李 泉 ，吳超凡 ，方 楊，鐘夢武 ，黃紅明，韓慶奎

(1.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007;2.佛山交通科技有限公司，廣東 佛山528042；3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

1 概述

截至2019年底，中國公路總里程已達(dá)484.65萬km，其中高速公路達(dá)14.26萬km，居世界第一，而且瀝青路面已成為新舊路面建設(shè)的主要形式，占路面比例為20%左右，尤其在高等級(jí)路面中瀝青路面占到90%以上[1-2]。“十三五”期是我國公路加快成網(wǎng)關(guān)鍵時(shí)期，逐步進(jìn)入了建、養(yǎng)并重的時(shí)期，并大力推廣綠色公路建設(shè)，致力于廢舊道路材料的再生利用，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型公路交通行業(yè)。然而廢舊道路材料的循環(huán)利用率不足30%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家90%以上利用率的水平，遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)“十三五”規(guī)劃的目標(biāo)，大多被隨意丟棄或掩埋，造成不可再生資源浪費(fèi)嚴(yán)重，亦對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一系列的破壞，在即將到來的“十四五”規(guī)劃中產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)依然將會(huì)是重點(diǎn)內(nèi)容之一[3]。近年來國家對(duì)自然生態(tài)保護(hù)要求步步提髙，在加強(qiáng)山、水、 林、 田 、湖、草和自然保護(hù)區(qū)保護(hù)力度的同時(shí)，提出了生態(tài)保護(hù)紅線；隨著近20 a來道路建設(shè)的發(fā)展與投入，碎石使用數(shù)量不斷加大，使得原生石礦被過度開采，是造成生態(tài)破壞的原因之一，作為一種不可再生資源已將不能滿足道路建設(shè)發(fā)展的需求[4-6]。在國內(nèi)，廢舊資源再生技術(shù)已逐漸得到重視，尤其是針對(duì)RAP的廠拌熱再生技術(shù)已逐步成熟，但也存在使用層次的局限性，廠拌熱再生瀝青混合料主要用于路面中下面層中，在上面層應(yīng)用較少，尤其是在上面層SMA-13瀝青混合料中很少開展再生研究與應(yīng)用[7-8]。

本文研究依托于佛山一環(huán)西拓舊路改造項(xiàng)目，在白金線右幅k38+260～k39+260上成功實(shí)施了1 km上面層廠拌熱再生SMA-13示范路段。本文通過對(duì)舊路面RAP分層回收與處置、舊瀝青回收與再生試驗(yàn)、再生劑摻量確定、再生SMA-13配合比設(shè)計(jì)與其路用性能的對(duì)比研究，確定了廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料用于路面上面層的可行性，并在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制再生劑添加、RAP加熱溫度與拌合溫度，保證混合料質(zhì)量，使廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料成功應(yīng)用于高等級(jí)路面上面層，再生路面質(zhì)量優(yōu)異。

2 材料試驗(yàn)

2.1 新集料與填料

粗集料采用廣西友信輝綠巖，其規(guī)格為9.5～13.2(輝1#)、4.75～9.5(輝2#)、2.36～4.75 mm(輝3#)；細(xì)集料采用廣西磊石石灰?guī)r，規(guī)格為0～2.36 mm(石4#)；填料采用石灰?guī)r礦粉與普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)與篩分結(jié)果見表1與表2。

表1 新集料與填料技術(shù)指標(biāo)Table 1 The technical indexes of new aggregates and fillers類別壓碎值/%洛杉磯磨耗損失/%與瀝青的黏附性/級(jí)表觀相對(duì)密度輝1#輝2#輝3#石4#水泥礦粉試驗(yàn)結(jié)果13.87.452.9402.9422.9412.7073.1462.729技術(shù)要求≤20≤245 ≥2.6≥2.5類別吸水率/%針片狀顆粒含量/%輝1#輝2#輝3#石4#輝1#輝2#細(xì)集料砂當(dāng)量/%細(xì)集料棱角性/s試驗(yàn)結(jié)果0.70.91.10.92.43.57845技術(shù)要求 ≤2.0≤10≤15≥65≥30

表2 集料篩分結(jié)果Table 2 The results of aggregate screening材料通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075輝1#10089.83.950.40.40.40.40.40.40.1輝2#10010097.97.00.80.40.40.40.40.1輝3#10010010078.75.62.52.52.52.50.3石4#10010010099.978.259.142.427.120.915.4水泥10010010010010010010010010097.5礦粉10010010010010010010010097.692.0

2.2 新瀝青

新瀝青采用殼牌SBS改性瀝青，其SBS摻量為4.5%～5%，技術(shù)指標(biāo)見表3。

2.3 RAP

本依托工程舊路面上面層膠結(jié)料為SBS改性瀝青，中、下面層膠結(jié)料為70#重交瀝青，為控制RAP變異性和保證RAP性能的穩(wěn)定，將上面層改性RAP與中、下面層重交RAP分開銑刨回收與堆放。將上面層改性RAP破碎篩分成22～32(RAP1#)、11～22(RAP2#)、6～11(RAP 3#)與0～6 mm(RAP 4#)4檔規(guī)格。為更好地進(jìn)行再生SMA-13瀝青混合料的級(jí)配合成與質(zhì)量控制，僅采用RAP3#進(jìn)行廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料研究與應(yīng)用，RAP3#的抽提篩分結(jié)果與其相關(guān)性能試驗(yàn)見表4與表5。由表5可得RAP3#的礦料指標(biāo)滿足上面層材料技術(shù)要求。

表3 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 3 The technical indexes of SBS modified asphalt試驗(yàn)項(xiàng) 目25 ℃針入度/0.1 mm針入度指數(shù)PI5 ℃延度/cm25 ℃彈性恢復(fù)/%軟化點(diǎn)/℃135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)閃點(diǎn)/℃25 ℃相對(duì)密度TFOT試驗(yàn)后質(zhì)量變化/%針入度比/%5℃延度/cm技術(shù)要求40-55≥0≥20≥90≥70≤3≥230實(shí)測-1.0～+1.0≥65≥15試驗(yàn)結(jié)果480.772596.088.02.453011.03-0.0779.317

表4 RAP材料抽提試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of rap material extraction test規(guī)格油石比/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075RAP3#3.710010085.228.222.718.614.711.59.67.7

表5 RAP礦料技術(shù)指標(biāo)Table 5 The technical indexes of rap ore類別RAP3#中的礦料壓碎值/%表觀相對(duì)密度吸水率/%試驗(yàn)結(jié)果18.12.724 0.65技術(shù)要求≤20≥2.6≤2

2.4 再生劑

采用湖南云中再生科技RA-YZ02滲透型再生劑，其具有很強(qiáng)的滲透性，附在舊瀝青表面時(shí)能對(duì)舊瀝青滲透再生，技術(shù)指標(biāo)見表6。由表6可得該再生劑芳香分含量高，可有效補(bǔ)充老化瀝青中缺失的輕質(zhì)組分，使得瀝青由老化后的凝膠型向再生后的溶膠-凝膠型轉(zhuǎn)變。

表6 RA-YZ02型再生劑技術(shù)指標(biāo)Table 6 The technical indexes of RA-YZ02 regenerant類別60 ℃黏度/cSt閃點(diǎn)/℃飽和分含量/%芳香分含量/%薄膜烘箱試驗(yàn)前后黏度比薄膜烘箱試驗(yàn)前后質(zhì)量變化/%15 ℃密度/(g·cm-3)質(zhì)量指標(biāo)176-900≥220≤30實(shí)測記錄≤3≤4,≥-4實(shí)測記錄試驗(yàn)方法T0619T0633T0618T0618T0619T0609T0603實(shí)測結(jié)果305.822419511.18-1.701.017

3 舊瀝青再生

SBS改性瀝青老化主要包括兩個(gè)方面：一方面是其SBS改性劑的老化降解，其聚丁二烯嵌段上的C=C雙鍵在老化過程中部分發(fā)生斷裂或氧化；另一方面是其基質(zhì)瀝青氧化硬化，輕質(zhì)組分減少，瀝青分子量增大。針對(duì)改性舊瀝青再生，再生劑無法修復(fù)其斷裂的C=C雙鍵，其再生的目的是將改性舊瀝青中的基質(zhì)瀝青4組分比例調(diào)和到新瀝青的標(biāo)準(zhǔn)，使再生后的針入度指標(biāo)達(dá)到新瀝青的指標(biāo)要求，并在生產(chǎn)過程中新瀝青與再生瀝青融合再生，使融合再生后的瀝青指標(biāo)滿足規(guī)范要求[8-13]。本試驗(yàn)中采用的殼牌SBS改性瀝青，其具有高SBS改性劑摻量與高技術(shù)指標(biāo)參數(shù)等特點(diǎn)，適合于改性瀝青再生應(yīng)用。舊瀝青再生試驗(yàn)見表7。由表7可得回收后的舊瀝青針入度指標(biāo)為25(0.1mm)，舊瀝青老化嚴(yán)重，但RAP仍具有很好的再生價(jià)值；考慮到再生劑在生產(chǎn)過程中的損耗，其最佳摻量采用舊瀝青質(zhì)量的10%。

表7 舊瀝青再生試驗(yàn)Table 7 The old asphalt recycling test不同再生劑摻量/%25 ℃針入度/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃02566.043462.064060.084558.0105056.0改性瀝青4888.0

4 廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中SMA-13瀝青混合料級(jí)配范圍來源于“一環(huán)西拓舊路改造設(shè)計(jì)文件”。參考全新料SMA-13瀝青混合料確定的合成級(jí)配4.75 mm篩網(wǎng)通過率為25%，由于RAP3#中的礦料表觀相對(duì)密度與輝綠巖相比差異大，對(duì)25%RAP礦料摻量下再生SMA-13瀝青混合料進(jìn)配合比設(shè)計(jì)時(shí)，其合成級(jí)配4.75 mm通過率分別取25%與27%進(jìn)行級(jí)配合成，合成級(jí)配曲線見圖1。

圖1 再生SMA-13合成級(jí)配曲線圖

再生SMA-13瀝青混合料中RAP礦料摻量為25%，由表4可得RAP3#油石比為3.7%，因此混合料油石比中舊瀝青為0.93%，再生劑為0.09%[14]。根據(jù)確定的全新料SMA-13瀝青混合料油石比與SMA-13應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，再生SMA-13瀝青混合料油石比采用6.0%進(jìn)行馬歇爾指標(biāo)試驗(yàn)，其中混合料油石比中新瀝青為4.98%，纖維為外摻0.4%，馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表8。由表8可得再生SMA-13瀝青混合料采用級(jí)配二，即合成級(jí)配4.75 mm篩網(wǎng)通過率通過率為27%，油石比為6.0%時(shí)，其各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)要求，并由此可得SMA-13瀝青混合料中礦料合成表觀相對(duì)密度對(duì)其合成級(jí)配的影響，隨著礦料合成表觀相對(duì)密度的降低，合成級(jí)配4.75 mm篩網(wǎng)通過率需適當(dāng)提高，以滿足體積指標(biāo)要求。將新瀝青與再生瀝青按4.9∶1比例摻配后再生瀝青技術(shù)指標(biāo)見表9。由表9可得新舊瀝青融合再生后的技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 馬歇爾技術(shù)指標(biāo)結(jié)果Table 8 The index results of marshall technical再生SMA-13油石比/%最大理論相對(duì)密度空隙率/%穩(wěn)定度/kN毛體積相對(duì)密度飽和度/%礦料間隙率/%級(jí)配一6.02.5754.9 9.162.45072.017.4級(jí)配二6.02.5714.010.482.46876.116.7技術(shù)要求—3.0～4.5≥6.0—75～85≥16.5

表9 新瀝青與再生瀝青融合再生瀝青技術(shù)指標(biāo)結(jié)果Table 9 The asphalt technical index results of new asphalt and recycled asphalt fusion recycled試驗(yàn)項(xiàng)目針入度25 ℃/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃延度/cm舊瀝青2566.01再生瀝青(再生劑摻量10%)5056.013融合再生瀝青(油石比6.0%)5074.022技術(shù)要求40-55≥70≥20

5 路用性能驗(yàn)證

采用級(jí)配二進(jìn)行廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料路用性能試驗(yàn)，并與全新料SMA-13瀝青混合料路用性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表10，由表10可得再生SMA-13瀝青混合料路用性能優(yōu)異，其高溫抗車轍性能、抗水損穩(wěn)定性能與全新料SMA-13瀝青混合料性能指標(biāo)基本接近，其低溫抗裂能力略低于全新料SMA-13瀝青混合料，由于南方主要以高溫多雨天氣為主，屬于冬溫區(qū)，亦滿足其技術(shù)要求，驗(yàn)證了再生SMA-13瀝青混合料在路面上面層應(yīng)用的可行性。

表10 路用性能試驗(yàn)結(jié)果Table 10 The test results of road performance試驗(yàn)項(xiàng)目動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強(qiáng)度比/%低溫破壞應(yīng)變/με析漏/%飛散損失/%全新料SMA-1311 98192.493.43 3840.053.0再生SMA-1311 25591.793.92 7570.033.8技術(shù)要求≥5 000≥85≥80≥2 500≤0.1≤15

6 廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料工程應(yīng)用

依托于佛山一環(huán)西拓舊路改造項(xiàng)目，在白金線右幅k38+260-k39+260上進(jìn)行上面層廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料工程應(yīng)用。廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料在生產(chǎn)過程中主要對(duì)再生劑添加、RAP加熱溫度和拌合溫度等進(jìn)行監(jiān)控，以保證其生產(chǎn)質(zhì)量；在施工過程中參考全新料SMA-13施工工藝，并將其攤鋪、碾壓溫度提高5 ℃～10 ℃，以保證其施工質(zhì)量。

6.1 再生劑添加

將再生劑噴灑裝置呈半圓形安裝在再生加熱滾筒與再生儲(chǔ)料倉連接處，見圖2，并根據(jù)RAP每1h進(jìn)料量在操作系統(tǒng)中輸入相應(yīng)再生劑每1 h噴灑量，保證再生劑按所需摻量噴灑。RAP從再生加熱滾筒尾部落入再生儲(chǔ)料倉時(shí)再生劑均勻地噴灑在RAP表面，提高了再生劑與舊瀝青的接觸時(shí)間，使再生劑在RAP進(jìn)入攪拌缸前能對(duì)舊瀝青具有初步的滲透融合再生作用，并能在一定程度上提高再生劑的有效利用率。再生劑泵送系統(tǒng)匹配的再生劑黏度范圍為300～500 cSt，由表6可得再生劑噴灑溫度采用50 ℃～60 ℃。

圖2 再生劑噴灑位置簡圖

6.2 RAP加熱溫度

RAP經(jīng)再生加熱滾筒加熱過程中舊瀝青存在二次老化現(xiàn)象，其加熱溫度不宜過高，過低則影響再生劑再生效果、新舊瀝青融合效果和混合料拌合溫度等，通過提高新料溫度來保持混合料拌合溫度，拌合過程中會(huì)加深瀝青的老化，見表11。當(dāng)RAP的加熱溫度控制在140 ℃左右時(shí)，其舊瀝青二次老化比較輕微，亦可滿足再生劑、舊瀝青與新瀝青能充分混融，在礦料表面形成均勻的瀝青薄膜，保證拌合溫度。

表11 RAP加熱溫度試驗(yàn)結(jié)果Table 11 The test results of RAP heating temperatureRAP加熱溫度/℃RAP中再生瀝青針入度/(0.1 mm)新料加熱溫度/℃混合料中瀝青針入度/(0.1 mm)混合料拌合溫度/℃12048230451404720546180～1851604419043

6.3 SMA-13再生路面效果

SMA-13再生路面基本不滲水，芯樣密實(shí)，見圖3，構(gòu)造深度基本處于1.0～1.1，見圖4與圖5，壓實(shí)度在99%以上，見圖6。綜上可得，SMA-13再生路面質(zhì)量優(yōu)異，廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料完全可應(yīng)用于路面上面層，可大范圍推廣應(yīng)用。

圖3 再生路面芯樣

圖4 再生路面構(gòu)造深度檢測

圖5 再生路面構(gòu)造深度檢測結(jié)果

圖6 再生路面壓實(shí)度檢測結(jié)果

6.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料生產(chǎn)成本、施工成本與全新料SMA-13瀝青混合料基本一致，其經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在材料成本上的減少，見表12，可節(jié)省材料成本70元/t。該示范路段共實(shí)施廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料1 500 t，回收RAP367.5 t，共節(jié)省材料成本10.5萬元，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益顯著。

表12 經(jīng)濟(jì)效益分析Table 12 The analysis of economic benefit材料類型材料價(jià)格/(元·t-1)再生SMA-13/tSMA-13/t輝綠巖216.20.5270.726石灰?guī)r136.70.1040.123礦粉1600.0570.075RAP300.245—改性瀝青4 2800.047 10.057再生劑15 0000.000 9—水泥5000.0190.019成本/(元·t-1)—369.2439.2

7 總結(jié)

本文中對(duì)RAP 進(jìn)行了性能分析，并對(duì)再生劑與其對(duì)舊瀝青再生效果、廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料配比設(shè)計(jì)、路用性能、工程應(yīng)用效果與其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論。

a.RAP中舊瀝青也嚴(yán)重老化，但其性能指標(biāo)仍滿足再生的要求，具有很大的再生價(jià)值。

b.與全新料SMA-13瀝青混合料路用性能相比，2種混合料高溫性能與水穩(wěn)定性能基本接近，其低溫抗裂能力略低于全新料SMA-13瀝青混合料，由于南方主要以高溫多雨天氣為主，屬于冬溫區(qū)，亦滿足其技術(shù)要求，驗(yàn)證了再生SMA-13瀝青混合料在路面上面層應(yīng)用的可行性。

c.重點(diǎn)介紹廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料生產(chǎn)過程中再生劑噴灑位置與溫度、RAP的加熱溫度和混合料拌合溫度。

d.依托于佛山一環(huán)西拓舊路改造項(xiàng)目，成功在白金線右幅k38+260～k39+260上進(jìn)行了上面層廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料工程應(yīng)用，SMA-13再生路面質(zhì)量優(yōu)異。通過事實(shí)證明，廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料完全可應(yīng)用于高等級(jí)路面上面層，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益顯著，可大范圍推廣應(yīng)用。