温再生混合料级配设计中旧料状态的确定

邵慧君,蒋子龙,刘黎萍

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804)

温再生混合料级配设计中旧料状态的确定

邵慧君,蒋子龙,刘黎萍

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804)

基于表面活性温拌技术,深人分析温再生混合料级配设计的特点,明确了温再生混合料级配设计的关键问题之一是确定再生混合料中旧料的状态。通过室内配置不同旧料掺量、不同旧料状态下的温再生混合料合成级配,研究旧料状态对温再生混合料级配设计的影响。研究结果表明:温再生混合料级配设计时,旧料状态被简化成完全混合状态更合理,即级配设计时以旧料中矿料的筛分数据作为设计依据;但是,当旧料掺量较小时,为方便、快捷地进行级配设计,旧料状态被简化成黑集料状态也是可行的,此时级配设计以旧料的筛分数据作为设计依据。

道路工程;温再生;旧料简化状态;完全混合状态;黑集料状态

在中国,随着大量沥青公路路面进人大、中修期,每年翻修开挖出大量的旧沥青混合料。为了实现其有效利用、减少环境污染,沥青路面再生技术的研究受到越来越广泛的关注[1]。沥青路面再生技术有厂拌冷再生技术、就地冷再生技术、厂拌热再生技术及就地热再生技术等[2]。各种沥青路面再生技术中,厂拌热再生技术相对成熟,再生混合料的性能最有保障。但是,厂拌热再生混合料的生产过程中存在着能耗较大、污染较严重及旧料掺量较低的问题。结合热再生技术和温拌沥青混合料技术[3]而产生的温再生技术是一种新型“绿色环保型”技术。该技术由于降低了生产和施工温度,可以降低旧料在生产过程中的短期二次老化和新沥青的高温粘度,实现较低温度下的拌和和压实,同时还能保持其与普通热拌料相当的路用性能。由于温度的降低,旧料在热再生混合料中和温再生混合料中的状态明显不同,这种差异将显著影响混合料的级配设计结果,因此有必要对温再生混合料中旧料的状态进行研究。

1 再生混合料设计时旧料的几种状态

再生混合料中,旧料的状态分为3种:①黑集料状态,即旧料中的沥青完全不与新沥青融合,新沥青起胶结作用,而旧料仅发挥集料的作用;②完全混合状态,即旧料中的沥青完全熔融,并与新沥青充分融合,共同发挥胶结作用;③部分混合状态,即旧料中的沥青,仅有一部分与新沥青融合发挥胶结作用。美国NCHRP报告[4]认为,对于热再生混合料,新、旧沥青融合的程度比较高,宜把旧料当作完全混合状态;对于冷再生混合料,新、旧沥青融合的程度很低,宜把旧料当作黑集料看待。NCHRP报告给出的热再生和冷再生过程中旧料状态如图1所示。

图1 不同再生混合料中旧料状态示意Fig.1 The states of RAP for different recycling mixtures

再生混合料设计与常规混合料设计一样,关键问题都是确定混合料的级配,不同之处在于再生混合料中由于添加了旧料,确定混合料级配时,必须考虑旧料状态。其实任何一种再生方式中,旧料的状态都应该是部分混合状态,然而到目前为止,仍然不能具体确定该状态下旧料实际参与混合的比例,从而不能有效指导再生混合料的级配设计。因此NCHRP报告针对热再生与冷再生过程对旧料的状态进行了简化,将热再生过程中旧料状态简化为完全混合状态,将冷再生过程中旧料状态简化为黑集料状态。

再生混合料中,旧料的状态被简化为黑集料状态还是完全混合状态,其本质区别体现在再生混合料级配设计上。如果将旧料看作黑集料状态,级配设计时采用的是旧料抽提前的筛分数据;如果将旧料看作完全混合状态,级配设计时采用的是旧料抽提后的筛分数据。温再生混合料的拌合和施工温度与热再生混合料的更接近,因此常规将温再生中旧料的简化方式等同于热再生中旧料的简化方式,定义旧料状态为完全混合状态。然而NCHRP报告[5]关于3种状态下混合料性能试验的对比结果显示:旧料3种状态下混合料性能差别的大小与旧料的掺量有关。当旧料掺量较小时,3种状态下混合料性能差别很小;当旧料掺量较大时,3种状态下混合料性能差别明显。因此,当旧料掺量较小时,如果仍然将温再生中旧料状态简化成完全混合状态,就不可避免地要进行旧料抽提实验,不仅花费很多的人力物力,而且获得的再生混合料性能优势不明显。针对温再生混合料设计,如何简单而又恰当的简化旧料状态是研究的重点。

2 不同旧料掺量时再生混合料的级配差异性

试验用旧料为上海市宝钱公路铣刨料,旧料经破碎筛分后,分成0～5 mm和5～15 mm 2档,室内试验首先对2档旧料进行抽提实验,分析旧料在抽提前、后的筛分变化情况。2档旧料抽提前、后的筛分结果对比分别如图2,3所示。

从图2,3中可以看到,0～5 mm和5～15 mm 2档旧料抽提前的筛分结果和抽提后的筛分结果均存在着较大的差别,因此,进行再生混合料的级配设计时,使用旧料抽提前的筛分结果还是抽提后的筛分结果,会直接导致合成级配的差异。这里,以旧料掺量30%温再生混合料的级配设计为例。对于相同的新集料级配,当分别采用旧料抽提前和抽提后的筛分数据时,2种合成级配曲线的差异如图4所示。“抽提前”指的是按照旧料抽提前的筛分结果合成的级配曲线,“抽提后”指的是按照旧料抽提后的筛分结果合成的级配曲线。

图2 0～5 mm档旧料抽提前、后筛分对比Fig.2 The screening comparison of pre-and post-extraction result of the 0～5 mm RAP

图3 5～15 mm档旧料抽提前、后筛分对比Fig.3 The screening comparison of pre-and post-extraction result of the 5～15 mm RAP

图4 合成级配对比Fig.4 The composite gradation comparison

从图4中可以看出,这2条曲线有较明显的差异。而再生混合料的实际级配曲线应处于“抽提前”曲线和“抽提后”曲线之间。如果“抽提前”曲线和“抽提后”曲线的距离很“近”,则实际级配比较稳定;否则,说明实际级配的不确定性很大。这种“远近”的程度可以用各档通过率之差的平均值来表征,并将该值定义为再生混合料的级配差异性,其计算公式为:

式中:B为再生混合料级配差异性;Hi为使用旧料抽提后的筛分结果合成级配,i档的通过率;Qi为使用旧料抽提前的筛分结果合成级配,i档的通过率;i为对于AC—13级配,i取13.2,9.5,4.75, 2.36,1.18,0.6,0.3,0.15和0.075 mm各档;N为集料的档数,对于AC—13级配,N为9。

由式(1)可知,针对某一种旧料,级配差异性的大小与旧料的掺量有关,按照式(1)计算不同旧料掺量时再生混合料级配差异性,其结果见表1。

表1 不同旧料掺量时再生混合料级配差异性Table 1 The difference of the gradation of recycling mixtures with different contents of RAP

从表1中可以看出,随着旧料掺量的增加,再生混合料的级配差异性增大,且增大的幅度比较稳定。因此,当级配差异性较大时,使用旧料抽提前的筛分数据还是抽提后筛分数据进行级配设计,将对再生混合料设计产生显著影响;而当级配差异性较小时,2种情况下获得的再生混合料级配不会相差太大。

3 旧料简化状态对温再生混合料设计结果的影响

3.1 试验条件

与热拌沥青混合料相比较,温拌沥青混合料是在不改变沥青混合料配合比和施工工艺的前提下,使拌和温度相应降低30℃以上,且性能达到热拌沥青混合料的新型沥青混合料[3]。根据之前的研究[6]和普通温拌沥青混合料的试验经验,确定温再生混合料的温度控制方案,见表2。

表2 各环节的温度控制Table 2 The temperature control of each link

对于普通沥青混合料,温拌剂可以降低沥青粘度,从而降低沥青混合料的拌和温度。对于温再生混合料,温拌剂的加人降低了新沥青的粘度,从而有利于新老沥青的融合。通常使用表面活性剂法进行温再生混合料研究的情况较多,并有摊铺成功的工程案例[7],因此试验使用表面活性剂法进行温再生混合料研究,选用Evotherm DAT—H5温拌添加剂。

3.2 级配差异性较小时,旧料的简化状态

依据《公路沥青路面施工技术规范》[8],以AC—13为合成级配。分别使用旧料抽提前的筛分结果和抽提后的筛分结果调配旧料掺量为20%的再生混合料合成级配,再生混合料合成级配变化情况如图5所示。

图5 添加20%旧料时,再生混合料合成级配变化Fig.5 The change of composite gradation of the recycling mixture of 20%RAP

从图5中可以看出,当旧料掺量为20%时,不论是采用旧料抽提前的筛分数据还是采用旧料抽提后的筛分数据,所获得的合成级配均在规范[8]规定的上、下限范围内,且2条级配曲线接近,表明此时再生混合料的级配差异性较小。

根据设定的试验条件,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[9]中马歇尔试件的成型方式,确定最佳油石,并测试最佳油石比下马歇尔试件的体积参数,测试温再生混合料的性能。对比20%旧料掺量时,2种情况下混合料的体积参数和性能的变化分别如图6,7所示。

图6 2种情况下再生混合料的体积参数对比Fig.6 The volumetric parameter comparison of two recycling mixtures

图7 2种情况下再生混合料的性能对比Fig.7 The performance comparison of two recycling mixtures

从图6,7中可以看出,当旧料掺量为20%时, 2种情况下获得的再生混合料体积参数和性能均能满足规范要求。采用旧料抽提前筛分数据配置的混合料马歇尔试件的空隙率较大、矿料间隙率较大、沥青饱和度较小、稳定度较小、流值较大,同时再生混合料的动稳定度、最大弯拉应变及冻融劈裂强度比均较小。但其试验结果与采用旧料抽提后筛分数据配置的混合料的相差不大,此时,采用旧料抽提后的筛分数据获得的再生混合料性能优势不明显。因此,当旧料掺量较低时,可以考虑采用旧料抽提前的筛分数据调配合成级配,从而省略旧料的抽提过程。NCHRP报告[4—5]中指出,旧料掺量较少时,旧料的状态对再生混合料性能的影响很小,因此这一结果与NCHRP的结论一致。

3.3 级配差异性较大时,旧料的简化状态

依据《公路沥青路面施工技术规范》[8],以AC—13为合成级配。分别使用旧料抽提前的筛分结果和抽提后的筛分结果调配旧料掺量为50%的再生混合料合成级配,再生混合料合成级配变化如图8所示。

图8 添加50%旧料时,再生混合料合成级配变化Fig.8 The change of composite gradation of the recycling mixture of 50%RAP

从图8中可以看出,当旧料掺量达到50%时,采用旧料抽提前的筛分数据获得的合成级配已经接近规范[8]规定的下限,且2条级配曲线距离较远,说明此时再生混合料的级配差异性较大。

分别采用2种级配设计方法,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[9]中马歇尔试件的成型方式,确定最佳油石,测试再生混合料的高温稳定性[10—11]。2种级配设计方法下的混合料高温性能对比见表3,车辙试件的外观对比如图9所示。

表3 2种级配设计方法下的混合料高温性能Table 3 The high temperature performance of the mixture based on the two methods of the design of gradation

从表4和图9中可以看出,当旧料掺量为50%时,采用旧料抽提前筛分数据配置的合成级配已经接近规范下限,可调整的空间少,而且此时再生混合料高温性能检测初期就产生了较大的车辙深度,且车辙试件的表面构造深度不明显,混合料高温性能远不能满足要求。因此,当旧料掺量较大时,采用旧料抽提后的筛分数据调配合成级配更合理。

图9 2种级配设计方法下混合料车辙试件的外观对比Fig.9 The appearance comparison of the mixtures based on the two methods of the design of gradation

4 结论

1)再生混合料设计时对旧料状态的不同考虑会导致级配设计存在不确定性,这种不确定性可用级配差异性来定量表征,旧料掺量越大,级配差异性就越大。

2)当旧料掺量较低(≤20%)时,可采用旧料抽提前的筛分数据进行再生混合料的级配设计,即认为旧料呈黑集料状态。

3)当旧料掺量较大(≥50%)时,需采用旧料抽提后的筛分数据进行再生混合料的级配设计,即认为旧料呈完全混合状态。

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Determination on the state of RAP in the warm-mix recycling asphalt mixture gradation design

SHAO Hui-jun,JIANG Zi-long,LIU Li-ping
(The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University,Shanghai 201804,China)

Based on the surface activity of warm-mix technology,the characteristics of warm-mix recycling asphalt mixture gradation design is studied.One of the key problems of warm recycling mixture gradation design is how to determine the state of RAP is found.Different kinds of recycling mixture gradations with different contents and states of RAP are synthesized.The influence of RAP states on warm recycling mixture gradation design is also studied.The results show that during the warm-mix recycling asphalt mixture gradation design,the state of RAP should be simplified with a complete mixing state,that is to say,the recycling mixture should be synthesized by using the RAP screening result of post-extraction.When the content of RAP is small,the state of RAP can also be simplified with a black aggregate state,at this time,using the RAP screening result of pre-extraction is also feasible.

road engineering;warm-mix recycling;the state of RAP;complete mixing state;black aggregate state

U414

A

1674—599X(2015)04—0013—05

2015—04—12

上海市自然科学基金项目(12231201100)

邵慧君(1987—),女,同济大学博士生。