厂拌热再生沥青混合料路用性能研究

厂拌热再生沥青混合料路用性能研究

宋小峰，王大明*

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

摘要：对南京某高速公路铣刨的废旧沥青混合料(RAP)性能进行试验研究，在回收沥青中加入适量的再生剂，并评价再生沥青的性能，发现回收沥青的性能得到改善。根据配合比设计方法，对厂拌热再生沥青混合料(RAP掺量为30%)和普通沥青混合料进行配合比设计，并对其高温稳定性、水稳定性、低温性能以及疲劳性能进行评价。研究表明：在30%RAP掺量下，厂拌热再生沥青混合料的性能均满足规范要求，相对于普通沥青混合料，其高温性能和水稳定性能提高，但低温性能和疲劳性能有所下降；再生剂的加入能够有效地改善厂拌热再生沥青混合料的水稳定性能、低温性能和疲劳性能。

关键词：热再生；沥青混合料；RAP；再生剂；性能评价

中图分类号：S 773；U 414

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)02-0139-06

Abstract：The experimental study on reclaimed asphalt pavement(RAP)from an expressway in Nanjing was carried out.After adding appropriate amount of regeneration agent in recycled asphalt and evaluating the performance of regenerated asphalt，the authors found that the performance of recycled asphalt was improved.According to the method of concrete mix design，the concrete mix ratios for the plant-mixed hot recycling asphalt mixture(with 30% RAP)and common asphalt mixture were designed，and the high temperature performance，water stability，low temperature performance，and fatigue performance were evaluated.The research showed that with 30% RAP，the performance of plant-mixed hot recycling asphalt mixture can meet the requirements of specification.Compared with ordinary asphalt mixture，the plant-mixed hot recycling asphalt mixture had better high temperature performance and water stability，but worse low temperature performance and fatigue performance；certain amount of regeneration agent can effectively improve the water stability，low temperature performance，and fatigue performance of plant-mixed hot recycling asphalt mixture.

Keywords：plant-mixed hot recycling；asphalt mixture；RAP；regeneration agent；performance evaluation

收稿日期：2014-11-18

基金项目：江苏省优势学科建设工程资助项目

作者简介：第一宋小峰，硕士研究生。研究方向：路面结构与材料。

通讯作者：*王大明，硕士，副教授。研究方向：路面结构与材料。E-mail：njwdm 2000@163.com

Research on Road Performance of Plant-mixedHot Recycling Asphalt Mixture

Song Xiaofeng，Wang Daming*

(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

引文格式：宋小峰，王大明.厂拌热再生沥青混合料路用性能研究[J].森林工程，2015，31(2)：139-144.

据统计，我国每年由于道路维修及养护会产生约3 000万t的废旧沥青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，简称RAP)，并且还以15%的速度在不断增加[1]。如果不对这些RAP加以利用，不仅会带来环境问题，而且还会引起资源问题[2]。我国从20世纪50年代开始研究沥青路面的再生利用，但是直到70年代，才开始不同程度地对废旧沥青混合料进行再生试验路段的铺筑。20世纪80年代中后期到90年代初，由于受当时环境的限制，废旧沥青混合料再生技术的研究被暂时搁置[3]。而目前，上世纪已建成的高速公路陆续进入改扩建、大中修期，沥青路面混合料再生技术再次得到关注。厂拌热再生技术是几种沥青混合料再生方式中适用范围最广的再生技术，但我国厂拌热再生技术在生产应用过程中，RAP材料变异性及RAP性能的不稳定性常常影响RAP的掺配率，目前我国厂拌热再生沥青混合料RAP掺配率一般控制在20%左右[4]。

为提高厂拌热再生沥青混合料RAP掺配率，本研究通过控制RAP变异性及恢复RAP性能等手段，设计厂拌热再生沥青混合料(RAP掺量30%)和普通沥青混合料，通过车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验、间接拉伸试验评价其高温性能、水稳定性能、低温性能和疲劳性能。将掺配30%RAP的厂拌热再生沥青混合料的性能与普通沥青混合料进行对比，分析其性能变化规律及再生剂对厂拌沥青混合料性能的影响。

1RAP性能

研究所用旧料为南京某高速铣刨的旧沥青混合料，为了解旧沥青混合料的变异性，初步对其进行了抽提、筛分和级配试验分析。结果表明，回收旧料严重细化，筛孔13.2 mm和9.5 mm的通过率已超出规范级配范围，再生沥青混合料的配合比设计不容易达到级配要求。因此，本次研究将RAP材料筛分成9.5～26.5 mm和0～9.5 mm粗、细两档料，并对其进行了沥青含量、级配、密度和回收沥青等性能检验。

1.1　RAP沥青含量

RAP沥青含量的测定对后面再生沥青混合料配合比设计起着至关重要的作用，它将直接关系到再生沥青混合料的最佳沥青用量[5]。用离心法测定粗、细两档料的沥青含量，检测结果见表1。

表1　RAP沥青含量检测结果 Tab.1 Test results of asphalt content in RAP

从检测结果均方差可以看出，所取6组试样沥青含量偏差不是很大，测得的沥青含量平均值可以作为筛分后粗、细料沥青含量代表值，分别为2.56%和4.58%。

1.2　RAP级配及性能指标

沥青路面在长期使用过程中，路面承受外部车辆荷载及环境综合作用，沥青混合料内部出现一定程度的破损。再加上沥青混合料在回收过程中，铣刨机械强力挖除、铣刨以及后期的破碎环节都使混合料中集料性能发生不可逆转的变化[6]。

对RAP进行抽提并检测抽提后的筛分结果，以确定RAP的级配，检测结果见表2。

表2　RAP筛分检测结果 Tab.2 Screening test results of RAP

按照《公路工程集料试验规程》中关于集料压碎值、针片状含量、密度等的检测方法，对回收抽提后的集料进行性能检测[7]，检测结果见表3。

表3　RAP中集料质量指标检测结果 Tab.3 Test results of aggregate in RAP

以上粗、细料检测结果，说明RAP在自身使用过程中其物理性质未发生大的变化，回收的旧沥青混合料仍然具有再生利用价值。在再生沥青混合料配合比设计时，将粗、细料按不同比例添加，有利于再生沥青混合料级配优化控制，同时加入一定量的新集料补足旧沥青混合料的强度，使沥青混合料内部形成骨架嵌挤结构，以获得合适的路用性能。

1.3　回收沥青性能

目前，回收旧沥青性能评价指标主要有：针入度、软化点、延度、60℃动力黏度。本次研究用旋转蒸发法来回收废旧沥青混合料中的沥青，先用离心分离法将旧沥青从废旧沥青混合料中分离出来，然后将抽提液倒入离心甩干机用高速离心机将沥青抽提液中的矿粉等细微固体分离出来，最后用旋转蒸发仪蒸发分离沥青[8]。RAP回收旧沥青的各项性能指标见表4。

表4　回收沥青技术指标检测结果 Tab.4 Test results of reclaimed asphalt

由表4可知，回收沥青的针入度降低，软化点上升，延度降低。说明回收沥青已经部分老化，但《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)规定，热再生时回收的旧沥青混合料其旧沥青的针入度>20(0.1 mm)时才能用于热再生[9]，本次研究回收沥青测得的针入度为26.9(0.1 mm)，说明回收旧沥青混合料仍然具有再生价值。

1.4　再生沥青性能

采用加入再生剂的方法对回收沥青进行再生，本次研究采用苏博特A型再生剂，其在2%、4%、6%、8%和10%不同掺量下对回收沥青的改善情况见表5。

表5　再生剂对回收沥青各项性能改善结果 Tab.5 Improvements of regeneration agent on reclaimed asphalt

再生剂富含轻质组分，作为分散相添加到沥青溶液中，随着添加量的增加，沥青胶体结构逐渐由凝胶型向溶—凝胶体结构转变，软化点、针入度、粘度等指标逐渐恢复[10-11]。根据以上试验结果可以看出，随着再生剂用量的增加，再生沥青的软化点下降，针入度和15℃延度增加。当A型再生剂掺量为6%时，其针入度和软化点性能接近原样70号基质沥青的技术指标。因此，本次研究确定再生剂最佳用量为回收旧沥青含量的6%。

2新料性能

新料为和县东山采石场的石灰岩(0～4 mm、4～11 mm、11～15 mm、15～19 mm和19～24 mm)、矿粉和新沥青。

2.1　新矿料性能

按照《公路工程集料试验规程》的要求对矿料进行相关试验检测，检测结果表明，矿料的各项质量指标满足要求，能够用于试验研究，其中矿料筛分及密度试验结果见表6和表7。

表6　新矿料筛分试验结果 Tab.6 Screening test results of new aggregate

表7　新矿料相对密度试验结果 Tab.7 Relative density of new aggregate

2.2　新沥青性能

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求对新沥青(A级70 号沥青)进行了三大指标试验和老化试验，试验结果见表8。试验结果表明，该沥青满足道路石油沥青A级70 号的技术要求。

表8　70号石油沥青检测结果 Tab.8 Test results of 70# petroleum asphalt

3厂拌热再生沥青混合料配合比设计

3.1　级配选择

试验级配采用中面层AC-20C级配，该级配在江苏省各公路段应用比较广泛，RAP掺配率为30%，按粗料5%、细料25%的方式添加。

3.2　矿料级配设置

本研究对普通热拌、添加30%RAP的热再生、添加30%RAP+6%再生剂的热再生沥青混合料分别进行了配合比设计，以确定合成级配和最佳油石比。为排除矿料级配对沥青混合料性能造成的影响，在沥青混合料矿料合成级配设计时，要注意三种设计方案合成级配尽可能的靠近[12]。基于这方面的考虑，沥青混合料矿料合成级配见表9，如图1所示。

表9　沥青混合料矿料合成级配 Tab.9 Synthesis gradations of aggregates in asphalt mixture　%

图1　沥青混合料合成级配曲线 Fig.1 Grading curves of asphalt mixtures

3.3　油石比的确定

根据以上确定的矿料合成级配，按照0.5%间隔变化，分别取5个不同的油石比进行马歇尔试验，确定混合料的最佳油石比和各项性能指标[13]，添加30%RAP的热再生和添加30%RAP+6%再生剂的热再生沥青混合料级配相同，因此它们的最佳油石比也相同，马歇尔试验结果见表10。

表10　马歇尔稳定度试验结果 Tab.10 Test results of Marshall stability

注：要求空隙率3、4和5所对应的VMA最小值分别为12、13和14，当空隙率不是整数时，由内插确定要求的VMA最小值。

根据施工规范的方法计算OAC1和OAC2，并取其中值，得到添加30%RAP的热再生和添加30%RAP+6%再生剂的热再生沥青混合料最佳油石比为4.4%。依据此方法，得到普通热拌沥青混合料最佳油石比为4.3%。

4厂拌热再生沥青混合料性能评价

研究上述三种设计的沥青混合料的高温稳定性能、水稳定性能、低温性能以及疲劳性能，并进行对比分析。

4.1　高温稳定性能

分别对普通热拌、添加30%RAP的热再生、添加30%RAP+6%再生剂的热再生沥青混合料进行车辙试验，测定其动稳定度。试验结果见表11。

表11　沥青混合料抗车辙性能试验结果 Tab.11 Test results of anti-rutting performance for asphalt mixtures

由表11可知，添加30%RAP的再生沥青混合料的动稳定度满足规范要求，且其动稳定度是普通沥青混合料的2.9倍。比较普通热拌沥青混合料与添加30%RAP的再生沥青混合料在45 min和60 min时的变形量可以发现，再生沥青混合料的高温变形远远小于普通沥青混合料，这说明添加30%RAP的再生沥青混合料具有更好的高温稳定性，其抵抗车辙变形的能力优于普通沥青混合料。比较添加6%再生剂与未添加再生剂的再生沥青混合料可见，再生剂虽对再生沥青混合料的高温稳定性有一定负面影响，但仍然优于普通沥青混合料。

4.2　水稳定性能

分别对普通热拌、添加30%RAP的热再生、添加30%RAP+6%再生剂的热再生沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，测定其残留稳定度和冻融劈裂强度比TSR，分析其水稳定性能。试验结果见表12。

表12　沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果 Tab.12 Test results of immersion Marshall Test and freeze-thaw split test for asphalt mixtures

由表12可知，添加30%RAP的再生沥青混合料的水稳定性能满足规范要求，且其浸水马歇尔稳定度和冻融劈裂强度都略高于普通热拌沥青混合料，这说明30%RAP掺量下的再生沥青混合料的水稳定性并没有因为加入RAP而下降。相对于普通热拌沥青混合料，30%RAP掺量下的再生沥青混合料的水稳定性有了一定程度的提高，但提高幅度不大。比较添加6%再生剂前后的再生沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比可以发现，添加再生剂后再生沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比都有所提高，这说明合理再生剂的掺配能够有效地改善再生沥青混合料的水稳定性。

4.3　低温性能

分别对普通热拌、添加30%RAP的热再生、添加30%RAP+6%再生剂的热再生沥青混合料进行弯曲试验，分析其低温性能。试验条件：温度为-10℃，速率为50mm/min[12]，试验结果见表13。

表13　沥青混合料弯曲试验结果 Tab.13 Bending test results of asphalt mixtures

由表13可知，添加30%RAP的再生沥青混合料的低温性能相对于普通热拌沥青混合料有所下降，但仍然能够满足规范要求。比较添加6%再生剂前后的再生沥青混合料的低温性能，发现添加再生剂后再生沥青混合料的破坏应变增大，说明再生剂的加入能够有效地提高再生沥青混合料的低温性能[13-15]。

4.4　疲劳性能

为了进一步研究添加30%RAP的再生沥青混合料的长期耐久性能，用重复加载的方法对三种沥青混合料分别进行疲劳试验。疲劳试验采用标准击实马歇尔试件进行间接拉伸试验，试验温度为15℃，试验荷载采用连续无间歇半正矢荷载，荷载频率为10 Hz，疲劳试验的应力比分别取0.3、0.4、0.5和0.6[16-17]，疲劳试验结果见表14。

表14　沥青混合料疲劳性能试验结果 Tab.14 Test results of fatigue performance of asphalt mixtures

由表14可知，在相同应力比条件下，添加30%RAP的再生沥青混合料的疲劳寿命远远低于普通热拌沥青混合料，且随着应力比的增大，差距越来越大。比较添加6%再生剂前后的再生沥青混合料的疲劳寿命，发现再生剂加入使再生沥青混合料的疲劳寿命得以增加，说明再生剂对于再生沥青混合料的疲劳性能具有一定的改善作用。

5结论

(1)经过合理的配合比设计及材料控制，再生沥青混合料能满足规范中马歇尔相关技术指标要求，旧料变异性可以得到有效的控制。

(2)在回收沥青中加入6%的再生剂(旧沥青含量的6%)后，其性能可基本恢复到原样沥青的水平。

(3)添加30%RAP的再生沥青混合料的高温性能和水稳定性能均满足规范要求，这说明RAP的加入可以提高再生沥青混合料的高温性能和水稳定性。相对而言，再生沥青混合料的高温性能提高的更明显，水稳定性也有一定程度的提高，但提高幅度不大。

(4)添加30%RAP的再生沥青混合料的低温性能和疲劳性能低于普通热拌沥青混合料，RAP的加入对再生沥青混合料造成了不利影响，但仍能满足规范要求。

(5)再生剂能够有效改善再生沥青混合料的水稳定性能、低温性能及疲劳性能。

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[责任编辑：肖生苓]