乳化瀝青廠拌冷再生混合料性能研究與應(yīng)用

孫艷華， 李 泉， 吳超凡

(1.湖南聯(lián)智科技股份有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410200； 2.湖南云中再生科技股份有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410007;3.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

到2020年末，全國(guó)四級(jí)及以上等級(jí)公路里程494.45萬km，高速公路里程16.10萬km。2019年，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)里程495.31萬km，占公路總里程98.8%，公路養(yǎng)護(hù)里程占公路總里程比例不斷上升。瀝青路面養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生大量的瀝青廢舊瀝青混合料(RAP)，而在國(guó)內(nèi)RAP循環(huán)利用率低，大多被當(dāng)做建筑垃圾丟棄，不僅污染環(huán)境、占用土地，同時(shí)也是對(duì)資源的極大浪費(fèi)[1-2]。《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》第17條(提升交通基礎(chǔ)設(shè)施綠色發(fā)展水平)明確指出，推動(dòng)廢舊瀝青路面材料的資源化利用，促進(jìn)廢舊道路瀝青材料的循環(huán)利用對(duì)提高資源利用效率、改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型具有重要意義，有利于我國(guó)綠色發(fā)展,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。

乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)具有能在常溫下施工、無環(huán)境污染、建設(shè)成本低以及RAP利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于瀝青路面基層或中、下面層中，大力度回收RAP已成為實(shí)現(xiàn)低碳交通的重要途徑之一[3-4]。本文通過對(duì)乳化瀝青冷再生混合料級(jí)配研究以及使用性能對(duì)比分析，并依托某舊路改造工程，結(jié)合新型的冷再生拌和設(shè)備，研究將乳化瀝青廠拌冷再生混合料應(yīng)用于部分路面結(jié)構(gòu)層中。該冷再生路面質(zhì)量?jī)?yōu)異，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)保效益顯著，很大程度上提升了乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)應(yīng)用水平。

1 原材料

1.1 新集料

試驗(yàn)采用的新集料為廣西象州縣石灰?guī)r，規(guī)格為10～20 mm，其技術(shù)指標(biāo)與篩分結(jié)果見表1與表2。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)類別壓碎值/%洛杉磯磨耗損失/%與瀝青的粘附性/級(jí)表觀相對(duì)密度吸水率/%針片狀顆粒含量/%試驗(yàn)結(jié)果20.314.452.7540.49.0技術(shù)要求≤26≤305≥2.5≤2.0≤10

表2 集料篩分結(jié)果通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5199.54.752.360.30.07510090.84.10.10.10.10.1

1.2 乳化瀝青

采用“殼牌”70#A級(jí)瀝青作為基質(zhì)瀝青，使用江蘇蘇博特冷再生乳化劑，其中乳化劑用量為2.5%，加入粒度指標(biāo)對(duì)乳化瀝青進(jìn)行評(píng)價(jià)使用。試驗(yàn)結(jié)果見表3，乳化瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，其<5 μm的顆粒粒度占90%以上。

表3 冷再生用乳化瀝青技術(shù)檢測(cè)指標(biāo)類別破乳速度粒子電荷篩上殘留物(1.18mm篩)/%恩格拉黏度E25蒸發(fā)殘留物殘留分含量/%針入度(25 ℃)/0.1 mm延度(15 ℃)/cm與粗集料的黏附性/%常溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性/%粒度分析/μm1 d5 dD25D90試驗(yàn)結(jié)果慢裂陽離子0.054.363.56773>2/30.51.61.3133.283技術(shù)要求慢裂陽離子≤0.12～30≥6350～80≥40≥2/3≤1≤5—≤5

1.3 RAP

將舊路改造中的重交RAP單獨(dú)回收進(jìn)行冷再生研究與應(yīng)用。為了更好地進(jìn)行冷再生級(jí)配控制，降低RAP變異性，提高RAP有效利用率，將其分檔篩分成0～6 mm(4#)、6～11 mm(3#)、11～22 mm(2#)與22～32 mm(1#)4檔規(guī)格，抽提篩分結(jié)果見表4與表5。

表4 RAP材料篩分試驗(yàn)結(jié)果規(guī)格通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5199.54.752.360.30.0751#10019.40.60.10.10.10.12#10091.67.40.60.250.20.13#10010073.30.60.40.30.24#10010010094.749.37.41.4

表5 RAP材料抽提試驗(yàn)結(jié)果規(guī)格油石比/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#2.5710060.0 50.8 44.0 34.3 22.7 17.4 13.2 9.8 7.6 6.5 5.7 2#2.3510095.6 80.6 63.2 37.2 22.3 16.7 12.9 9.9 7.7 6.4 5.2 3#2.50100100 100 10091.4 24.8 17.7 14.1 11.1 8.8 7.5 6.1 4#6.07100100 100100 100 95.5 65.2 46.8 33.7 26.1 22.6 18.7

2 乳化瀝青廠拌冷再生混合料性能

2.1 新型乳化瀝青冷再生級(jí)配范圍

《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG 5521—2019)中乳化瀝青冷再生粗粒式與中粒式設(shè)計(jì)級(jí)配范圍較寬，與美國(guó)ARRA規(guī)范基本一致，僅將RAP當(dāng)“黑石頭”使用，忽視了RAP中殘留老化瀝青的作用，且粗粒式級(jí)配范圍基本囊括了中粒式級(jí)配范圍[5-9]。本文以4.75mm關(guān)鍵篩孔為依據(jù)，結(jié)合以往的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述2種級(jí)配范圍進(jìn)行整合，提出了新型的乳化瀝青冷再生級(jí)配范圍，以更好地滿足對(duì)乳化瀝青冷再生混合料性能的研究。新型級(jí)配與現(xiàn)行規(guī)范級(jí)配對(duì)比見表6。

表6 新型的乳化瀝青冷再生級(jí)配與現(xiàn)行規(guī)范級(jí)配對(duì)比級(jí)配類型通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%37.526.51913.29.54.752.360.30.075粗粒式范圍10080～100—60～80—25～6015～453～201～7中粒式范圍10010090～100—60～8035～6520～503～212～8新級(jí)配范圍10010080～100—50～7025～5017～403～172～8

2.2 乳化瀝青廠拌冷再生混合料雙級(jí)配設(shè)計(jì)

嚴(yán)金海等[10]在研究乳化瀝青冷再生時(shí)，指出RAP不能僅僅被當(dāng)作“黑色石頭”使用，其中殘留的老化瀝青能夠改善冷再生混合料的性能；Ghavibazoo等[11]發(fā)現(xiàn)早期階段，RAP中殘留的老化瀝青沒有得到充分激發(fā)，但在長(zhǎng)期服役過程中，它對(duì)冷再生混合料的性能影響較大。事實(shí)上，RAP中大部分粗顆粒是原粗集料與瀝青膠泥的組合，或者完全是瀝青細(xì)料的團(tuán)體；在碾壓過程中冷再生混合料粗RAP團(tuán)塊會(huì)發(fā)生一定程度分解，從而出現(xiàn)級(jí)配初步細(xì)化，長(zhǎng)期服役過程中在車輛荷載作用下，尤其是夏天高溫影響下，團(tuán)塊進(jìn)一步分解、軟化，不同RAP中的新舊瀝青以及RAP中的新舊瀝青與新集料表面裹附的瀝青將逐漸相容，冷再生混合料會(huì)形成更加緊密的結(jié)構(gòu)，冷再生混合料的級(jí)配特性逐漸由RAP級(jí)配(RAP當(dāng)作“黑石頭”)向礦料級(jí)配轉(zhuǎn)化，此時(shí)瀝青混合料中的舊瀝青與礦料級(jí)配所起的作用非常關(guān)鍵[12-13]。因此，為使乳化瀝青冷再生混合料始終具有很好的骨架結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)提出雙級(jí)配設(shè)計(jì)理念，即在級(jí)配合成時(shí)盡可能使RAP級(jí)配既滿足新型的冷再生級(jí)配范圍，又與礦料級(jí)配在一定程度上滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)AC-20級(jí)配范圍[14]，使冷再生混合料級(jí)配在細(xì)化的過程中其真實(shí)級(jí)配始終處于RAP級(jí)配與礦料級(jí)配之間。

采用上述新型冷再生級(jí)配范圍，根據(jù)冷再生研究經(jīng)驗(yàn)，以4.75 mm篩孔通過率34.5%±3%作為控制指標(biāo)，同時(shí)設(shè)置RAP摻量為80%，對(duì)3組冷再生混合料RAP級(jí)配與礦料級(jí)配合成性能及使用性能進(jìn)行對(duì)比研究，確定出冷再生混合料綜合性能最佳的合成級(jí)配，RAP合成級(jí)配與礦料合成級(jí)配見表7與圖1。由表7與圖1可知，3組冷再生RAP級(jí)配基本滿足AC-20級(jí)配范圍，且其礦料級(jí)配除0.075 mm篩孔外均基本滿足AC-20級(jí)配范圍。因此，冷再生混合料在細(xì)化過程中其真實(shí)的級(jí)配處于RAP級(jí)配與礦料級(jí)配之間，并且滿足AC-20級(jí)配范圍，使冷再生混合料能在服役過程中始終保持良好的使用性能。

表7 乳化瀝青廠拌冷再生混合料合成級(jí)配合成級(jí)配通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075級(jí)配1RAP級(jí)配10090.6——54.937.320.9——5.8—3.4礦料級(jí)配10094.4 86.9 75.1 66.7 47.7 34.1 25.8 19.7 16.0 14.0 12.0 級(jí)配2RAP級(jí)配10090.6——54.134.519.4——5.6—3.3礦料級(jí)配10094.4 86.9 75.1 66.4 45.6 32.7 24.8 19.1 15.5 13.6 11.6 級(jí)配3RAP級(jí)配10090.6——54.031.717.9——5.4—3.3礦料級(jí)配10092.7 86.9 75.1 66.1 43.5 31.2 23.8 18.4 15.0 13.1 11.3 新型級(jí)配范圍10080～100——50～7025～5017～40——3～172～8AC-20級(jí)配范圍10090～10078～9262～8050～7226～5616～4412～338～245～174～133～7

圖1 RAP級(jí)配與礦料級(jí)配曲線圖

2.3 最佳含水率與最佳乳化瀝青用量

采用上述3組合成級(jí)配進(jìn)行冷再生混合料配合比試驗(yàn)，確定不同合成級(jí)配下最佳含水率與最佳乳化瀝青用量，其中水泥均為外摻1.5%，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 最佳含水率與最佳乳化瀝青用量類別最佳含水率/%最佳乳化瀝青用量/%級(jí)配15.04.5級(jí)配24.84.3級(jí)配34.54.0

2.4 使用性能

采用已確定的最佳含水率與最佳乳化瀝青用量對(duì)3組級(jí)配乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行力學(xué)性能與路用性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。由表9可知，3組級(jí)配冷再生混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)均較好，但級(jí)配2綜合性能優(yōu)于級(jí)配1，級(jí)配3各項(xiàng)性能與級(jí)配1、級(jí)配2相比差距較大。通過不同合成級(jí)配力學(xué)性能與路用性能試驗(yàn)對(duì)比，確定了乳化瀝青冷再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)以4.75mm篩孔通過率34.5%為參考依據(jù)的正確性。

表9 不同合成級(jí)配乳化瀝青廠拌冷再生混合料性能對(duì)比檢測(cè)指標(biāo)毛體積相對(duì)密度最大理論相對(duì)密度空隙率/%劈裂強(qiáng)度(15 ℃)干劈裂/MPa濕劈裂/MPa強(qiáng)度比/%動(dòng)穩(wěn)定度(60 ℃)/(次·mm-1)凍融劈裂(25 ℃)未凍劈裂強(qiáng)度/MPa凍融劈裂強(qiáng)度/MPa強(qiáng)度比/%級(jí)配12.2812.4888.30.860.8295.39 4210.480.4084.0級(jí)配22.2842.4948.60.890.8190.69 3690.490.4286.4級(jí)配32.2612.5019.60.810.7491.59 0150.430.3377.8設(shè)計(jì)要求//≤11≥0.7/≥80≥3 000//≥75

3 工程應(yīng)用

3.1 新型的乳化瀝青冷再生拌和設(shè)備

本項(xiàng)目引進(jìn)了一種新型的含有雙向復(fù)合振動(dòng)拌和系統(tǒng)的雙層多步拌和設(shè)備，進(jìn)行乳化瀝青廠拌冷再生混合料分步、振動(dòng)與預(yù)拌和生產(chǎn)。該新型拌和設(shè)備由上、下兩級(jí)攪拌缸組成，在生產(chǎn)過程中可實(shí)現(xiàn)混合料分步拌和，保證了乳化瀝青對(duì)新舊粗集料的充分裹附。其一級(jí)攪拌缸相向螺旋攪拌組件包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、雙攪拌軸、軸向振動(dòng)裝置與徑向振動(dòng)裝置，在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)了混合料雙向復(fù)合振動(dòng)拌和，使混合料在旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過程中在徑向上附加咬和力，提高了拌合效率和效果，保證了混合料生產(chǎn)過程中混合均勻與質(zhì)量穩(wěn)定，新型拌合設(shè)備及結(jié)構(gòu)見圖2～圖4。

圖2 拌和設(shè)備

圖3 拌和設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖4 振動(dòng)拌和機(jī)構(gòu)立體視圖

拌合工藝：乳化瀝青裹附能力較差的新舊粗骨料進(jìn)入一級(jí)攪拌缸后，開啟振動(dòng)拌和，添加部分水與乳化瀝青，然后添加水泥預(yù)拌和，完成預(yù)拌和的新舊粗骨料混合料通過柔性連接裝置進(jìn)入二級(jí)攪拌缸。剩余的RAP進(jìn)入二級(jí)攪拌缸進(jìn)料斗，添加水與乳化瀝青，攪拌形成半成品料，然后與一級(jí)攪拌缸半成品料混合攪拌，緊接著添加礦粉，混合攪拌均勻，成品冷再生混合料從下料口落至成品皮帶、輸送到成品倉內(nèi)。

乳化瀝青與水添加工藝(見圖5與圖6)：一、二級(jí)攪拌缸水與乳化瀝青交替布置的噴射添加管分為三級(jí)，為前、中、后并排布置，間距分別為30、50、50、50、50 cm，其中第一級(jí)潤(rùn)濕用水管距進(jìn)料端30 cm。乳化瀝青噴灑裝置面向來料方向水平偏上傾斜15°～25°，呈放射狀均勻噴灑乳化瀝青。

圖5 乳化瀝青與水添加管道結(jié)構(gòu)圖

圖6 乳化瀝青噴灑裝置

3.2 生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控

采用室內(nèi)研究確定的合成級(jí)配2及其配合比進(jìn)行乳化瀝青廠拌冷再生混合料的生產(chǎn)。RAP摻量為80%，其中舊瀝青油石比為3.2%左右，最佳含水率為4.8%，最佳乳化瀝青用量為4.3%，外摻水泥1.5%，混合料總油石比為5.9%左右[15]，冷再生混合料外觀見圖7。在生產(chǎn)過程中通過取樣檢驗(yàn)冷再生混合料總油石比、礦料級(jí)配、體積指標(biāo)以及路用性能，來監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程中乳化瀝青添加的準(zhǔn)確性、冷再生混合料級(jí)配與質(zhì)量(見表10與表11)。

圖7 冷再生混合料效果圖

表10 冷再生混合料抽提篩分結(jié)果檢測(cè)次數(shù)油石比/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.07515.9610093.186.375.264.344.333.225.720.516.314.312.0 25.9410093.986.175.166.144.43224.719.815.713.811.536.0210093.985.9746547.434.826.820.515.415.511.945.9310093.785.575.464.345.232.52520.316.414.31255.8510092.885.774.765.246.333.725.920.916.914.912.0 設(shè)計(jì)礦料級(jí)配10094.486.975.166.445.632.724.819.115.513.611.6

表11 冷再生混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)次數(shù)毛體積相對(duì)密度空隙率/%15 ℃劈裂強(qiáng)度/MPa凍融劈裂強(qiáng)度比/%動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)12.2938.10.8886.410 50022.2879.30.9387.59 84432.2928.10.9786.410 16142.3007.80.9585.89 26552.2958.00.9186.89 692

從表10與表11可知，乳化瀝青在生產(chǎn)過程中添加基本準(zhǔn)確，冷再生混合料級(jí)配穩(wěn)定、路用性能優(yōu)異，且其毛體積相對(duì)密度有較大幅度提高，空隙率有所降低，驗(yàn)證了該新型拌和設(shè)備的優(yōu)越性。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)施工與檢測(cè)

本項(xiàng)目冷再生路面施工采用雙鋼輪初壓、單鋼輪與膠輪復(fù)壓以及雙鋼輪終壓的組合方式，施工質(zhì)量顯著提高，冷再生路面平整，見圖8。冷再生路面養(yǎng)生3 d左右可取出完整密實(shí)芯樣，其壓實(shí)度保持在93%左右，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求，冷再生芯樣見圖9。

圖8 冷再生路面

圖9 冷再生芯樣

3.3 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)保效益分析

該項(xiàng)目共生產(chǎn)乳化瀝青廠拌冷再生混合料4.6萬t，利用RAP 3.68萬t，很大程度上減少了RAP堆放或掩埋對(duì)環(huán)境的污染，避免了不可再生資源的浪費(fèi)，與采用ATB-25熱拌混合料相比，大大降低了生產(chǎn)成本，節(jié)省造價(jià)約858.2萬元，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)保效益顯著。

4 結(jié)論

1) 確定了RAP篩分規(guī)格，優(yōu)選出高性能乳化瀝青，開發(fā)了新型的乳化瀝青冷再生混合料工程級(jí)配范圍，并確定了該冷再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)應(yīng)以4.75 mm篩孔通過率34.5%為參考依據(jù)。

2) 新型的雙向復(fù)合振動(dòng)拌和設(shè)備及雙層多步拌和設(shè)備生產(chǎn)的冷再生混合料拌合均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、力學(xué)性能與路用性能優(yōu)異，其毛體積相對(duì)密度相比室內(nèi)拌合有較大幅度提高，空隙率有所降低，驗(yàn)證了該新型拌合設(shè)備的優(yōu)越性。

3) 冷再生路面質(zhì)量?jī)?yōu)異，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)保效益。