厂拌热再生路面回收料加热温度区间分析

王飔奇，黄晓明，胡　林（东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

厂拌热再生路面回收料加热温度区间分析

王飔奇，黄晓明，胡林
（东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

厂拌热再生沥青混合料的拌和温度对再生混合料（RAP）的性能有着很大的影响。若温度过低，容易导致新旧材料无法完全融合，致使再生混合料路用性能下降；若温度过高，则容易发生沥青的再次老化，同时消耗更多的能源。文章通过室内车辙板试验和RAP分散性试验初步确定RAP加热温度区间（100～140 ℃），并通过分析AC-20S再生混合料的整体路用性能（低温性能与疲劳性能）与厂拌热再生混合料加热温度的关系，提出RAP的合理加热区间为120～130 ℃。

厂拌热再生；RAP；加热温度；分散性；路用性能

厂拌热再生设备需要对路面回收料（RAP）进行加热，加热过程中需要控制RAP的加热温度。然而生产实际中，RAP加热温度区间的确定具有较大的随意性，对此国内的一部分学者建议将温度设定在80～100℃。长安大学的任拴哲［1］在其博士学位论文中提出这个温度设定偏低，并通过车辙试验提出加热区间应设为90～130 ℃。长安大学的时磊［2］根据RAP抽提沥青老化程度，认为加热温度应设为130 ℃。俞志龙［3］认为根据RAP确定的预热温度在100～140 ℃为宜。事实上，影响RAP的加热温度因素有RAP的分散程度、新旧沥青混合料的融合、最佳油石比和再生混合料的路用指标（高温、低温、疲劳性能等）等多种因素，这些因素之间互相关联。控制RAP掺量不变。对RAP在不同加热温度下上述指标的变化进行研究，可得出RAP合理的加热温度区间。该文以车辙试验、RAP的分散性指标初步给出温度区间范围；利用RAP掺量为25%的再生混合料，对其低温性能、疲劳性能等路用性能指标校核温度区间范围的合理性，确定合理的加热区间。

1　RAP加热温度区间的确定

1.1 RAP分散性和机理分析

任栓哲［1］对旧料在 90 ℃和 130 ℃加热温度下进行了再生试验。结果表明，其他条件不变时，将旧料的预加热温度从90 ℃提高到130 ℃时，变形量下降，动稳定度增加，即抗疲劳性能增加。这是因为，在温度较低（90 ℃）时，RAP中的一部分沥青并没有参与新的混合料的融合而是仅仅裹敷在集料的表面，新的沥青和旧料中的旧沥青没有完全融为一体，甚至一部分没有融化的旧沥青会阻碍新沥青与RAP中集料的接触。这时RAP分散程度较低，导致了再生混合料抗荷载碾压能力的下降和较低的动稳定度。

从微观机理上看，RAP主要是由集料和裹在外面的旧沥青组成的，由于沥青的黏性，不同RAP颗粒彼此结成团块，形成“颗粒团”，在路面材料经历过铣刨、破碎、堆积等过程后这些团块依然存在，甚至会黏住更多的粒料。图1为南京某机场路面行车道上、中面层铣刨回收料抽提前后的级配分布情况。

图1　行车道上中面层抽提前后级配分布图

分别对比行车道上面层和中面层的情况，可以发现通过率在16～0.15 mm区间差别最大，RAP经过抽提后，＞16 mm的那部分颗粒基本消失，而＜0.15 mm的细粒比例明显增加。分析可知在RAP中＞16 mm的颗粒一般都是不同粒径的颗粒所组成的颗粒团，由于沥青的粘结作用使它们粘在一起；RAP中＜0.15 mm的颗粒基本上都是粘附在其他大粒径颗粒上共同组成颗粒团的，只有抽提以后它们才会显现出来。

在RAP中颗粒极易结成团块，在厂拌热再生工艺生产中，将RAP中的颗粒分散开需达到一定的温度。若达不到这个温度的下限，RAP将达不到分散度要求，颗粒始终以团块形式存在，新的集料、沥青无法与RAP形成真正意义上的拌合，影响再生混合料的路用性能。

1.2 RAP的分散性指标

针对南京某机场铣刨料进行RAP不同温度的分散性试验，通过建立分散性指标，考察不同加热温度下RAP的分散程度。

对于分散性，其基本假设是［4］：随着加热温度的升高，颗粒团块打开的程度越来越高，某些小粒径的通过率增大。当温度超过一定数值的时候，RAP的分散程度达到充分，这时再提高温度，其分散性变化不大了，亦即加热温度T1＞T2时，筛孔通过率Pr，T1≥Pr，T2。

对于量化评判RAP的分散程度，考虑到一般情况下抽提后的矿料通过率Psh比新拌混合料的要高，采用如下公式计算“结团度”指标ds：式中：Pr为温度T时，RAP各个筛孔通过率；Px为抽提矿料与新沥青拌和的混合料在160 ℃（拌和温度）分散温度下各个筛孔通过率。

在某个温度T下结团度越小，说明在此温度下RAP的分散性越好。由式（1）知，“结团度”的定义考虑了3种情况：温度为T时RAP的级配，抽提后RAP的级配，模拟拌和RAP与新沥青时在拌和温度下的级配。

考虑到虽然RAP在抽提后的矿料级配与预加热温度无相关性，但在不同温度下级配不相同，故针对RAP特点的定义细度模数μf。由于RAP在加热分散的过程中，粗料（本文规定粒径＞2.36 mm的颗粒）会部分转化成＜2.36 mm的细颗粒。但同时，这个过程会让原来＜2.36 mm的细粒中的粗粒比重增加，所以本文采用公式（2）和公式（3）分别表征细料和粗料的细化程度：

由定义可知，细度模数越小，矿料的分散性能越好。

1.3 RAP分散性试验

采用南京某机场快速路行车道中面层的回收料进行分散性试验，步骤如下：

（1）将路面回收材料RAP直接筛分，得到RAP的级配；通过抽提回收的方法，测定RAP的沥青含量以及抽提矿料的级配。

（2）按规范要求取样，称取适量RAP（3 kg）。将RAP试样置于通风烘箱2 h，达到颗粒内外温度均衡，烘箱温度调节为所需验证RAP的加热分散温度（100 ℃，120 ℃，140 ℃）。

（3）将保温的RAP材料倒入搅拌锅中拌和，并向其中加入同比例的食盐（食盐：RAP=1∶1），充分拌和1 min；将混合料倒出后反向倒回搅拌锅再次拌和1 min，确保食盐将RAP颗粒团充分分散。

（4）将混合料倒出，按照规范要求进行水洗筛分，去除食盐部分；将水洗后的RAP风干，并筛分得到分散后的级配。

（5）将（1）中抽提得到的矿料按照得到的油石比添加新沥青，拌和新沥青混合料（3 kg），拌锅温度为165 ℃；添加同等比例的食盐，进行本试验中的（3）、（4）步骤，得到的级配认为是混合料理想均匀分散的状态，定义此级配为本试验的“标准级配”。

试验结果见图2。

图2　各加热温度下RAP分散后的级配图

由图2知，2.36 mm以上各筛孔通过率由大到小的关系为：抽提矿料＞“标准级配”混合料＞140 ℃＞120 ℃＞100 ℃＞常温RAP，亦即在＞2.36 mm粒径中，抽提后的矿料最细，未抽提的常温RAP最粗。随着加热温度的升高，在＞2.36 mm部分经过加热的RAP级配曲线均在未抽提RAP曲线之上，说明加热后RAP的分散性明显得到改善。同时抽提后的RAP细料比例大幅增加，出现明显的细化现象。

基于前面给出的评价分散性的量化指标，分别计算RAP在不同温度加热后的“结团度”、粗料细化度和细料细化度，结果见表1。

表1 RAP分散性试验分散程度评价指标值

从结团度来看，随着温度的升高，RAP结团度大幅下降，120 ℃时，结团度系数为9.1%，140℃时达到4.3%；从细化度来看，粗料在加热温度升高的过程中比例下降，但细料在加热的过程中不减反增，这是因为RAP加热后部分粗料颗粒细化成细料（＜4.75 mm），这些细化颗粒反而成为细料中比较粗的部分，使得细料的细化度模数增大。

综上所述，考虑车辙试验时，RAP加热温度越高（90～140 ℃），混合料动稳定度越高；在考虑RAP加热分散性指标时，温度升高将显著改善RAP的分散程度，故加热温度区间定为100～140 ℃。

2　RAP加热温度对再生混合料路用性能的影响

相关试验结果表明，添加一定比例的RAP不会减弱再生混合料的高温性能，其高温技术指标甚至增大，而对低温性能、水稳定性以及疲劳性能的影响较大。

2.1 RAP加热温度与再生混合料高温性能的关系

本试验主要分析RAP的加热温度与高温性能指标动稳定度的关系，试验采用AC-20S再生混合料、RAP掺量为25%，矿粉掺加比例为4%。试验中温度设置为90 ℃，110 ℃，120 ℃，130 ℃及140 ℃。动稳定度试验结果见图3。

图3　RAP不同预热温度下的再生混合料动稳定度

如图3所示，随着RAP预加热温度的提高，试件的动稳定度大幅提高，高温性能不断增强，预热温度为90 ℃时，再生混合料的动稳定度也达到了2 000次/min以上，满足规范中的要求。故提高RAP的加热温度的目的不在于提高再生混合料的高温性能。

2.2 RAP加热温度与再生混合料体积参数的关系

体积参数设计中空隙率（VV）的控制非常重要。对于密级配沥青混合料，国内外大量的研究表明，当空隙率VV＞5%时，路面的结构强度出现下降；当VV位于7%～8%时，路面的渗水性急剧增加，易出现早期水损坏；当 VV位于8%～12%时，尽管混合料中的空隙较多，但还未完全联通，渗透的水分在空隙中难以排出，路面状态处于水饱和。车辆荷载作用产生较大的动水压力，也容易导致水损坏的发生［5］。在厂拌热再生技术中，RAP的掺加会导致再生混合料的空隙率较大，压实较为困难。

试验采用AC-20S再生混合料，RAP掺配比例25%，预热温度90 ℃，110 ℃，120 ℃，130 ℃及140 ℃。试验注意严格控制沥青用量（4.3%）、级配（AC-20S）等其他因素采用同一标准。试验结果见图4。

图4　RAP预热温度与再生混合料空隙率关系图

从图4中可以看出，随着RAP加热温度的升高，再生混合料的空隙率不断下降，说明温度升高后RAP中的沥青能较好地与新沥青融合，混合料的结合更为充分，空隙率下降，在110～140 ℃空隙率下降最为明显。

2.3 RAP加热温度与再生混合料低温性能的关系

由图4可知，在加热到140 ℃时，VV降到最低，但由于过高的温度会导致沥青的深度老化，降低其低温抗裂性，因此对南京某机场道路回收料抽提回收的旧沥青分别在90 ℃，110 ℃，130 ℃及140 ℃温度下保温2 h后进行三大指标测试，以此来观察提高温度后对沥青的影响。试验结果见表2。

表2　不同加热温度对旧沥青的三大指标的影响

从表2数据可以看出，加热温度升高，RAP中的旧沥青的针入度和延度有不同程度的下降，在130～140 ℃的时候下降最为明显。这说明RAP的加热温度不能无限提高，温度上升后沥青老化明显，直接导致再生混合料的低温性能下降。

2.4 RAP加热温度与再生混合料疲劳性能的关系

在车轮荷载作用下，沥青路面长期承受应力应变重复循环变化，路面结构强度降低。当荷载重复作用超过一定次数后，荷载应力超过材料极限强度，路面出现裂缝而发生疲劳破坏，疲劳破坏是沥青路面重要的损坏形式之一［6］。对于厂拌热再生工艺，RAP的添加对再生混合料疲劳寿命的影响主要体现在2个方面：（1）在某个加热温度下，RAP能否与新沥青、新集料充分融合；（2）拌和后的再生混合料的空隙率是否满足要求，因为空隙率越大，混合料中微裂缝越多，在反复荷载作用下这些微裂缝致使疲劳性能降低。

试验考察不同的RAP加热温度对于再生混合料的疲劳寿命的影响。试验采用AC-20S设计级配，RAP的掺配比例为25%。疲劳试验采用控制应力的3点加载小梁试验，结果见图5。随着RAP加热温度的升高，再生混合料的疲劳寿命随之提高，在110～120 ℃的增幅最大；120～140 ℃区间，增幅不明显。

图5　RAP预热温度与再生混合料疲劳寿命关系图

综上所述，随着RAP加热温度的升高，再生混合料的高温性能、抗疲劳性能等均上升，空隙率下降，在90～120℃时尤为明显。但温度的升高会导致RAP中沥青的老化，影响再生混合料的低温性能，温度在130～140 ℃时老化程度最高。结合车辙试验、分散性试验结果，建议的加热温度区间为120～130 ℃。

3　结论

本文通过对RAP在不同温度下的分散性以及再生混合料路用性能的研究，得出了如下结论：

（1）在其他条件不变的情况下，将旧料的加热温度从90 ℃提高到130 ℃时，变形量下降，动稳定度增加，即抗疲劳性能增加。

（2）当RAP的加热温度达到120 ℃时，其结团度系数为9.1%（小于10%），粗料的细度模数1.416（小于1.5），均已接近140 ℃的分散指标，分散程度已较为理想。

（3）RAP加热温度从90 ℃提高到140 ℃的过程中，材料间的拌和更加均匀，矿料间更加密实，空隙率呈现降低趋势；随着预热温度的提高，RAP的高温性能不断增强，预热温度从90 ℃到120 ℃，RAP疲劳性能出现较大幅度的增长，当温度超过120 ℃时，疲劳寿命的增加比例较小；预热温度到达130 ℃时，沥青的针入度和延度的下降较为明显，沥青在该温度下老化加剧，再生混合料低温性能下降。

（4）对于本试验所用再生混合料，RAP理想加热温度区间为120～130 ℃。若RAP中旧沥青已经出现较为严重的老化，建议取温度下限，防止沥青的深度老化；当RAP的掺配比例较高且旧沥青的老化程度不高时，建议将RAP的加热温度适当提高，以取得更好的软化沥青、融合新沥青新集料的效果，但温度不宜超过130 ℃。

［1］任拴哲.沥青路面厂拌热再生及其设备关键技术研究［D］.西安：长安大学，2008.

［2］ 时磊.沥青混凝土厂拌热再生设备改造关键技术研究［D］.西安：长安大学，2011.

［3］ 俞志龙.厂拌热再生沥青混合料路用性能及施工工艺研究［D］.重庆：重庆交通大学，2013.

［4］ 王真. SBS改性沥青路面性能恢复技术研究［D］.南京：东南大学，2012.

［5］沙庆林.空隙率对沥青混凝土的重大影响［J］.国外公路，2001，21（1）：34-38.

［6］朱洪洲，黄晓明.沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析［J］.东南大学学报（自然科学版），2004，32（2）：260-263.

Heating Range Analysis for Hot in Plant Recycling of Asphalt Pavement

Wang Siqi， Huang Xiaoming， Hu Lin
（School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Heating temperature has great influence on the pavement performance during the hot in plant recycling process of reclaimed asphalt mixture. The aging mixture and the virgin mixture can not be fully mixed if the heating temperature is too low and the performance of reclaimed mixture can not meet the mixture standard. Otherwise， the reclaimed mixture will be aged under high heating temperature which will also need more energy during heating process. The reasonable heating temperature is preliminarily presented based on both the wheel tracking test and the RAP's diversity （100～140℃）. The optimum heating temperature is determined based on the relationship between the heating temperature of reclaimed mixtures （AC-20S） and general pavement performance （performance in low temperature and ability to prevent fatigue）.

hot in plant recycling; RAP; heating temperature; diversity; road performance

U414

A

1672–9889（2015）05–0005–04

王飔奇（1991-），男，江苏南京人，博士研究生，研究方向为路面结构设计，路面新材料，路面纹理技术数字化研究。

（2014-12-19）