不同RAP摻量SMA再生瀝青混合料性能試驗(yàn)分析

李浩， 熊鑫， 李俊

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430056； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院， 北京市 100088)

瀝青路面在維修養(yǎng)護(hù)過程中，由于銑刨重鋪將會(huì)產(chǎn)生大量的回收瀝青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)。過去由于行業(yè)環(huán)保意識(shí)不足，RAP料未得到有效的回收利用，經(jīng)常直接廢棄處理。在國(guó)家大力倡導(dǎo)綠色養(yǎng)護(hù)的背景下，采用廠拌熱再生技術(shù)對(duì)RAP料予以利用，是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一[1]。

理想情況下廠拌熱再生混合料配合比設(shè)計(jì)應(yīng)盡量增大RAP料的摻量，但是再生瀝青混合料的路用性能應(yīng)與新拌瀝青混合料相當(dāng)，或者不明顯弱于新拌瀝青混合料。因此在常規(guī)瀝青混合料馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，RAP料特性分析、再生瀝青性能研究等尤為重要[2-4]。曹衛(wèi)東等[5]通過理論推導(dǎo)建立了廠拌熱再生混合料油石比快速預(yù)估方法；周志剛等[6]提出了一種綜合考慮再生瀝青技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)要求的再生瀝青優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；蘇衛(wèi)國(guó)等[7]基于老化瀝青、新瀝青及再生劑的混溶機(jī)理，對(duì)老化瀝青的有效再生率進(jìn)行了研究；熊劍平等[8]分析了拌和時(shí)間、拌和溫度、RAP預(yù)熱溫度等因素對(duì)老化瀝青再生率的影響。RAP料中集料密度差異將對(duì)再生瀝青混合料的空隙率、合成級(jí)配產(chǎn)生較大的影響，集料顆粒的遷移規(guī)律也會(huì)影響再生瀝青混合料的均勻性，因此RAP料穩(wěn)定性對(duì)再生瀝青混合料的路用性能十分重要[9-10]。此外，也有大量學(xué)者對(duì)廠拌熱再生瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能進(jìn)行研究，分析了RAP摻量、再生劑等因素的影響，但是研究對(duì)象多為不同層位AC瀝青混合料[10-17]。

SMA作為目前高速公路上面層最為常用的瀝青混合料，如能使用RAP料生產(chǎn)合格的SMA瀝青混合料，將有利于廠拌熱再生技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此該文采用SMA瀝青路面銑刨得到的RAP，以40%RAP摻量為代表進(jìn)行廠拌熱再生瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步對(duì)比分析了不同RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響。

1 原材料

(1) 瀝青

新瀝青混合料采用SBS改性瀝青拌制而成，SBS改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

(2) 再生劑

采用RA-75型再生劑，再生劑的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

(3) 回收瀝青路面材料RAP

RAP料的瀝青混合料類型為SMA-13。為了減少RAP料成團(tuán)結(jié)塊的現(xiàn)象，使用破碎篩分機(jī)對(duì)RAP料進(jìn)行處理，破碎篩分機(jī)選用的篩孔為6、11、16 mm，將RAP料篩分為0～6、6～11、11～16 mm3檔，從而與拌和站熱料倉(cāng)的篩網(wǎng)孔徑保持一致，保證RAP料的級(jí)配相對(duì)統(tǒng)一。

3檔料中0～6 mm含有較多的粉塵、泥土，此次配合比設(shè)計(jì)時(shí)未予以采用。對(duì)6～11、11～16 mm兩檔RAP料進(jìn)行抽提篩分，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。兩檔RAP料的含水率、針片狀顆粒含量和壓碎值試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2 再生劑技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表3 兩檔RAP料抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果

表4 回收瀝青路面材料RAP技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

(4) 其他原材料

采用的粗集料為5～10、10～15 mm玄武巖碎石，細(xì)集料為0～3 mm石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r質(zhì)礦粉，纖維為木質(zhì)素纖維。采用的原材料技術(shù)性質(zhì)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2 廠拌熱再生SMA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 再生劑摻量確定

再生劑摻量以RAP料中舊瀝青質(zhì)量計(jì)，分別選取2%、3%、4%共3個(gè)摻量，不同摻量條件下再生瀝青的針入度、軟化點(diǎn)以及延度測(cè)試結(jié)果如圖1～3所示。

由圖1～3可知：與舊瀝青三大指標(biāo)相比，隨著再生劑摻量的增大，再生瀝青的針入度和延度逐漸增大，軟化點(diǎn)逐漸減少，表明再生劑起到了明顯的調(diào)和效果，因老化現(xiàn)象導(dǎo)致的瀝青硬化得到一定程度的緩解。但是考慮到再生劑摻量過大時(shí)，瀝青軟化程度較高，在碾

圖1 再生劑摻量與針入度關(guān)系

圖2 再生劑摻量與軟化點(diǎn)關(guān)系

壓過程中出現(xiàn)泛油的風(fēng)險(xiǎn)增大，并且高溫穩(wěn)定性也會(huì)受到影響。因此以軟化點(diǎn)下降不超過10 ℃為基準(zhǔn)，推薦再生劑摻量為3%。

圖3 再生劑摻量與延度關(guān)系

2.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

通過對(duì)6～11、11～16 mm兩檔RAP料的產(chǎn)量進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)二者比例約為3∶2，因此為了減少RAP的浪費(fèi)，將兩檔RAP料的內(nèi)部摻配比例定為60∶40。以40%RAP摻量為例，通過調(diào)整3組新料的礦料級(jí)配使再生瀝青混合料礦料級(jí)配盡可能落入SMA-13礦料級(jí)配范圍，并測(cè)試再生瀝青混合料的空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度，選取體積指標(biāo)滿足要求的新料級(jí)配開展后續(xù)研究。不同新料級(jí)配及再生料合成級(jí)配如表5所示，不同新料級(jí)配條件下再生料的空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果如圖4所示。

表5 不同新料級(jí)配及再生料合成級(jí)配

圖4 不同再生料空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度

該文將再生料合成油石比暫定為6.0%。由表5可知：調(diào)試的3組再生料合成級(jí)配均在SMA-13級(jí)配范圍內(nèi)。由圖4可知：① 從空隙率指標(biāo)看，A、B、C再生料空隙率分別為3.7%、4.2%、4.7%，只有A級(jí)配再生料的空隙率在規(guī)范要求的3%～4%范圍內(nèi)。另外JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)高溫穩(wěn)定性要求較高的重交通路段或炎熱地區(qū)，設(shè)計(jì)空隙率允許放寬至4.5%。B級(jí)配再生料也可認(rèn)為滿足空隙率要求；② 從馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)看，A、B、C 3種再生料馬歇爾穩(wěn)定度分別為9.9、11.4、9.2 kN。B級(jí)配再生料最大，表明適當(dāng)增大空隙率可以一定程度上提高瀝青混合料的力學(xué)性能。但是C級(jí)配再生料的馬歇爾穩(wěn)定度較B級(jí)配有明顯下降，與其空隙率過大有關(guān)。

綜合考慮3組級(jí)配再生料的空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度，以及路面實(shí)際施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度可能低于室內(nèi)試件擊實(shí)程度的現(xiàn)象，為了避免過多出現(xiàn)空隙率或壓實(shí)度不合格情況，推薦采用A級(jí)配作為廠拌熱再生SMA瀝青混合料的新料級(jí)配。

2.3 油石比確定

采用上述新料A級(jí)配，分別以合成油石比5.5%、6.0%、6.5%3組油石比配制再生瀝青混合料，此時(shí)新料的油石比分別為5.6%、6.4%、7.2%。考慮到廠拌熱再生瀝青混合料多用于養(yǎng)護(hù)工程，混合料運(yùn)輸距離和時(shí)間較長(zhǎng)，為了避免混合料在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的析漏問題，該文將新料析漏損失作為油石比確定的技術(shù)指標(biāo)之一。除此之外，將室內(nèi)成型再生瀝青混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度也作為油石比確定的另外一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

不同油石比條件下新料析漏損失和再生料馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 新料析漏損失和再生料馬歇爾穩(wěn)定度

由圖5可知：再生瀝青混合料的油石比過大或過小均不利于其路用性能，再生瀝青混合料的油石比為5.5%和6.5%時(shí)其馬歇爾穩(wěn)定度均小于油石比為6%；另一方面，當(dāng)再生瀝青混合料的油石比為6.5%時(shí)，此時(shí)新料的油石比為7.2%，油石比明顯偏高，新料析漏損失也達(dá)到0.18%，超出SMA瀝青混合料0.1%的技術(shù)要求。綜上所述，推薦再生瀝青混合料的油石比為6.0%，此時(shí)新料的油石比為6.4%。

3 不同RAP摻量再生瀝青混合料路用性能對(duì)比

為了分析RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響，需要控制其他因素如礦料級(jí)配、油石比等盡量一致。以盡可能接近表5中40%RAP摻量下合成級(jí)配A，且維持合成油石比6.0%不變?yōu)樵瓌t，通過調(diào)整新料各檔礦料比例，設(shè)計(jì)了30%和50%RAP摻量下再生瀝青混合料。3種RAP摻量下再生瀝青混合料的礦料級(jí)配如表6所示，各項(xiàng)路用性能檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

表6 不同RAP摻量下再生瀝青混合料礦料級(jí)配

表7 不同RAP摻量下再生瀝青混合料路用性能

由表7可知：RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料路用性能影響顯著。對(duì)于空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度等體積指標(biāo)，在RAP摻量為30%～40%時(shí)，二者與新拌瀝青混合料相比基本維持一致，但是當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，空隙率已經(jīng)大于4%，并且馬歇爾穩(wěn)定度出現(xiàn)了明顯降低。

由于再生瀝青混合料的油石比為6%，屬于最佳油石比范圍內(nèi)，因此不同RAP摻量的再生瀝青混合料析漏損失均小于0.1%，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。但是再生瀝青混合料飛散損失則隨著RAP摻量增大而不斷增加，表明受到RAP摻量影響，再生混合料的抗飛散性能有所衰減。

對(duì)于高溫穩(wěn)定性，當(dāng)RAP摻量為30%、40%時(shí)，再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別較新拌瀝青混合料提高了12.5%、45.5%，但是當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度較新拌瀝青混合料反而降低了7.8%；對(duì)于低溫抗裂性，隨著RAP摻量增大，再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變一直減少，表明摻加RAP會(huì)對(duì)再生瀝青混合料的低溫抗裂性產(chǎn)生不利影響；對(duì)于水穩(wěn)定性，隨著RAP摻量增大，再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比均先增大、后減小，RAP摻量為30%時(shí)水穩(wěn)定性最優(yōu)，RAP摻量為50%時(shí)，再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性已經(jīng)差于新拌瀝青混合料。

RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：① 瀝青路面的老化現(xiàn)象導(dǎo)致RAP料中舊瀝青老化較嚴(yán)重，這從回收瀝青的針入度偏小、軟化點(diǎn)偏大，以及開展延度試驗(yàn)時(shí)瀝青脆斷可以得到驗(yàn)證。RAP摻量越大，再生瀝青混合料中舊瀝青比例就越大，那么再生瀝青的技術(shù)性質(zhì)就越差。馬歇爾穩(wěn)定度、飛散損失以及低溫破壞應(yīng)變的持續(xù)減少與此有關(guān)。當(dāng)然，老化瀝青的重質(zhì)組分比例較大導(dǎo)致瀝青黏稠度增大，在一定條件下對(duì)瀝青混合料的路用性能有利，如動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比在RAP摻量為30%～40%時(shí)有所提升；② 由于RAP料含有瀝青，因此對(duì)其加熱時(shí)溫度不宜過高，一般為130～140 ℃。拌制再生瀝青混合料時(shí)新料溫度有限，導(dǎo)致RAP摻量較大時(shí)再生混合料的成型溫度無法得到較好保證，這在路面現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)將會(huì)更加嚴(yán)重。由表5中3種RAP摻量下再生瀝青混合料礦料級(jí)配可知，50%RAP摻量下再生瀝青混合料的礦料級(jí)配更細(xì)，但是其空隙率反而最大，主要原因在于馬歇爾試件的成型溫度不足。同樣地，高摻量RAP再生瀝青混合料的路用性能也會(huì)受到擊實(shí)不足的顯著影響。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于老化SBS改性瀝青，隨著RA-75型再生劑摻量的增大，再生瀝青的針入度和延度逐漸增大，軟化點(diǎn)逐漸減少，以軟化點(diǎn)下降不超過10 ℃為基準(zhǔn)，推薦再生劑摻量為3%。

(2) 對(duì)于SMA再生瀝青混合料，當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，再生瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均有所下降，與再生料中舊瀝青比例較高，以及舊料加熱溫度有限、導(dǎo)致再生料壓實(shí)不足有關(guān)，建議適宜的RAP摻量為30%～40%。