基于篩分試驗的熱再生瀝青混合料結(jié)團量化分析

吳建濤 焦 巖 夏新全 楊 帥 王志新

(1河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 南京 210098)(2南京中交智慧城市建設(shè)投資有限公司， 南京 211899)

瀝青路面服役過程中會出現(xiàn)車轍和裂縫等病害，在改建、維修過程中會產(chǎn)生大量的廢舊瀝青路面材料(RAP)[1].在RAP再生技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛的同時，也暴露出了RAP利用率低、級配變異性大等弊端[2-3].RAP通常由多個顆粒通過瀝青黏結(jié)而成，在較高溫度或較大荷載時會分散破碎[4].RAP質(zhì)量分數(shù)、拌和溫度、拌和時間以及RAP粒徑等多種因素造成RAP顆粒組成復(fù)雜，工程應(yīng)用中較難掌握其級配規(guī)律[5-7].多種因素作用下RAP結(jié)團[8-9]的存在及分散是影響再生瀝青混合料路用性能的根本原因之一.

已有研究表明再生瀝青混合料中的結(jié)團現(xiàn)象顯著影響再生料的均勻性以及最終質(zhì)量.Nguyen[10]研究證實了再生瀝青混合料中RAP結(jié)團的存在；Navaro等[11]發(fā)現(xiàn)結(jié)團由較小的RAP細集料和RAP結(jié)合料組成；Wu等[12]利用ITSM試驗和彩色圖像分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)團的異步破碎是導(dǎo)致RAP瀝青混合料均勻性降低的主要原因.為定量分析結(jié)團現(xiàn)象和評價結(jié)團程度，Bressi等[13-14]明確了再生瀝青混合料RAP結(jié)團的定義，提出了驗證并量化結(jié)團現(xiàn)象的評價指標，建立了小粒徑RAP結(jié)團的預(yù)測模型.Xu等[15]將RAP分為弱結(jié)構(gòu)結(jié)團、強結(jié)構(gòu)結(jié)團和舊骨料3種類型，以損失率和穩(wěn)定性指數(shù)為定量指標來評價RAP的結(jié)團程度和穩(wěn)定性.

不同檔位集料下的RAP結(jié)團特性區(qū)別明顯卻鮮有研究，如何定量地評價不同檔位的結(jié)團現(xiàn)象以及如何驗證評價指標的準確性未能得到很好解決.為此，本文綜合考慮粒徑和質(zhì)量分數(shù)，通過分檔和整體相結(jié)合的篩分試驗對熱再生瀝青混合料的結(jié)團現(xiàn)象進行了有效量化分析，提出了結(jié)團程度的定量評價指標和預(yù)測模型，以期為實際工程中RAP粒徑和RAP質(zhì)量分數(shù)的選擇方法提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

本試驗中采用的瀝青均為70#基質(zhì)瀝青，性能指標見表1.采用的集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r.選用AC-13型級配，采用馬歇爾設(shè)計方法室內(nèi)成型試件，設(shè)計級配見表2.最佳油石質(zhì)量比確定為4.0%.

表1 基質(zhì)瀝青主要性能指標

表2 瀝青混合料AC-13型設(shè)計級配

1.2 RAP的制備

為了盡可能消除RAP的變異性[16-17]，本文根據(jù)Bell等[18]提出的室內(nèi)瀝青混合料老化方法制備RAP，有效地保證了所用RAP中瀝青老化程度、瀝青含量和集料級配等參數(shù)一致.首先，將拌和后的松散混合料置于135 ℃恒溫烘箱中4 h，以模擬瀝青混合料的短期老化.然后，采用馬歇爾擊實儀成型瀝青混合料試樣.將壓實后的試樣置于85 ℃烘箱中5 d，模擬瀝青混合料的長期老化.將老化后的試樣于135 ℃下人工破碎，得到RAP材料.采用四分法對RAP進行取樣，隨機選擇其中的3份進行篩分，獲得級配曲線，結(jié)果見圖1.由圖可知，3次破碎樣本的級配曲線基本吻合，說明135 ℃下人工破碎馬歇爾試件得到的RAP級配較為穩(wěn)定均勻.

圖1 RAP破碎篩分結(jié)果

1.3 試驗方法

1.3.1 分檔RAP結(jié)團制備與評價指標

不同粒徑范圍形成的結(jié)團對RAP級配的穩(wěn)定性有顯著影響，特別是當瀝青混合料中的粗顆粒形成結(jié)團時，RAP的級配曲線將產(chǎn)生明顯變異[19].因此，對RAP進行粒徑分檔有助于級配的穩(wěn)定性，從而提升再生瀝青混合料的路用性能[20].本文基于篩分試驗提出了一種熱再生瀝青混合料結(jié)團的制備和評價方法.首先，分別將RAP和新集料篩分成Ⅰ～Ⅳ四檔，其粒徑分別為0～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm；然后，稱取一定質(zhì)量(mb)的某檔RAP(如Ⅱ檔)，將其與上一檔新集料(如Ⅲ檔)和瀝青拌和3 min后再次篩分，稱量該檔RAP剩余質(zhì)量(ma).分析質(zhì)量變化，計算得到分檔結(jié)團指數(shù)Cg，其值愈大，說明再生料的結(jié)團程度越嚴重.Cg的計算公式為

(1)

本文考慮RAP粒徑和質(zhì)量分數(shù)對熱再生瀝青混合料結(jié)團程度的變化規(guī)律.其中，RAP粒徑考察Ⅰ～Ⅳ四檔粒徑范圍，RAP質(zhì)量分數(shù)設(shè)置為20%、40%、60%、80%.

以Ⅱ檔、RAP質(zhì)量分數(shù)為40%的再生瀝青混合料為例，RAP結(jié)團制備步驟如下：①按w(RAP)=40%稱取一定質(zhì)量的Ⅱ檔RAP、Ⅲ檔新集料以及基質(zhì)瀝青；②將RAP與新集料拌和1 min后置于160 ℃烘箱中保溫30 min；③加入基質(zhì)瀝青繼續(xù)攪拌2 min，以獲得均勻性良好的混合料；④將拌和完成后的熱再生瀝青混合料置于160 ℃烘箱中保溫90 min；⑤待再生料完全冷卻后通過篩分(篩孔徑為2.36 mm)，獲得質(zhì)量分數(shù)為40%的Ⅱ檔粒徑RAP.

由于Ⅱ檔RAP的粒徑范圍為1.18～2.36 mm，該檔RAP可以通過孔徑為2.36 mm的篩孔，而粒徑范圍為2.36～4.75 mm的新集料則無法通過.因此，無論是舊料黏結(jié)成團還是新舊料之間黏附，形成的RAP結(jié)團粒徑均大于2.36 mm(留在篩上)，則Ⅱ檔RAP初始質(zhì)量與剩余質(zhì)量的差值即為該檔RAP中參與結(jié)團形成的質(zhì)量.按照式(1)進行計算，即可得到Ⅱ檔、RAP質(zhì)量分數(shù)為40%下再生瀝青混合料的分檔結(jié)團指數(shù)Cg.

1.3.2 RAP結(jié)團整體評價指標

整體級配下熱再生瀝青混合料的結(jié)團程度研究可作為分檔結(jié)團試驗的對照和補充，也可為分檔結(jié)團試驗得到的變化規(guī)律進行驗證.在拌和過程中，RAP表面的老化瀝青會與新瀝青混溶并裹覆在新集料和RAP表面[9]，混溶后的瀝青黏附性決定了結(jié)團的穩(wěn)定性.因此，可采用混溶瀝青的黏度間接地量化表征RAP的結(jié)團程度.本文將實際狀態(tài)和理想狀態(tài)(完全混溶)下的瀝青旋轉(zhuǎn)黏度作為特征參數(shù)，用以評價整體級配下再生瀝青混合料的RAP結(jié)團程度，并依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2019)中瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗，測定回收瀝青的黏度.

本文采用Bressi等[8]提出的篩分方法，獲取實際狀態(tài)下整體級配的RAP結(jié)團.首先，根據(jù)RAP質(zhì)量分數(shù)確定再生料的級配曲線和篩分粒徑.然后，選用小于篩分粒徑的各粒徑范圍RAP以及大于篩分粒徑的各粒徑范圍新集料，按照1.3.1節(jié)中的步驟將其充分拌和后篩分.通過篩孔的混合料僅為被混溶瀝青裹覆的RAP，對剩余RAP進行回收，并測定抽提瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度.RAP質(zhì)量分數(shù)設(shè)置為30%、50%和80%，對應(yīng)的篩分粒徑分別為 4.75、9.50和13.20 mm.

基于完全混溶假設(shè)，將新舊瀝青按一定比例混溶，制備理想狀態(tài)下的瀝青.采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱老化的方法來制備舊瀝青，測定混溶后的瀝青旋轉(zhuǎn)黏度.整體級配下熱再生瀝青混合料的整體結(jié)團指數(shù)計算公式為

(2)

式中，Cm為整體結(jié)團指數(shù)，其值越大表示再生料的結(jié)團程度越高；ηrc、ηic分別為實際狀態(tài)和理想狀態(tài)下的瀝青旋轉(zhuǎn)黏度.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 分檔結(jié)團指數(shù)

通過分析人工破碎的RAP級配曲線發(fā)現(xiàn)，RAP材料中存在結(jié)團現(xiàn)象.對比圖1中的破碎級配與設(shè)計級配曲線可以發(fā)現(xiàn)，每一檔破碎級配的通過率均小于設(shè)計級配，破碎級配相對于設(shè)計級配整體向右偏移，說明人工破碎后的RAP級配整體變粗.當檔位粒徑小于1.18 mm時，RAP級配的通過率接近0，表明RAP中基本不存在粒徑小于1.18 mm的顆粒.由此推斷在老化過程中，粒徑小于 1.18 mm的顆粒出現(xiàn)了結(jié)團現(xiàn)象，這也為1.3.1節(jié)中設(shè)置0～1.18 mm粒徑范圍提供了理論依據(jù).

分檔結(jié)團指數(shù)的試驗結(jié)果見表3.由表可知，對于不同RAP質(zhì)量分數(shù)的再生料，均呈現(xiàn)RAP粒徑越小分檔結(jié)團指數(shù)越高的規(guī)律.當粒徑范圍為0～1.18 mm時，分檔結(jié)團指數(shù)大于50%，表明超過半數(shù)的RAP顆粒參與結(jié)團的形成；當粒徑大于4.75 mm時，分檔結(jié)團指數(shù)低于10%，表明再生料的結(jié)團程度處于較低水平.此外，對于同一粒徑范圍、不同RAP質(zhì)量分數(shù)的分檔結(jié)團指數(shù)，數(shù)據(jù)間差異并不明顯.因此，初步推斷RAP粒徑對分檔結(jié)團指數(shù)的影響較顯著，而RAP質(zhì)量分數(shù)對分檔結(jié)團指數(shù)的影響較小.

表3 分檔結(jié)團指數(shù)試驗結(jié)果

2.2 結(jié)團程度預(yù)測模型

熱再生瀝青混合料的結(jié)團現(xiàn)象在每一檔粒徑中均有發(fā)生.為了更好地預(yù)測不同檔位下再生料的結(jié)團程度，進一步分析RAP質(zhì)量分數(shù)和粒徑對結(jié)團程度的影響規(guī)律，以不同拌和條件組合下的分檔結(jié)團指數(shù)Cg為基礎(chǔ)，通過線性擬合得到預(yù)測模型，以實現(xiàn)對結(jié)團程度的預(yù)估分析.

熱再生瀝青混合料的結(jié)團程度受到RAP質(zhì)量分數(shù)和粒徑不同程度的影響，可推測結(jié)團程度的預(yù)測模型是以RAP質(zhì)量分數(shù)和粒徑為自變量、分檔結(jié)團指數(shù)為因變量的二元函數(shù).由于RAP粒徑是某一范圍值，在函數(shù)式中并不適用，因此將區(qū)間中值作為該粒徑范圍內(nèi)RAP粒徑的代表值.然后將RAP質(zhì)量分數(shù)、粒徑及分檔結(jié)團指數(shù)進行多元線性擬合，確定RAP結(jié)團程度的預(yù)測模型，具體表達式為

Z=f(x,y)=35-41.74r+4.148w+7.55r2-

0.217 8rw-0.074 92w2-0.387 1r3-

0.008 883r2w+0.003 032rw2+0.000 3776w3

(3)

式中，Z為分檔結(jié)團指數(shù)；r為RAP粒徑；w為RAP質(zhì)量分數(shù).

該模型的擬合優(yōu)度值(R2)為0.982 2，說明其擬合相關(guān)性較好.將通過該模型計算得到的分檔結(jié)團指數(shù)理論值與表3中的實測值進行對比，分析其相對誤差，結(jié)果見表4.由表可知，分檔結(jié)團指數(shù)的相對誤差整體均勻且數(shù)值較小，說明預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，預(yù)測模型的可靠性較高.

表4 分檔結(jié)團指數(shù)誤差值

以RAP粒徑、RAP質(zhì)量分數(shù)、分檔結(jié)團指數(shù)為坐標繪制該預(yù)測模型的三維圖像，結(jié)果見圖2.圖像顏色可以對結(jié)團程度進行量化表征，顏色越接近紅色，表明混合料的結(jié)團程度越高，反之則表明混合料的結(jié)團程度較低.由圖可知，小粒徑混合料結(jié)團程度較高，大粒徑混合料結(jié)團程度較低.

圖2 預(yù)測模型三維圖像

2.3 影響因素分析

2.3.1 RAP粒徑的影響

圖3給出了分檔結(jié)團指數(shù)與RAP粒徑的關(guān)系曲線，圖4為w=40%時的分檔結(jié)團指數(shù)曲線.圖中，K為曲線斜率.由圖可知，當RAP粒徑較小時，分檔結(jié)團指數(shù)及其變化斜率均較大；隨著粒徑的增加，分檔結(jié)團指數(shù)始終呈下降趨勢，且變化斜率相應(yīng)減小；當RAP粒徑大于6 mm時，分檔結(jié)團指數(shù)基本低于10%，變化斜率趨近于0，曲線整體相對平緩.這表明RAP粒徑與分檔結(jié)團指數(shù)呈顯著負相關(guān)，同時曲線變化斜率與結(jié)團指數(shù)的變化趨勢保持一致，尤其是當RAP粒徑在2.36～4.75 mm范圍內(nèi)時.此外，同一RAP粒徑下分檔結(jié)團指數(shù)的變化幅度較小，且隨著粒徑的增加，其變化幅度逐漸趨于恒定，這也證明了所得預(yù)測模型的適用性和穩(wěn)定性.由此可將4.75 mm的RAP粒徑認為是熱再生瀝青混合料結(jié)團程度的分界值.當RAP粒徑小于4.75 mm時，分檔結(jié)團指數(shù)整體偏高且變化速率較快，說明細顆粒易黏結(jié)成團，較小粒徑對分檔結(jié)團指數(shù)的影響較大.當RAP大于4.75 mm時，分檔結(jié)團指數(shù)整體偏小且其切線斜率趨于極小值，表明粗顆粒難以結(jié)團，較大粒徑對分檔結(jié)團指數(shù)的影響較小.

圖3 粒徑對分檔結(jié)團指數(shù)的影響

圖4 w=40%時分檔結(jié)團指數(shù)曲線

2.3.2 RAP質(zhì)量分數(shù)的影響

圖5給出了分檔結(jié)團指數(shù)與RAP質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系.由圖可知，隨著RAP質(zhì)量分數(shù)的增加，分檔結(jié)團指數(shù)的整體變化趨勢為先增加后減少，這與文獻[13]的研究結(jié)果一致.當w<40%時，分檔結(jié)團指數(shù)與RAP質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)；當w>40%時，分檔結(jié)團指數(shù)與RAP質(zhì)量分數(shù)呈負相關(guān)；當w>80%時，分檔結(jié)團指數(shù)基本保持穩(wěn)定；w=35%～45%時分檔結(jié)團指數(shù)達到峰值.然而，當分檔結(jié)團指數(shù)處于較低水平時，其數(shù)值在w=30%,80%附近急劇增加.究其原因在于，再生瀝青混合料中易形成結(jié)團的主要成分是細集料或礦粉，粗集料參與結(jié)團的概率較低；但由于試驗的偶然性，存在少量的粗粒徑RAP結(jié)團生成，數(shù)量不多但質(zhì)量相對較大，導(dǎo)致分檔結(jié)團指數(shù)的驟然增長.

圖5 RAP質(zhì)量分數(shù)對分檔結(jié)團指數(shù)的影響

2.3.3 影響因素對比

圖6為分檔結(jié)團指數(shù)的等高線圖.由圖可知，隨著RAP粒徑的增加，分檔結(jié)團指數(shù)的等高線具有向外延展的趨勢，且等高線間的距離逐漸變寬.這表明隨著粒徑的增加，分檔結(jié)團指數(shù)減小的速率逐漸增大，在w=40%時尤為突出.對比發(fā)現(xiàn)，等高線的橫向變化趨勢與縱向相比更加明顯，即RAP粒徑對分檔結(jié)團指數(shù)的影響程度遠大于RAP質(zhì)量分數(shù)的影響，這與文獻[15,21-22]的研究結(jié)果一致，同時驗證了分檔結(jié)團指數(shù)Cg在評價結(jié)團程度方面的有效性.

圖6 分檔結(jié)團指數(shù)等高線圖

綜上所述，RAP粒徑是控制結(jié)團生成的決定性因素，對再生瀝青混合料結(jié)團程度的影響較為顯著.因此，在實際生產(chǎn)過程中，當RAP質(zhì)量分數(shù)選取合適時，建議選用較粗粒徑的RAP集料(如粒徑大于4.75 mm的RAP)，盡可能減少細顆粒的RAP使用量，從而避免熱再生瀝青混合料生產(chǎn)過程中的結(jié)團現(xiàn)象，提高熱再生瀝青混合料的路用性能.

2.4 整體結(jié)團指數(shù)

為了驗證RAP質(zhì)量分數(shù)對再生料結(jié)團程度的影響規(guī)律，記錄實際狀態(tài)與理想狀態(tài)下不同RAP質(zhì)量分數(shù)時的瀝青旋轉(zhuǎn)黏度，繪制RAP質(zhì)量分數(shù)與整體結(jié)團指數(shù)的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖7.由圖可知，隨著RAP質(zhì)量分數(shù)的增加，2種狀態(tài)下瀝青旋轉(zhuǎn)黏度間的相對差值逐漸減小，整體結(jié)團指數(shù)持續(xù)下降，說明熱再生瀝青混合料的結(jié)團程度也隨之降低.

對比整體結(jié)團指數(shù)Cm與分檔結(jié)團指數(shù)Cg，整體級配的結(jié)團規(guī)律在w=50%～80%時與分檔結(jié)團指數(shù)的結(jié)論一致，說明高摻量下熱再生瀝青混合料的結(jié)團程度隨著RAP質(zhì)量分數(shù)的增加而降低，RAP質(zhì)量分數(shù)存在著極值范圍.這也進一步驗證了分檔結(jié)團規(guī)律的適用性，表明結(jié)團指標Cg和Cm可用于有效評價熱再生瀝青混合料的結(jié)團程度.

圖7 整體結(jié)團指數(shù)試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1)采用篩分試驗?zāi)軌蜉^好地模擬不同粒徑范圍內(nèi)的熱再生瀝青混合料結(jié)團現(xiàn)象.分析了RAP粒徑和RAP質(zhì)量分數(shù)對結(jié)團程度的影響規(guī)律，從分檔和整體2個層面上量化表征了熱再生瀝青混合料結(jié)團程度.

2)結(jié)團指標Cg可以有效反映熱再生瀝青混合料的結(jié)團程度，其預(yù)測模型在一定程度上驗證了先前的理論研究，實現(xiàn)了對本實驗條件下結(jié)團程度的理論推測.

3)RAP粒徑與結(jié)團指數(shù)整體呈負相關(guān)，4.75 mm的RAP粒徑是熱再生瀝青混合料結(jié)團程度的分界值.再生料的結(jié)團程度隨著RAP質(zhì)量分數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢，在RAP質(zhì)量分數(shù)為35%～45%時達到峰值.與RAP質(zhì)量分數(shù)相比，RAP粒徑對熱再生瀝青混合料的結(jié)團程度影響更為顯著.

4)在實際施工過程中，當RAP質(zhì)量分數(shù)確定時，建議選用粒徑大于4.75 mm的RAP粗集料，盡可能減少小粒徑RAP的使用量.

5)本研究基于室內(nèi)模擬試驗來提出結(jié)團程度評價指標和指導(dǎo)建議，其可靠性仍需在施工現(xiàn)場進行進一步驗證.