鄒曉勇,李寧,吳聞秀,胡永林,張宇,唐偉

(1.金華市公路與運輸管理中心,浙江 金華 321000;2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.金華市金東區(qū)公路管理段,浙江 金華 321013)

目前我國公路建設(shè)逐步由建養(yǎng)并舉向全面養(yǎng)護邁進。路面維修主要是銑刨、翻挖舊路面,重鋪新路面,從而產(chǎn)生大量廢舊瀝青路面回收料(RAP)[1-2]。RAP的組成復(fù)雜,銑刨后老化瀝青膠漿黏附在集料表面,結(jié)團程度嚴(yán)重,難以混合均勻,且RAP集料級配和油石比均具有較大的變異性[3-4]。RAP摻量過高時難以保證再生瀝青混合料的質(zhì)量,達(dá)不到相應(yīng)的技術(shù)要求[5]。目前國內(nèi)大多數(shù)廠拌熱再生實體工程應(yīng)用中的RAP摻量僅為20%～30%,經(jīng)濟和社會效益不顯著[6-9]。

為了降低RAP的結(jié)團程度和變異性,需要對原路面銑刨料進行破碎、篩分、分擋等處理。美國國家瀝青路面協(xié)會(NAPA)在其指南中指出,采用合適的方法對RAP進行破碎篩分,可以降低RAP的變異性[10]。研究人員[11-13]采用常規(guī)破碎篩分或直接分級后的RAP制備了再生瀝青混合料,并評價了不同RAP摻量下再生瀝青混合料的路用性能,結(jié)果表明當(dāng)RAP摻量超過40%時,再生瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性均顯著低于普通瀝青混合料。黃磊[14]采用多級聯(lián)合篩分工藝對RAP進行篩分、分擋,該篩分工藝有效降低了RAP的變異性,有利于提升RAP摻量。孫學(xué)楷[15]采用反擊-轉(zhuǎn)子離心多級聯(lián)合篩分工藝處理RAP,RAP的分離效率可以達(dá)到70%以上,該方法可以將RAP表面黏附的瀝青膠砂剝離,粒徑為5～10 mm、10～15 mm的RAP粗料表面的瀝青含量達(dá)到1%以下,可以直接當(dāng)作原生集料進行使用。Zhan等[16]采用常規(guī)破碎篩分方式處理RAP,多級分擋雖然有效降低了RAP的變異性,但RAP的結(jié)團程度依舊較大,不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

基于此,本研究采用精細(xì)化分離和常規(guī)破碎篩分兩種方式處理RAP,對比兩種預(yù)處理方式的工藝流程,研究不同預(yù)處理方式對RAP油石比、結(jié)團程度、變異性和細(xì)化程度的影響,為RAP精細(xì)化分離工藝的進一步改進及推廣提供借鑒。

1 RAP的預(yù)處理方式

RAP取自江蘇某高速公路上面層SMA-13瀝青路面,養(yǎng)護維修時路面已服役11年。RAP采用冷銑刨方式回收,為了保證RAP質(zhì)量的相對穩(wěn)定,銑刨過程中需控制銑刨速度的均勻性[17-18]。采用常規(guī)破碎篩分和精細(xì)化分離兩種方式進行處理,分別命名RAP#1和RAP#2。由于取樣時間和地點有所不同,RAP#1和RAP#2的級配和油石比存在略微差異。

1.1 常規(guī)破碎篩分

常規(guī)破碎篩分方式首先采用對輥式破碎機將粒徑較大的RAP進行初步破碎,接著通過直線振動篩對滿足粒徑要求的RAP進行分擋。具體操作流程如下:對于粒徑較小的RAP直接進行一級篩分,將不同粒徑的篩下料用皮帶送至成品處。對于不滿足一級篩分粒徑要求的大塊RAP,再次經(jīng)對輥式破碎機進行一級初破,然后將破碎好的物料按小塊RAP的處理流程進行進一步破碎篩分,最終得到三擋不同粒徑的RAP,分別為0～5 mm、5～12 mm和12～22 mm三擋成品料。常規(guī)破碎篩分RAP處理流程見圖1。

圖1 常規(guī)破碎篩分RAP處理流程

1.2 精細(xì)化分離

精細(xì)化分離是通過離心分離的作用將RAP集料表面黏附的瀝青膠砂剝離,剝離后的瀝青膠砂進入RAP細(xì)料中,最終得到不同粒徑分布的RAP粗料和富含老化瀝青的RAP細(xì)料。精細(xì)化分離RAP處理流程見圖2。具體流程如下:滿足篩分粒徑要求的RAP直接進行一級篩分,首先得到粒徑為0～5 mm的直接篩分RAP細(xì)料。然后對RAP粗料進行一級剝離,不同粒徑的篩下料用皮帶送至成品處,得到10～15 mm、5～10 mm、0～5 mm(剝離)和0～5 mm(直接篩分)四擋成品料。若RAP粗料中仍存在較多的結(jié)團顆粒,可以將粒徑較大的RAP進行二次精細(xì)化分離,流程與上述一致。

圖2 精細(xì)化分離RAP處理流程

2 試驗與方法

2.1 抽提與篩分試驗

按照J(rèn)TG E20—2011中T 0722—1993及T 0725—2000,分別進行抽提與篩分試驗。

2.2 RAP性質(zhì)評價方法

2.2.1 結(jié)團特性

為評價不同預(yù)處理方式后獲得的RAP結(jié)團程度,首先將不同預(yù)處理方式獲取的RAP篩分成粒徑不同的5組樣品,分別為13.2～16 mm,9.5～13.2 mm,4.75～9.5 mm,2.36～4.75 mm和1.18～2.36 mm,抽提篩分后RAP集料通過率見圖3。從圖3可以看出,每組RAP樣品抽提后的集料均不同程度地通過了抽提前粒徑范圍的下限,例如常規(guī)破碎篩分獲取的16～13.2 mm RAP樣品粒徑范圍的下限是13.2 mm,抽提后集料在13.2 mm處的通過率為36.2%,說明至少有36.2%的細(xì)料在抽提前處于結(jié)團狀態(tài),因此定義該通過率為此擋RAP的結(jié)團率。

(a)常規(guī)破碎篩分

(b)精細(xì)化分離圖3 不同粒徑RAP集料級配通過率

2.2.2 變異性

為了分析破碎篩分后RAP級配及瀝青含量的變異性,對預(yù)處理后的各擋RAP按照隨機取樣的原則選取5組樣品,抽提篩分后對每組RAP的級配及瀝青含量進行分析。

采用變異系數(shù)CV來描述RAP集料級配和油石比的變異性,計算方法見式(1)～式(3)。

CV=S/x

(1)

(2)

(3)

式中:S為標(biāo)準(zhǔn)差;xi為樣本值;x為平均值;n為樣本數(shù)。

2.2.3 細(xì)化指數(shù)

將破碎篩分后各擋RAP的集料通過率按照質(zhì)量百分比進行合成,得到合成RAP集料級配。接著以破碎篩分前RAP的集料級配為基準(zhǔn)值,計算破碎篩分后的級配較篩分前的變化率,定義為細(xì)化指數(shù)V,以表征破碎篩分過程中集料的細(xì)化程度,V越大表示級配細(xì)化越為嚴(yán)重。細(xì)化指數(shù)V可通過式(4)和式(5)進行計算。

P=∑αiPi=α1P1+α2P2+…+

(4)

(5)

式中:V為某篩孔處細(xì)化指數(shù),%;P為合成RAP集料級配在某篩孔的通過率,%;S為破碎篩分前RAP集料級配在某篩孔的通過率,%;αi為各擋RAP的比例,%;Pi為各擋RAP集料級配在某篩孔的通過率,%。

3 預(yù)處理方法對RAP性質(zhì)的影響

3.1 油石比

常規(guī)破碎篩分和精細(xì)化分離后RAP的油石比見圖4。由圖4可知,RAP經(jīng)過精細(xì)化分離后,RAP粗料(大于5 mm)的油石比由5%～6%下降為2%～2.5%,下降幅度接近60%,這主要是由于精細(xì)化分離將RAP表面的老化瀝青砂漿剝離。RAP粗料的油石比下降,有助于打散料粒,降低結(jié)團,也可以降低RAP粗料在加熱、拌和過程中產(chǎn)生的黏料現(xiàn)象,在一定程度上可以提升RAP料的加熱溫度,有利于保證再生料的出料溫度。精細(xì)化分離產(chǎn)生的兩種RAP細(xì)料(小于5 mm)的油石比與常規(guī)RAP細(xì)料相比略微降低,這是由于精細(xì)化分離過程中產(chǎn)生的粉料(小于0.075 mm)被真空泵抽走,該擋料的油石比可達(dá)15%左右,進而引起RAP細(xì)料的油石比略微下降。

圖4 不同預(yù)處理后RAP的油石比

3.2 結(jié)團程度

RAP是由數(shù)目、大小不等的礦料顆粒被瀝青膠漿裹覆、黏結(jié)而成的團狀顆粒結(jié)構(gòu),瀝青砂漿的結(jié)團會造成RAP中的瀝青膠漿分布不均勻。圖5和圖6分別為常規(guī)破碎篩分和精細(xì)化分離后RAP的表觀形貌,從圖中可直觀發(fā)現(xiàn),常規(guī)破碎篩分獲取的RAP顆粒表面仍含有較多的瀝青膠漿,而精細(xì)化分離得到的RAP顆粒表面較為潔凈。

圖5 常規(guī)破碎篩分后的RAP

圖6 精細(xì)化分離后的RAP

常規(guī)破碎篩分和精細(xì)化分離后的RAP結(jié)團率見圖7。

圖7 不同預(yù)處理方式后RAP的結(jié)團率

從常規(guī)破碎篩分后的RAP結(jié)團率可知,RAP的粒徑越小, 結(jié)團率越大, 粒徑大于4.75 mm的RAP結(jié)團率均小于50%,粒徑小于4.75 mm的RAP結(jié)團率均大于70%,2.36～1.18 mm RAP的結(jié)團率甚至達(dá)到100%,這意味著該擋RAP都是由老化瀝青裹覆細(xì)集料和礦粉的顆粒組成。

相比常規(guī)破碎篩分,精細(xì)化分離后RAP粗料的結(jié)團率顯著下降,均低于30%,特別是4.75～9.5 mm的RAP結(jié)團率只有11.5%,說明精細(xì)化分離可以將集料表面的老化瀝青膠漿有效剝離,從而降低RAP粗料的結(jié)團程度。RAP細(xì)料(小于4.75 mm)部分是經(jīng)過直接篩分得到的,部分是RAP粗料剝離后得到,瀝青含量較高,結(jié)團率也較高,但仍然遠(yuǎn)低于常規(guī)破碎的情況,結(jié)團率下降了60%左右。說明精細(xì)化分離對RAP粗料分離效果最好,對RAP細(xì)料的結(jié)團也有一定的控制效果。

3.3 RAP變異程度

采用變異系數(shù)評價不同預(yù)處理方式下RAP集料級配和油石比的變異系數(shù)見圖8。

圖8 不同預(yù)處理后的RAP集料級配和油石比的變異系數(shù)

與常規(guī)破碎篩分方式相比,精細(xì)化分離RAP細(xì)料的油石比和集料級配的變異性并未顯著降低。如圖8所示,常規(guī)破碎篩分獲得的0～5 mm RAP油石比的變異系數(shù)為7.43%,而精細(xì)化分離獲得的0～5 mm(直接篩分)及0～5 mm(剝離)RAP油石比變異系數(shù)分別為5.5%及7.08%。精細(xì)化分離的RAP細(xì)料組成復(fù)雜,包括直接篩分的RAP細(xì)料、RAP粗料表面剝離的細(xì)料和集料破碎產(chǎn)生的細(xì)料。RAP細(xì)料由于瀝青含量高、粒徑小,離心過程中油石分離效果差,變異性與常規(guī)破碎篩分無明顯區(qū)別。

經(jīng)過精細(xì)化分離后,RAP粗料的油石比和4.75 mm關(guān)鍵篩孔的變異系數(shù)相比于常規(guī)破碎篩分分別降低了40.7%和39.1%,RAP的均勻性得到較好的改善。精細(xì)化分離可以將RAP表面的瀝青膠砂剝離,降低RAP的油石比和結(jié)團程度,對于減少RAP的變異性具有顯著效果。

3.4 RAP集料細(xì)化程度

經(jīng)過常規(guī)破碎篩分和精細(xì)化分離后的各擋RAP所占比例見圖9。從圖9可知,常規(guī)破碎篩分獲取的RAP粗料所占比例為80%,RAP細(xì)料為20%;而精細(xì)化分離獲取的RAP粗料所占比例僅為27%,RAP細(xì)料為68%,回收粉為5%。對比經(jīng)過不同預(yù)處理方式獲取的RAP組成比例,發(fā)現(xiàn)精細(xì)化分離可以顯著增大RAP細(xì)料比例。這主要是由于精細(xì)化分離是采用離心力將瀝青路面回收料中粒徑較大的RAP上黏附的瀝青膠砂分離,在分離過程中粗集料相互碰撞,難免發(fā)生粗集料細(xì)化的現(xiàn)象。在RAP篩分過程時,為了提高生產(chǎn)效率,采用振動頻率為32～38 Hz的弛張篩和振動頻率為40～50 Hz的組合篩進行篩分,同樣會對RAP粗料產(chǎn)生一定的細(xì)化。因此,降低精細(xì)化分離后RAP粗料的細(xì)化程度以及高效再生利用富油RAP細(xì)料是未來的研究重點。

(a)常規(guī)破碎篩分

(b)精細(xì)化分離圖9 不同預(yù)處理后各擋RAP所占比例

將預(yù)處理后的各擋RAP抽提篩分獲取其集料級配,并根據(jù)圖9中的各擋比例及式(4)計算其合成級配。冷銑刨及常規(guī)破碎篩分和精細(xì)化分離的RAP合成級配曲線見圖10。

圖10 不同破碎篩分方式RAP的合成級配曲線

從圖10可以看出,常規(guī)破碎篩分RAP的合成級配與未篩分前相差不大,而精細(xì)化分離的RAP合成級配與未篩分前存在較大差異,合成料的4.75和2.36 mm關(guān)鍵篩孔通過率分別為74.1%和50.6%,相較于冷銑刨后RAP集料分別提高19.3%和12.5%,而細(xì)化指數(shù)分別為53.1%和46.6%,表明精細(xì)化分離對RAP中的粗集料具有細(xì)化作用。

常規(guī)破碎篩分得到的RAP合成后部分篩孔通過率低于原路面回收料。主要原因為RAP在堆放過程中存在一定變異性和離析現(xiàn)象,取樣時不均勻,導(dǎo)致RAP細(xì)料偏少。與原路面銑刨料進行對比,合成級配的4.75和2.36 mm關(guān)鍵篩孔處的細(xì)化指數(shù)別為13.2%和10.5%?？梢?常規(guī)破碎篩分對RAP集料級配的細(xì)化作用不明顯。

4 結(jié)論

(1)精細(xì)化分離方式可以將黏附在RAP粗集料表面上的瀝青膠砂剝離,經(jīng)篩分后得到不同粒徑分布的RAP粗料和富含老化瀝青的RAP細(xì)料,實現(xiàn)粗細(xì)RAP分離。

(2)精細(xì)化分離大幅降低了RAP粗料的油石比,RAP粗料的油石比約為2%,同時有效降低了RAP粗料的結(jié)團程度。

(3)精細(xì)化分離可以降低RAP粗料級配和油石比的變異性,對RAP細(xì)料的變異性控制效果與常規(guī)破碎篩分相近,總體上精細(xì)化分離得到的RAP具有較小的質(zhì)量波動。

(4)精細(xì)化分離雖然可以降低RAP的結(jié)團程度和變異性,但是RAP集料在離心力的作用下發(fā)生細(xì)化,獲取的RAP細(xì)料占比接近70%,未來需要深入研究RAP細(xì)料的應(yīng)用。