溫再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中舊料狀態(tài)的確定

邵慧君,蔣子龍,劉黎萍

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804)

溫再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中舊料狀態(tài)的確定

邵慧君,蔣子龍,劉黎萍

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804)

基于表面活性溫拌技術(shù),深人分析溫再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的特點(diǎn),明確了溫再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一是確定再生混合料中舊料的狀態(tài)。通過室內(nèi)配置不同舊料摻量、不同舊料狀態(tài)下的溫再生混合料合成級(jí)配,研究舊料狀態(tài)對(duì)溫再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的影響。研究結(jié)果表明:溫再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí),舊料狀態(tài)被簡化成完全混合狀態(tài)更合理,即級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)以舊料中礦料的篩分?jǐn)?shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù);但是,當(dāng)舊料摻量較小時(shí),為方便、快捷地進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì),舊料狀態(tài)被簡化成黑集料狀態(tài)也是可行的,此時(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)以舊料的篩分?jǐn)?shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

道路工程;溫再生;舊料簡化狀態(tài);完全混合狀態(tài);黑集料狀態(tài)

在中國,隨著大量瀝青公路路面進(jìn)人大、中修期,每年翻修開挖出大量的舊瀝青混合料。為了實(shí)現(xiàn)其有效利用、減少環(huán)境污染,瀝青路面再生技術(shù)的研究受到越來越廣泛的關(guān)注[1]。瀝青路面再生技術(shù)有廠拌冷再生技術(shù)、就地冷再生技術(shù)、廠拌熱再生技術(shù)及就地?zé)嵩偕夹g(shù)等[2]。各種瀝青路面再生技術(shù)中,廠拌熱再生技術(shù)相對(duì)成熟,再生混合料的性能最有保障。但是,廠拌熱再生混合料的生產(chǎn)過程中存在著能耗較大、污染較嚴(yán)重及舊料摻量較低的問題。結(jié)合熱再生技術(shù)和溫拌瀝青混合料技術(shù)[3]而產(chǎn)生的溫再生技術(shù)是一種新型“綠色環(huán)保型”技術(shù)。該技術(shù)由于降低了生產(chǎn)和施工溫度,可以降低舊料在生產(chǎn)過程中的短期二次老化和新瀝青的高溫粘度,實(shí)現(xiàn)較低溫度下的拌和和壓實(shí),同時(shí)還能保持其與普通熱拌料相當(dāng)?shù)穆酚眯阅?。由于溫度的降?舊料在熱再生混合料中和溫再生混合料中的狀態(tài)明顯不同,這種差異將顯著影響混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果,因此有必要對(duì)溫再生混合料中舊料的狀態(tài)進(jìn)行研究。

1 再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)舊料的幾種狀態(tài)

再生混合料中,舊料的狀態(tài)分為3種:①黑集料狀態(tài),即舊料中的瀝青完全不與新瀝青融合,新瀝青起膠結(jié)作用,而舊料僅發(fā)揮集料的作用;②完全混合狀態(tài),即舊料中的瀝青完全熔融,并與新瀝青充分融合,共同發(fā)揮膠結(jié)作用;③部分混合狀態(tài),即舊料中的瀝青,僅有一部分與新瀝青融合發(fā)揮膠結(jié)作用。美國NCHRP報(bào)告[4]認(rèn)為,對(duì)于熱再生混合料,新、舊瀝青融合的程度比較高,宜把舊料當(dāng)作完全混合狀態(tài);對(duì)于冷再生混合料,新、舊瀝青融合的程度很低,宜把舊料當(dāng)作黑集料看待。NCHRP報(bào)告給出的熱再生和冷再生過程中舊料狀態(tài)如圖1所示。

圖1 不同再生混合料中舊料狀態(tài)示意Fig.1 The states of RAP for different recycling mixtures

再生混合料設(shè)計(jì)與常規(guī)混合料設(shè)計(jì)一樣,關(guān)鍵問題都是確定混合料的級(jí)配,不同之處在于再生混合料中由于添加了舊料,確定混合料級(jí)配時(shí),必須考慮舊料狀態(tài)。其實(shí)任何一種再生方式中,舊料的狀態(tài)都應(yīng)該是部分混合狀態(tài),然而到目前為止,仍然不能具體確定該狀態(tài)下舊料實(shí)際參與混合的比例,從而不能有效指導(dǎo)再生混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)。因此NCHRP報(bào)告針對(duì)熱再生與冷再生過程對(duì)舊料的狀態(tài)進(jìn)行了簡化,將熱再生過程中舊料狀態(tài)簡化為完全混合狀態(tài),將冷再生過程中舊料狀態(tài)簡化為黑集料狀態(tài)。

再生混合料中,舊料的狀態(tài)被簡化為黑集料狀態(tài)還是完全混合狀態(tài),其本質(zhì)區(qū)別體現(xiàn)在再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)上。如果將舊料看作黑集料狀態(tài),級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)采用的是舊料抽提前的篩分?jǐn)?shù)據(jù);如果將舊料看作完全混合狀態(tài),級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)采用的是舊料抽提后的篩分?jǐn)?shù)據(jù)。溫再生混合料的拌合和施工溫度與熱再生混合料的更接近,因此常規(guī)將溫再生中舊料的簡化方式等同于熱再生中舊料的簡化方式,定義舊料狀態(tài)為完全混合狀態(tài)。然而NCHRP報(bào)告[5]關(guān)于3種狀態(tài)下混合料性能試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果顯示:舊料3種狀態(tài)下混合料性能差別的大小與舊料的摻量有關(guān)。當(dāng)舊料摻量較小時(shí),3種狀態(tài)下混合料性能差別很小;當(dāng)舊料摻量較大時(shí),3種狀態(tài)下混合料性能差別明顯。因此,當(dāng)舊料摻量較小時(shí),如果仍然將溫再生中舊料狀態(tài)簡化成完全混合狀態(tài),就不可避免地要進(jìn)行舊料抽提實(shí)驗(yàn),不僅花費(fèi)很多的人力物力,而且獲得的再生混合料性能優(yōu)勢不明顯。針對(duì)溫再生混合料設(shè)計(jì),如何簡單而又恰當(dāng)?shù)暮喕f料狀態(tài)是研究的重點(diǎn)。

2 不同舊料摻量時(shí)再生混合料的級(jí)配差異性

試驗(yàn)用舊料為上海市寶錢公路銑刨料,舊料經(jīng)破碎篩分后,分成0～5 mm和5～15 mm 2檔,室內(nèi)試驗(yàn)首先對(duì)2檔舊料進(jìn)行抽提實(shí)驗(yàn),分析舊料在抽提前、后的篩分變化情況。2檔舊料抽提前、后的篩分結(jié)果對(duì)比分別如圖2,3所示。

從圖2,3中可以看到,0～5 mm和5～15 mm 2檔舊料抽提前的篩分結(jié)果和抽提后的篩分結(jié)果均存在著較大的差別,因此,進(jìn)行再生混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí),使用舊料抽提前的篩分結(jié)果還是抽提后的篩分結(jié)果,會(huì)直接導(dǎo)致合成級(jí)配的差異。這里,以舊料摻量30%溫再生混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)為例。對(duì)于相同的新集料級(jí)配,當(dāng)分別采用舊料抽提前和抽提后的篩分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí),2種合成級(jí)配曲線的差異如圖4所示?！俺樘崆啊敝傅氖前凑张f料抽提前的篩分結(jié)果合成的級(jí)配曲線,“抽提后”指的是按照舊料抽提后的篩分結(jié)果合成的級(jí)配曲線。

圖2 0～5 mm檔舊料抽提前、后篩分對(duì)比Fig.2 The screening comparison of pre-and post-extraction result of the 0～5 mm RAP

圖3 5～15 mm檔舊料抽提前、后篩分對(duì)比Fig.3 The screening comparison of pre-and post-extraction result of the 5～15 mm RAP

圖4 合成級(jí)配對(duì)比Fig.4 The composite gradation comparison

從圖4中可以看出,這2條曲線有較明顯的差異。而再生混合料的實(shí)際級(jí)配曲線應(yīng)處于“抽提前”曲線和“抽提后”曲線之間。如果“抽提前”曲線和“抽提后”曲線的距離很“近”,則實(shí)際級(jí)配比較穩(wěn)定;否則,說明實(shí)際級(jí)配的不確定性很大。這種“遠(yuǎn)近”的程度可以用各檔通過率之差的平均值來表征,并將該值定義為再生混合料的級(jí)配差異性,其計(jì)算公式為:

式中:B為再生混合料級(jí)配差異性;Hi為使用舊料抽提后的篩分結(jié)果合成級(jí)配,i檔的通過率;Qi為使用舊料抽提前的篩分結(jié)果合成級(jí)配,i檔的通過率;i為對(duì)于AC—13級(jí)配,i取13.2,9.5,4.75, 2.36,1.18,0.6,0.3,0.15和0.075 mm各檔;N為集料的檔數(shù),對(duì)于AC—13級(jí)配,N為9。

由式(1)可知,針對(duì)某一種舊料,級(jí)配差異性的大小與舊料的摻量有關(guān),按照式(1)計(jì)算不同舊料摻量時(shí)再生混合料級(jí)配差異性,其結(jié)果見表1。

表1 不同舊料摻量時(shí)再生混合料級(jí)配差異性Table 1 The difference of the gradation of recycling mixtures with different contents of RAP

從表1中可以看出,隨著舊料摻量的增加,再生混合料的級(jí)配差異性增大,且增大的幅度比較穩(wěn)定。因此,當(dāng)級(jí)配差異性較大時(shí),使用舊料抽提前的篩分?jǐn)?shù)據(jù)還是抽提后篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì),將對(duì)再生混合料設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著影響;而當(dāng)級(jí)配差異性較小時(shí),2種情況下獲得的再生混合料級(jí)配不會(huì)相差太大。

3 舊料簡化狀態(tài)對(duì)溫再生混合料設(shè)計(jì)結(jié)果的影響

3.1 試驗(yàn)條件

與熱拌瀝青混合料相比較,溫拌瀝青混合料是在不改變?yōu)r青混合料配合比和施工工藝的前提下,使拌和溫度相應(yīng)降低30℃以上,且性能達(dá)到熱拌瀝青混合料的新型瀝青混合料[3]。根據(jù)之前的研究[6]和普通溫拌瀝青混合料的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),確定溫再生混合料的溫度控制方案,見表2。

表2 各環(huán)節(jié)的溫度控制Table 2 The temperature control of each link

對(duì)于普通瀝青混合料,溫拌劑可以降低瀝青粘度,從而降低瀝青混合料的拌和溫度。對(duì)于溫再生混合料,溫拌劑的加人降低了新瀝青的粘度,從而有利于新老瀝青的融合。通常使用表面活性劑法進(jìn)行溫再生混合料研究的情況較多,并有攤鋪成功的工程案例[7],因此試驗(yàn)使用表面活性劑法進(jìn)行溫再生混合料研究,選用Evotherm DAT—H5溫拌添加劑。

3.2 級(jí)配差異性較小時(shí),舊料的簡化狀態(tài)

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8],以AC—13為合成級(jí)配。分別使用舊料抽提前的篩分結(jié)果和抽提后的篩分結(jié)果調(diào)配舊料摻量為20%的再生混合料合成級(jí)配,再生混合料合成級(jí)配變化情況如圖5所示。

圖5 添加20%舊料時(shí),再生混合料合成級(jí)配變化Fig.5 The change of composite gradation of the recycling mixture of 20%RAP

從圖5中可以看出,當(dāng)舊料摻量為20%時(shí),不論是采用舊料抽提前的篩分?jǐn)?shù)據(jù)還是采用舊料抽提后的篩分?jǐn)?shù)據(jù),所獲得的合成級(jí)配均在規(guī)范[8]規(guī)定的上、下限范圍內(nèi),且2條級(jí)配曲線接近,表明此時(shí)再生混合料的級(jí)配差異性較小。

根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)條件,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中馬歇爾試件的成型方式,確定最佳油石,并測試最佳油石比下馬歇爾試件的體積參數(shù),測試溫再生混合料的性能。對(duì)比20%舊料摻量時(shí),2種情況下混合料的體積參數(shù)和性能的變化分別如圖6,7所示。

圖6 2種情況下再生混合料的體積參數(shù)對(duì)比Fig.6 The volumetric parameter comparison of two recycling mixtures

圖7 2種情況下再生混合料的性能對(duì)比Fig.7 The performance comparison of two recycling mixtures

從圖6,7中可以看出,當(dāng)舊料摻量為20%時(shí), 2種情況下獲得的再生混合料體積參數(shù)和性能均能滿足規(guī)范要求。采用舊料抽提前篩分?jǐn)?shù)據(jù)配置的混合料馬歇爾試件的空隙率較大、礦料間隙率較大、瀝青飽和度較小、穩(wěn)定度較小、流值較大,同時(shí)再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變及凍融劈裂強(qiáng)度比均較小。但其試驗(yàn)結(jié)果與采用舊料抽提后篩分?jǐn)?shù)據(jù)配置的混合料的相差不大,此時(shí),采用舊料抽提后的篩分?jǐn)?shù)據(jù)獲得的再生混合料性能優(yōu)勢不明顯。因此,當(dāng)舊料摻量較低時(shí),可以考慮采用舊料抽提前的篩分?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)配合成級(jí)配,從而省略舊料的抽提過程。NCHRP報(bào)告[4—5]中指出,舊料摻量較少時(shí),舊料的狀態(tài)對(duì)再生混合料性能的影響很小,因此這一結(jié)果與NCHRP的結(jié)論一致。

3.3 級(jí)配差異性較大時(shí),舊料的簡化狀態(tài)

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8],以AC—13為合成級(jí)配。分別使用舊料抽提前的篩分結(jié)果和抽提后的篩分結(jié)果調(diào)配舊料摻量為50%的再生混合料合成級(jí)配,再生混合料合成級(jí)配變化如圖8所示。

圖8 添加50%舊料時(shí),再生混合料合成級(jí)配變化Fig.8 The change of composite gradation of the recycling mixture of 50%RAP

從圖8中可以看出,當(dāng)舊料摻量達(dá)到50%時(shí),采用舊料抽提前的篩分?jǐn)?shù)據(jù)獲得的合成級(jí)配已經(jīng)接近規(guī)范[8]規(guī)定的下限,且2條級(jí)配曲線距離較遠(yuǎn),說明此時(shí)再生混合料的級(jí)配差異性較大。

分別采用2種級(jí)配設(shè)計(jì)方法,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中馬歇爾試件的成型方式,確定最佳油石,測試再生混合料的高溫穩(wěn)定性[10—11]。2種級(jí)配設(shè)計(jì)方法下的混合料高溫性能對(duì)比見表3,車轍試件的外觀對(duì)比如圖9所示。

表3 2種級(jí)配設(shè)計(jì)方法下的混合料高溫性能Table 3 The high temperature performance of the mixture based on the two methods of the design of gradation

從表4和圖9中可以看出,當(dāng)舊料摻量為50%時(shí),采用舊料抽提前篩分?jǐn)?shù)據(jù)配置的合成級(jí)配已經(jīng)接近規(guī)范下限,可調(diào)整的空間少,而且此時(shí)再生混合料高溫性能檢測初期就產(chǎn)生了較大的車轍深度,且車轍試件的表面構(gòu)造深度不明顯,混合料高溫性能遠(yuǎn)不能滿足要求。因此,當(dāng)舊料摻量較大時(shí),采用舊料抽提后的篩分?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)配合成級(jí)配更合理。

圖9 2種級(jí)配設(shè)計(jì)方法下混合料車轍試件的外觀對(duì)比Fig.9 The appearance comparison of the mixtures based on the two methods of the design of gradation

4 結(jié)論

1)再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)舊料狀態(tài)的不同考慮會(huì)導(dǎo)致級(jí)配設(shè)計(jì)存在不確定性,這種不確定性可用級(jí)配差異性來定量表征,舊料摻量越大,級(jí)配差異性就越大。

2)當(dāng)舊料摻量較低(≤20%)時(shí),可采用舊料抽提前的篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行再生混合料的級(jí)配設(shè)計(jì),即認(rèn)為舊料呈黑集料狀態(tài)。

3)當(dāng)舊料摻量較大(≥50%)時(shí),需采用舊料抽提后的篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行再生混合料的級(jí)配設(shè)計(jì),即認(rèn)為舊料呈完全混合狀態(tài)。

[1] 翟佳.瀝青路面再生利用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析研究[D].西安:長安大學(xué),2013.(ZHAI Jia.Study on the technical and economic benefits of the asphalt pavement recycling technology[D].Xi’an:Chang’an University,2013.(in Chinese))

[2] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG F41—2008,公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社, 2008.(The Ministry of Transport Highway Research Institute.JTG F41—2008,Technical specifications for highway asphalt pavement recycling[S].Beijing:China Communications Press,2008.(in Chinese))

[3] 上海市公路管理處.DG/TJ08—2083—2011,溫拌瀝青混合料路面技術(shù)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社, 2011.(Highway Management Office of Shanghai. DG/TJ08—2083—2011,Technical regulations for pavements using warm-mix asphalt[S].Beijing:China Communications Press,2011.(in Chinese))[4] National Cooperative Highway Research Program. NCHRP Project 9—12 Report,Incorporation of reclaimed asphalt pavement in the superpave system [R].Washington D C:National Research Council, Transportation Research Board,2001.

[5] National Cooperative Highway Research Program. NCHRP Report 452,Recommended use of reclaimed asphalt pavement in the superpave mix design method:technician’s manual.Washington D C: National Research Council,Transportation Research Board,2001.

[6] 郭天惠,郭鵬.溫拌再生瀝青混合料壓實(shí)溫度的確定[J].中外公路,2012(3):291—294.(GUO Tian-hui, GUO Peng.The design of compaction temperature of warm-mix recycling asphalt mixture[J].Journal of China&Foreign Highway,2012(3):291—294.(in Chinese))

[7] 高曉飛.基于表面活性技術(shù)和有機(jī)添加劑法的溫拌瀝青混合料綜合性能研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2011. (GAO Xiao-fei.Research on the performance of the warm asphalt mixture based on surfactant technology and organic chemical additive method[D].Shanghai: Tongji University,2011.(in Chinese))

[8] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG F40—2004,公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.(The Ministry of Transport Highway Research Institute.JTG F40—2004,Technical specification for the construction of highway asphalt pavements[S].Beijing:China Communications Press, 2004.(in Chinese))

[9] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG E20—2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2011.(The Ministry of Transport Highway Research Institute.JTG E20—2011,Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering[S].Beijing:China Communications Press,2011.(in Chinese))

[10] 于江,張飛,王克斯,等.溫拌瀝青混合料技術(shù)研究分析[J].公路工程,2015,40(2):80—82,131.(YU Jiang,ZHANG Fei,WANG Ke-xin,et al.Research discussion and analysis of warm mix asphalt technology[J].Highway Engineering,2015,40(2):80—82,131.(in Chinese))

[11] 李振.溫再生瀝青混合料性能評(píng)價(jià)研究[D].北京:北京建筑工程學(xué)院,2011.(LI Zhen.Study on the performance evaluation of warm-mix recycling asphalt mixtures[D].Beijing:Beijing University of Civil Engineering and Architecture,2011.(in Chinese))

Determination on the state of RAP in the warm-mix recycling asphalt mixture gradation design

SHAO Hui-jun,JIANG Zi-long,LIU Li-ping
(The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University,Shanghai 201804,China)

Based on the surface activity of warm-mix technology,the characteristics of warm-mix recycling asphalt mixture gradation design is studied.One of the key problems of warm recycling mixture gradation design is how to determine the state of RAP is found.Different kinds of recycling mixture gradations with different contents and states of RAP are synthesized.The influence of RAP states on warm recycling mixture gradation design is also studied.The results show that during the warm-mix recycling asphalt mixture gradation design,the state of RAP should be simplified with a complete mixing state,that is to say,the recycling mixture should be synthesized by using the RAP screening result of post-extraction.When the content of RAP is small,the state of RAP can also be simplified with a black aggregate state,at this time,using the RAP screening result of pre-extraction is also feasible.

road engineering;warm-mix recycling;the state of RAP;complete mixing state;black aggregate state

U414

A

1674—599X(2015)04—0013—05

2015—04—12

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12231201100)

邵慧君(1987—),女,同濟(jì)大學(xué)博士生。