分離式細(xì)RAP粉料在再生水穩(wěn)碎石中的應(yīng)用研究

張?zhí)K龍， 王 鵬， 李 華， 胡樂(lè)樂(lè)， 王 捷

(1. 江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210008； 2.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心， 江蘇 南京 210008)

0 引言

隨著車(chē)輛保有量的增加以及現(xiàn)有路面運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，我國(guó)公路建設(shè)已進(jìn)入“建養(yǎng)并舉”階段。在公路改擴(kuò)建以及養(yǎng)護(hù)工程中，對(duì)老路的銑刨將不可避免地產(chǎn)生大量廢舊瀝青材料，如果不加以回收利用，將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和資源浪費(fèi)。通常，采用廠拌和就地冷熱再生技術(shù)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行再生利用。然而傳統(tǒng)的再生技術(shù)，存在RAP摻量不高、應(yīng)用層位較低問(wèn)題，無(wú)論是質(zhì)量還是再生利用效率方面，均有待改進(jìn)[1]。

分離式再生是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型瀝青混合料再生方法，其核心工藝是利用油石分離主機(jī)(如圖1所示)，經(jīng)過(guò)離心旋轉(zhuǎn)、擠壓、摩擦、碰撞等物理作用，將傳統(tǒng)RAP“黑色集料”表面的瀝青粉末進(jìn)行分離，從而獲得0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm以及10 mm以上的多檔集料，其中，3 mm以上的集料表面相對(duì)潔凈，殘留的瀝青含量控制在1%以?xún)?nèi)，可以充當(dāng)新集料在上面層進(jìn)行高層位的優(yōu)質(zhì)利用[2]。該技術(shù)在寧宿徐高速養(yǎng)護(hù)大中修等項(xiàng)目上進(jìn)行的工程應(yīng)用，RAP摻量可以達(dá)到70%以上，具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境效益。

圖1 油石分離機(jī)外觀

由于0～3 mm檔的細(xì)RAP粉料瀝青含量較高、變異性大，應(yīng)用在瀝青混合料中會(huì)有一些弊端，如拌和過(guò)程中易結(jié)團(tuán)、影響混合料高溫性能等[3]。因此，本文考慮將其應(yīng)用于水穩(wěn)基層中充當(dāng)填料[4]，以充分發(fā)揮該檔粉料柔性好的優(yōu)勢(shì)，可一定程度上改善運(yùn)營(yíng)過(guò)程中水穩(wěn)基層因溫縮、干縮所導(dǎo)致的開(kāi)裂問(wèn)題。

1 原材料

進(jìn)行再生水穩(wěn)基層配合比設(shè)計(jì)所使用的原材料，包含水、水泥、分離式細(xì)RAP粉料以及老路原水穩(wěn)基層的銑刨料，未使用新集料，以實(shí)現(xiàn)原路面銑刨料的零廢棄和100%再生利用。

1.1 分離式細(xì)RAP粉料

試驗(yàn)所用填料為0～3 mm檔的細(xì)RAP粉料，由南京312寧合擴(kuò)建項(xiàng)目舊路上面層AC — 13混合料的銑刨料經(jīng)分離再生后得到；經(jīng)抽提試驗(yàn)可以得出，該檔細(xì)RAP中的油石比達(dá)9.8%，已遠(yuǎn)高于普通AC — 13混合料常規(guī)5.0%左右的整體油石比。

1.2 水穩(wěn)基層銑刨料

試驗(yàn)所用集料為312寧合擴(kuò)建項(xiàng)目舊路基層拆除產(chǎn)生的再生料，分為20～30 mm(1#)、10～20 mm(2#)、5～10 mm(3#)、0～5 mm(4#)4檔，根據(jù)要求進(jìn)行了集料的篩分、力學(xué)指標(biāo)等相關(guān)試驗(yàn)，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.3 水泥

所用水泥為P·O 42.5水泥，經(jīng)檢測(cè)，相關(guān)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配類(lèi)型選擇

水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配類(lèi)型可以分為骨架密實(shí)、骨架空隙以及懸浮模式3種結(jié)構(gòu)，考慮到水穩(wěn)定性要求，骨架空隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用得較少[5]。與骨架密實(shí)型級(jí)配結(jié)構(gòu)相比，懸浮密實(shí)型級(jí)配因其級(jí)配特點(diǎn)，粗集料間的空隙可以容納更多細(xì)集料，4.75 mm篩孔通過(guò)率相比骨架密實(shí)型提高了7%～17%，因此有更多的空隙容納細(xì)RAP。此外，與傳統(tǒng)的水泥砂漿相比，細(xì)RAP中所含瀝青粉末可以有效地降低砂漿模量并提高彈性，一定程度上可以改善半剛性基層材料的抗裂性能。綜上所述，本文從細(xì)RAP循環(huán)利用以及提升抗裂性能的角度考慮，選擇懸浮密實(shí)型級(jí)配進(jìn)行細(xì)RAP的應(yīng)用研究。

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

參照《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》( JTJ F034—2000)相關(guān)要求，本次試驗(yàn)選擇懸浮密實(shí)型級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，各檔集料用量以及最終合成級(jí)配如表1所示。

表1 再生水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果集料比例/%合成后各篩孔尺寸(mm)的通過(guò)百分率/%31.526.5199.54.752.360.60.0751#2525.024.66.01.10.80.60.50.52#3030.030.030.04.50.60.50.50.53#1515.015.015.012.52.10.70.70.34#1030.030.030.030.029.520.69.03.6細(xì)RAP2010010010010098.382.642.519.6混合料合成級(jí)配 100.099.681.048.133.022.410.74.9

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及項(xiàng)目實(shí)際情況，所設(shè)計(jì)的再生水穩(wěn)基層主要用于橋下空間硬化、便道等場(chǎng)景，因此，與傳統(tǒng)的抗裂嵌擠型水穩(wěn)碎石相比，再生水穩(wěn)基層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有所降低，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值R代不低于2.5 MPa即可。相應(yīng)的水泥劑量也有所降低，分別按2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%這5種水泥劑量制備試件，采用重型擊實(shí)法成型試件，根據(jù)擊實(shí)曲線確定不同水泥劑量下的最佳含水量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 再生水泥穩(wěn)定碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總表水泥劑量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)2.56.42.0963.07.02.1083.57.52.1204.08.12.1314.58.62.143

根據(jù)不同水泥用量下的最佳含水量和最大干密度，采用靜壓法成型無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件養(yǎng)生7 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 再生水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果水泥劑量/%強(qiáng)度平均值R均/MPa變異系數(shù)CV/%強(qiáng)度代表值R代=R均(1-ZaCv)2.53.210.782.73.04.08.183.43.54.88.144.24.05.58.854.74.56.211.185.1

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮施工過(guò)程中的環(huán)境因素以及質(zhì)量控制要求，水泥劑量確定為3%，含水量確定為7%。

3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)與分析

為了評(píng)價(jià)摻加細(xì)RAP的水穩(wěn)與普通水穩(wěn)力學(xué)性能差異，采用力學(xué)試驗(yàn)評(píng)價(jià)這兩種材料的力學(xué)性能。其中，普通水穩(wěn)碎石所使用原材料、水泥用量與摻細(xì)RAP的水穩(wěn)碎石保持一致，通過(guò)調(diào)整4#料的用量，確保兩種材料的級(jí)配基本一致。

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中T 0805-1994“無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法”，對(duì)再生水穩(wěn)碎石和普通水穩(wěn)碎石在7、28、90、180 d齡期下進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

從圖2可以看出，摻加細(xì)RAP的水穩(wěn)碎石與普通水穩(wěn)碎石呈現(xiàn)類(lèi)似的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)，28 d以?xún)?nèi)的強(qiáng)度增長(zhǎng)較為明顯，28 d以后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，特別是摻加細(xì)RAP的再生水穩(wěn)碎石，其90 d和180 d齡期的強(qiáng)度幾乎無(wú)增長(zhǎng)；在相同齡期下，普通水穩(wěn)碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比摻加細(xì)RAP的再生水穩(wěn)碎石提高10%～20%，由此可見(jiàn)，隨著細(xì)RAP加入，會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)碎石抗壓強(qiáng)度下降。

3.2 回彈模量試驗(yàn)

基層材料回彈模量是重要的材料性能指標(biāo)之一，關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的力學(xué)指標(biāo)與厚度驗(yàn)算。根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中T 0808-1994“無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn)方法(頂面法)”，對(duì)再生水穩(wěn)碎石和普通水穩(wěn)碎石在7、28、90、180 d齡期下進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

圖3 回彈模量隨齡期的變化

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，2種材料回彈模量的變化趨勢(shì)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度一致，均隨著齡期增加而增長(zhǎng)，28 d之前回彈模量增長(zhǎng)較快，28 d以后增長(zhǎng)幅度變緩,在相同齡期下，普通水穩(wěn)碎石相比摻細(xì)RAP回彈模量水穩(wěn)碎石提高16%～34%，由此可見(jiàn)，摻入細(xì)RAP可以明顯降低水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量。通常模量越大則材料的剛度較好，但脆性較大;而摻加細(xì)RAP后，材料模量下降，賦予水泥穩(wěn)定碎石基層更好的彈性，增強(qiáng)了其變形恢復(fù)能力，從而減少裂縫產(chǎn)生。

3.3 干縮試驗(yàn)

隨著水泥水化以及水分蒸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)碎石因內(nèi)部含水量變化而引起宏觀體積收縮現(xiàn)象。按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中T0854-2009“無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料干縮試驗(yàn)方法”，在室內(nèi)自然條件下采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石混合料小梁試件，每組5個(gè)平行試件，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，測(cè)試時(shí)間間隔為第1天6 h一次，第2～5天為12h一次，之后24 h一次，直到含水量基本不變?yōu)橹?，平均干縮系數(shù)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：εi、ε0為第i次及最初測(cè)得的試件干縮應(yīng)變，με；ωi、ω0為第i次及最初測(cè)得的試件含水量，%。

2種水穩(wěn)碎石的干縮試驗(yàn)周期為31 d，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 干縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化結(jié)果

圖5 失水率隨時(shí)間的變化結(jié)果

圖6 不同齡期下的平均干縮系數(shù)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種材料的干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)均隨著時(shí)間增長(zhǎng)而增加，從時(shí)間來(lái)看，初期在重力作用下，失水速率較快達(dá)到4%以上，導(dǎo)致前7 d的干縮應(yīng)變和失水率增長(zhǎng)較快，然后趨于平緩，7 d和14 d齡期的兩種材料平均干縮系數(shù)差異較小，但28 d齡期的平均干縮系數(shù)，摻加細(xì)RAP的水穩(wěn)碎石相比普通水穩(wěn)碎石降低了28%，由此可以看出，細(xì)RAP相比普通水穩(wěn)中0～3 mm檔的集料具有更大的比表面積，可以容納更多孔隙水，使得后期的水分作為孔隙水，具有更好的保水效果，從而減少了水穩(wěn)碎石的干縮應(yīng)變。

3.4 溫縮試驗(yàn)

按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中T 0855-2009“無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料溫縮試驗(yàn)方法”，對(duì)普通水穩(wěn)以及摻加細(xì)RAP的再生水穩(wěn)碎石進(jìn)行溫縮試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

溫縮系數(shù)按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：ti為溫度控制程序設(shè)定的第i個(gè)溫度區(qū)間，℃；εi為第i個(gè)溫度下的平均收縮應(yīng)變，10-6；αt為溫縮系數(shù)，反映單位溫度下材料的線收縮系數(shù)。

表4 溫縮試驗(yàn)結(jié)果10-6/℃材料類(lèi)型不同溫度區(qū)間(℃)的溫縮系數(shù)30～2020～1010～00～-10平均溫縮系數(shù)摻細(xì)RAP的水穩(wěn)碎石24.236.871.813.259.04普通水穩(wěn)碎石141.0564.324.760.7852.75

從表4可以看出，溫度為30℃～20℃、20℃～10℃以及10℃～0℃的3個(gè)溫度區(qū)間，普通水穩(wěn)碎石的溫縮系數(shù)顯著高于摻加細(xì)RAP的水穩(wěn)碎石。這說(shuō)明，在0 ℃以上溫度環(huán)境中，細(xì)RAP含有的瀝青顆粒處于相對(duì)偏軟狀態(tài)，具有較好的彈性，因此細(xì)RAP的摻入能有效減小水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)。然而，溫度降至0 ℃以下后，細(xì)RAP中的瀝青顆粒逐漸脆化，彈性以及彈性恢復(fù)能力明顯下降，導(dǎo)致其溫縮系數(shù)逐漸超過(guò)未摻細(xì)RAP的水泥穩(wěn)定碎石。從-10℃～30℃范圍的平均溫縮系數(shù)來(lái)看，摻細(xì)RAP的水穩(wěn)碎石平均溫縮系數(shù)相比普通水穩(wěn)碎石可以降低83%，這說(shuō)明在通常氣候區(qū)間，細(xì)RAP的摻入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗溫度收縮性能具有較好的改善效果。

3.5 細(xì)RAP在水穩(wěn)碎石中的填充效果分析

基于試驗(yàn)結(jié)果以及分離式再生的工藝特點(diǎn)，對(duì)細(xì)RAP在水穩(wěn)碎石中的填充機(jī)理進(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的0～3 mm檔集料不同，細(xì)RAP的組成比較復(fù)雜，主要由老化的瀝青顆粒、被瀝青裹覆的細(xì)集料2部分組成，另外還有少量未被瀝青完全所裹覆的細(xì)集料。因此，其在水穩(wěn)中的填充作用，基于完全使用老化瀝青顆粒的全彈性填充與完全使用集料的全剛性填充之間，本研究稱(chēng)之為“基于骨架的彈性填充”，即細(xì)RAP中的細(xì)集料充當(dāng)骨架，老化瀝青顆粒則提供一定的彈性作用，這樣既能形成強(qiáng)度，又可以賦予水穩(wěn)層抵抗因干縮、溫縮等因素導(dǎo)致的收縮變形，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的半剛性材料因開(kāi)裂而導(dǎo)致路面出現(xiàn)反射裂縫的不足。

4 結(jié)論

本文選擇分離式再生獲得的細(xì)RAP粉料，以及南京312寧合項(xiàng)目獲得的老路基層銑刨料，進(jìn)行了再生水穩(wěn)碎石的配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，分別從強(qiáng)度、模量、抗裂性能方面，評(píng)價(jià)了細(xì)RAP對(duì)水穩(wěn)碎石性能的影響，得到以下主要研究結(jié)論：

1)基于細(xì)RAP粉料和老路水穩(wěn)銑刨料，選擇懸浮密實(shí)型級(jí)配進(jìn)行摻細(xì)RAP的再生水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)，確定了級(jí)配、最佳含水量以及水泥劑量。

2)力學(xué)性能試驗(yàn)可以看出，相同齡期下，相比普通水穩(wěn)碎石，細(xì)RAP的加入會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低10%～20%，回彈模量降低16%～34%。

3)抗裂性能試驗(yàn)表明，摻加細(xì)RAP的水穩(wěn)碎石28 d齡期的平均干縮系數(shù)相比普通水穩(wěn)碎石降低了28%，-10 ℃～30 ℃范圍的平均溫縮系數(shù)降低了83%，可見(jiàn)細(xì)RAP的摻加可有效改善水穩(wěn)基層的抗裂性能。

4)提出了細(xì)RAP在水穩(wěn)基層中基于骨架的彈性填充作用機(jī)理，即細(xì)RAP中的細(xì)集料充當(dāng)骨架作用，形成強(qiáng)度，由于細(xì)RAP中的老化瀝青顆粒具有較好的彈性，主要起抵抗變形的作用。

5)從配合比設(shè)計(jì)以及材料性能的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，細(xì)RAP可以應(yīng)用于橋下空間硬化、施工便道等對(duì)強(qiáng)度要求不高的地段，并且細(xì)RAP的摻量可達(dá)20%，為難以在混合料中進(jìn)行應(yīng)用的分離式細(xì)RAP再利用提供了新的途徑，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。