6]。

因此，為減少優(yōu)質(zhì)集料的開采及使用，有必要進(jìn)一步提高廠拌熱再生瀝青混合料中RAP的摻量。鑒于此，本文通過(guò)分析可能導(dǎo)致RAP材料難以有效利用的影響因素，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施；通過(guò)室內(nèi)制備60%RAP摻量的瀝青混合料，研究其各項(xiàng)路用性能，為提高廠拌熱再生瀝青混合料中RAP摻量提供理論依據(jù)與試驗(yàn)基礎(chǔ)。并以湖北省某省道大修改造工程為依托，將60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料應(yīng)用于該工程路段下面層，以期為該技術(shù)推廣應(yīng)用提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料性能

1.1 再生劑

本文瀝青再生劑采用北京中咨維克路橋工程有限公司生產(chǎn)的HMZS-1型RA-1瀝青再生劑，主要由飽和分和芳香分含量較多的輕質(zhì)油構(gòu)成。其相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 RA-1瀝青再生劑技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，該再生劑符合JTG/T 5521-2019 《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》以下(簡(jiǎn)稱《再生規(guī)范》要求)。

1.2 新集料

由于本文擬設(shè)計(jì)AC-20型級(jí)配，而從RAP舊礦料篩分結(jié)果來(lái)看，其粒徑在9.5 mm以上的粗集料含量極少。因此，為了能夠設(shè)計(jì)出合理的級(jí)配，需添加粒徑為9.5～19 mm新集料。新集料采用石灰?guī)r，對(duì)新集料進(jìn)行性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 新集料技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，新集料各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足《再生規(guī)范》的技術(shù)要求，可用于熱再生瀝青混合料中。

1.3 回收舊集料

瀝青路面通常采用分層攤鋪，且各瀝青層級(jí)配不一。因此，為確保RAP中舊集料的級(jí)配不出現(xiàn)較大的變異性，在銑刨過(guò)程中建議采用分層銑刨的方式，將同一瀝青層混合料統(tǒng)一堆放，統(tǒng)一處理、利用[7]。本文RAP采用分層銑刨的方式獲取，通過(guò)相關(guān)資料可知舊瀝青層級(jí)配為AC-16，瀝青為殼牌70號(hào)道路石油瀝青。對(duì)銑刨料進(jìn)行隨機(jī)取樣共6個(gè)，抽提瀝青后測(cè)得舊瀝青含量平均值為5.2%，對(duì)剩余骨料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，測(cè)得各檔通過(guò)率見圖1。

圖1 RAP篩分曲線圖

由圖1可見，級(jí)配曲線整體相差不大，各檔級(jí)配通過(guò)率變異性較小，表明采用分層銑刨可以有效降低級(jí)配的變異性。同時(shí)，RAP級(jí)配曲線高于JTG F40-2018《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《施工規(guī)范》中)AC-16上限，表明RAP中舊集料出現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象，這是由于瀝青層在行車荷載反復(fù)作用下粗集料出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，同時(shí)在銑刨過(guò)程中可能存在一部分粗集料被打碎，從而導(dǎo)致RAP中粗集料含量降低，細(xì)集料含量增大，材料整體細(xì)化。

1.4 回收舊瀝青、新瀝青及再生瀝青

舊瀝青在環(huán)境等因素影響下慢慢老化，各項(xiàng)性能均出現(xiàn)不同程度的下降，因此有必要對(duì)舊瀝青剩余性能進(jìn)行檢測(cè)，以判斷其再生利用的可能性[8]。本文采用抽提試驗(yàn)進(jìn)行RAP舊瀝青的分離回收，對(duì)回收后的舊瀝青進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)分析，結(jié)果見表3。

試驗(yàn)中的新瀝青采用殼牌70號(hào)道路石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

本文在舊瀝青的再生過(guò)程中，控制再生劑的摻量為舊瀝青質(zhì)量的10%，再生后的瀝青性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 回收舊瀝青、新瀝青及再生瀝青性能檢驗(yàn)結(jié)果

由表3可見，舊瀝青軟化點(diǎn)較高，針入度與延度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，這說(shuō)明舊瀝青老化現(xiàn)象嚴(yán)重，需要進(jìn)行再生處理以恢復(fù)其使用性能。新瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合有關(guān)規(guī)范要求。RAP中回收的瀝青經(jīng)再生后，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足《施工規(guī)范》對(duì)目標(biāo)瀝青A-70號(hào)道路石油瀝青的技術(shù)要求，甚至較新瀝青指標(biāo)還有所提升，這進(jìn)一步表明該再生劑再生性能良好。

2 級(jí)配設(shè)計(jì)及拌和工藝研究

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

選取AC-20型級(jí)配，為避免RAP中舊瀝青對(duì)級(jí)配計(jì)算的影響，采用RAP抽提瀝青以后的篩分結(jié)果及新集料篩分結(jié)果進(jìn)行級(jí)配調(diào)整計(jì)算?？刂芌AP摻量為60%，新集料摻量為40%，最終合成級(jí)配見圖2。

圖2 合成級(jí)配曲線圖

采用馬歇爾擊實(shí)法確定該級(jí)配最佳油石比，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合《再生規(guī)范》中有關(guān)方法計(jì)算最佳油石比為1.2%。本文采用1.2%作為固定油石比進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.2 拌和設(shè)備

在路面實(shí)際應(yīng)用中，由于RAP含有老化的瀝青，直接明火加熱會(huì)造成老化瀝青碳化，因此廠拌熱再生RAP加熱往往通過(guò)攪拌的方式將新加集料的溫度傳遞至RAP中[9]。這一方式在RAP摻量較低，新料摻量較高時(shí)對(duì)RAP加熱作用效果較好，而當(dāng)RAP摻量提高后，新料所含熱量將無(wú)法滿足RAP充分加熱的要求，從而造成二者之間拌和效果不佳，進(jìn)而導(dǎo)致再生混合料性能不足。為避免這一現(xiàn)象發(fā)生，有學(xué)者提出采用第二烘干筒設(shè)備對(duì)舊RAP材料進(jìn)行預(yù)加熱處理。然而目前第二烘干筒技術(shù)在應(yīng)用及推廣過(guò)程中仍面臨不少問(wèn)題，如RAP加熱后會(huì)粘附于筒壁及運(yùn)輸管路中，易造成堵塞且難以清理，針對(duì)這一問(wèn)題，未來(lái)可通過(guò)在筒壁及運(yùn)輸管路中添加聚四氟乙烯涂層等其他類型“不黏涂層”，以及提高第二烘干筒位置、縮短其與攪拌筒之間的距離等方式解決。

本文主要目的在于對(duì)60%RAP摻量條件下廠拌熱再生瀝青混合料進(jìn)行性能分析，故采用將RAP預(yù)加熱的方式模擬第二烘干筒的作用。同時(shí)，為了研究RAP加熱溫度對(duì)再生混合料的性能影響，選取110，130，150 ℃ 3個(gè)不同的預(yù)加熱溫度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。

2.3 拌和工藝

廠拌熱再生瀝青混合料主要材料包括RAP、再生劑、新瀝青、新集料等，合理的拌和順序及拌和時(shí)間對(duì)再生瀝青混合料具有不可忽略的影響[10]。本文設(shè)計(jì)①再生劑→RAP→新瀝青→新集料；②再生劑→新瀝青→RAP→新集料2種不同拌和順序、在120 s與180 s 2種不同拌和時(shí)長(zhǎng)下，分析60%RAP摻量條件下廠拌熱再生瀝青混合料拌和順序及時(shí)間對(duì)其性能的影響。

3 路用性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

分別采用車轍試驗(yàn)、殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)及小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)60% RAP摻量條件下廠拌熱再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能及低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.1 高溫穩(wěn)定性

由表5可見，同一預(yù)加熱溫度、同一拌和時(shí)間條件下，第一種拌和順序動(dòng)穩(wěn)定度值均高于第二種拌和順序，表明優(yōu)先將再生劑與RAP拌和有助于提高再生瀝青混合料的高溫性能，這是因?yàn)樵偕鷦┫扰cRAP混合可以使其和舊瀝青更好地結(jié)合，舊瀝青再生效果更優(yōu)，瀝青的流動(dòng)性能加強(qiáng)，有利于提高熱再生瀝青混合料的和易性，從而表現(xiàn)出更好的高溫穩(wěn)定性能。

在同一預(yù)加熱溫度、同一拌和順序條件下，經(jīng)過(guò)180 s拌和的熱再生瀝青混合料較僅拌和120 s的熱再生瀝青混合料高溫性能要好，表明拌和時(shí)間的延長(zhǎng)能夠使再生劑的再生效果進(jìn)一步發(fā)揮，促進(jìn)新舊瀝青之間的融合，因此適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)廠拌熱再生瀝青混合料的拌和時(shí)間對(duì)提高其高溫穩(wěn)定性能具有一定的作用。

在同一拌和順序、同一拌和時(shí)間條件下，RAP預(yù)加熱溫度越高，廠拌熱再生混合料高溫穩(wěn)定性能越好，且當(dāng)預(yù)加熱溫度達(dá)到130 ℃時(shí)，其高溫穩(wěn)定性能增長(zhǎng)迅速，表明RAP材料普遍使用的預(yù)加熱溫度110 ℃難以發(fā)揮其真正的高溫特性。

同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果還表明，盡管RAP摻量為60%，但混合料動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果仍能滿足《施工規(guī)范》要求。

3.2 水穩(wěn)定性能

由表5可見，RAP預(yù)加熱溫度、拌和順序及拌和時(shí)間對(duì)廠拌熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響規(guī)律與其高溫穩(wěn)定性影響規(guī)律一致。其中RAP預(yù)加熱溫度為110 ℃時(shí)，混合料凍融劈裂強(qiáng)度比值接近規(guī)范下限，表明RAP預(yù)加熱溫度對(duì)其水穩(wěn)定性能影響極大，在生產(chǎn)施工過(guò)程中需格外重視。

3.3 低溫抗裂性能

從表5低溫彎曲小梁試驗(yàn)結(jié)果可以看出，60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料低溫抗裂性能普遍較差，其中在RAP預(yù)加熱溫度為110 ℃、拌和順序?yàn)榈谝环N、拌和時(shí)間為120 s的情況下，其最大彎拉應(yīng)變僅1 962.3×10-6，低于規(guī)范不低于2 000×10-6的要求。這一結(jié)果表明，在良好的拌和工藝前提下，仍需重點(diǎn)關(guān)注60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料低溫性能。

4 工程應(yīng)用

4.1 拌和樓改造

為解決RAP加熱不充分、不均勻等問(wèn)題，本項(xiàng)目拌和樓在原有間歇式拌和樓的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)高位第二烘干筒設(shè)備。該設(shè)備可以有效去除RAP材料中的水蒸氣，以及加熱過(guò)程中RAP中輕質(zhì)油分揮發(fā)產(chǎn)生的“藍(lán)煙”。第二烘干筒與攪拌缸之間通過(guò)密封管道連接，管道表面添加聚四氟乙烯涂層，長(zhǎng)度較短、高差較大，可有效避免RAP加熱后輸送過(guò)程中熱量的喪失及管道黏料堵塞的現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 拌和樓拌和工藝

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，確定本項(xiàng)目RAP材料在第二烘干筒加熱溫度為130 ℃，總拌和時(shí)間為180 s，采用先加入再生劑與RAP材料充分混合料，再添加新集料攪拌，最后再添加新瀝青的攪拌順序。

4.3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

對(duì)施工試驗(yàn)段進(jìn)行壓實(shí)度、平整度、滲水系數(shù)等性能檢測(cè)，結(jié)果見表6。

表6 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

由表6可見，各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果均滿足有關(guān)規(guī)范要求，表明60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料能夠滿足道路使用的基本要求，可應(yīng)用于工程實(shí)際。該試驗(yàn)路段通車1年以后，路面未出現(xiàn)車轍、裂縫等明顯病害，平整度等性能均表現(xiàn)良好，表明60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料具有一定的耐久性能，值得推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析認(rèn)為阻礙廠拌熱再生瀝青混合料摻量提高的主要影響因素有RAP材料預(yù)加熱溫度、拌和料添加順序、拌和時(shí)間3種，并針對(duì)這3種因素設(shè)計(jì)60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料試驗(yàn)方案，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論。

1) 可通過(guò)分層銑刨的方式降低RAP級(jí)配的變異性，通過(guò)添加再生劑等方式恢復(fù)甚至提高RAP的各項(xiàng)性能，進(jìn)而達(dá)到提高廠拌熱再生瀝青混合料中RAP摻量的目的。

2) 在實(shí)際工程中，采用新料熱傳遞的方式難以使RAP充分加熱，因此在RAP摻入之前，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)加熱，可通過(guò)添加第二烘干筒等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，但仍需針對(duì)RAP易堵塞運(yùn)輸管等問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)；同時(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)證明預(yù)加熱溫度宜選擇130～150 ℃之間。

3) 試驗(yàn)證明60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料拌和時(shí)間宜延長(zhǎng)至180 s，拌和順序應(yīng)優(yōu)先將再生劑與RAP拌和，再依次加入新瀝青、新集料進(jìn)行。

4) 在拌和工藝良好的情況下，60%RAP摻量廠拌熱再生瀝青混合料各項(xiàng)路用性能均能夠滿足規(guī)范要求，表明如此高的RAP摻量用于生產(chǎn)實(shí)踐中具有一定的可行性。

5) 依托工程路面使用性能試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，進(jìn)一步證明60%RAP摻量廠拌熱再生技術(shù)可用于工程生產(chǎn)實(shí)踐。