沥青路面旧料精分离技术与大比例再生技术在高速公路中的应用

高立波，王 森，霍继辉，易军艳，周健楠,李 爽

(1.辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015； 2.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室 沈阳市 110015；3.辽宁交投公路科技养护有限责任公司 沈阳市 110148； 4.辽宁省高速公路运营管理有限责任公司 沈阳市 110003；5.哈尔滨工业大学 哈尔滨市 150001； 6.辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006)

0 引言

固体废弃物的减量化和资源化一直是困扰世界各国政府和研究人员的难题，也是我国提出构建绿色环保和可持续发展社会的重要组成部分。据推算，我国仅干线公路大中修工程，每年产生沥青路面旧料达1.6亿吨。就辽宁省而言，每年产生约50万吨沥青路面废料。沥青路面固废再生利用将是未来发展趋势，也是当下最热门的研究课题之一。

由于RAP料性能存在变异性、旧沥青无法与新沥青、再生剂充分融合、再生沥青混合料出料温度低等原因，现在厂拌热再生技术RAP料掺配比例一般均低于30%，形成的再生沥青混合料存在低温性能、水稳定性能、抗疲劳性能不足的问题[1]，并且很少大规模应用于高等级及高速公路沥青面层中[2]。众多学者进行了相关研究[3-4]，但目前国内外主要针对低掺量(<50%)的再生沥青混合料路用性能进行了大量实验研究，对高掺量的RAP路用性能研究较少。提出的基于精细分离超大比例再生技术，首先从RAP旧料的精细分离技术及配套设备研制出发，实现RAP旧料中油石分离，最大限度解决RAP料假粒径、变异性大问题，从RAP料源头解决现阶段大比例再生沥青混合料因为RAP变异性大引起的施工稳定性差问题；其次，研发具有高效活化与扩散融合特性和增粘改性作用的温拌再生剂和直投式增粘再生改性剂，实现高掺量厂拌热再生沥青混合料性能恢复；最后通过施工全过程质量管控成套技术实现热再生RAP旧料掺加比例70%，冷再生微表处旧料掺加比例100%。再生沥青混合料高、低温性能达到新沥青混合料水平，可以应用于高速公路、高等级公路沥青路面面层新建和养护工程中，实现原位、大比例、高性能再生循环利用，不仅可以节省工程造价，还可节约自然资源和大量能源，减少环境污染，符合交通可持续发展的基本国策。

1 基于RAP精分离技术沥青路面旧料材料化研究

1.1 RAP精分离技术

RAP精细分离技术就是采用专门“沥青路面铣刨料精细分离再利用系统及工艺”，将沥青路面铣刨旧料通过多次沥青与石料剥离、精细筛分分离将沥青路面铣刨料分成3～7挡规格的级配材料，可以基本消除旧料的假粒径问题，实现RAP细集料0～3mm、3～5mm精细分离，沥青路面RAP材料化、骨料化。

1.2 RAP材料化研究

对精分离处理后的RAP集料进行试验研究，本研究除了对其进行压碎值、级配组成等规范规定常规指标进行评价外，采用抽提前后关键筛孔筛余率偏差来评价RAP假粒径颗粒含量情况，结果见图1。并提出精细化预处理后的RAP技术要求(建议值)，见表1。为今后该技术推广应用提供技术支撑。

图1 RAP抽提前后筛分结果对比

表1 精细化预处理后的RAP技术要求(建议值)

1.3 技术优势

沥青路面旧料精分离技术，将旧料中沥青与石料进行了物理分离，技术优势总结如下：

(1)有效解决了厂拌热再生技术旧料掺量过高时再生沥青混合料质量波动问题，经工程验证可以实现RAP掺量比例70%高性能再生。

(2)旧沥青与石料的分离，促进了新旧沥青的有效融合和旧沥青性能的再生恢复，消除再生沥青混合料的“黑石”现象，有助于提高再生沥青混合料的路用性能。

(3)精分离RAP再生集料可应用于AC、SMA、高模量、超薄磨耗层等高性能沥青混合料及表面层中，实现原位、大比例、高性能、高值化再生利用。

(4)精分离粗集料可作为粗集料直接添加到沥青拌合站冷料供给系统中，实现骨料化。

(5)精分离RAP再生集料可以应用于全比例微表处、碎石封层、RAP裂缝处置、乳化沥青厂拌冷再生等多种技术中。

1.4 工程应用

2020年在辽宁省桓永高速公路路面维修项目中，采用RAP精分离技术共加工沥青路面旧料3万吨，应用效果良好。

2 基于新旧沥青融合再生技术高效再生剂研发

2.1 新旧沥青融合再生技术

对于再生沥青混凝土，根据沥青混凝土的Black-Rock模型，回收料中集料表面均匀地覆盖一层旧沥青。当新料添加进去以后，新胶结材料包裹住了旧沥青和骨料，如图2。混合料的不均匀性主要有两个层次，分别为I型和II型不均匀性。I型来源于混合料的结团现象；II型则为集料表面老化与再生剂的分层现象。

图2 再生混合料黑石模型

在大掺量再生混合料中，由于新加材料量比较少，因此集料与集料之间主要形成旧集料/旧沥青/新胶结料/旧沥青/旧集料的五层夹层结构。在混合料拌合、施工、服役过程中，各层沥青和再生剂之间一直发生着融合扩散现象，直至充分融合。如图3所示。

图3 新旧沥青间的融合扩散现象

综上所述，再生剂不仅需要具备恢复老化沥青性能的能力，更重要的是要有快速扩散融合的能力。因此需要进一步对不同材料的扩散特性进行分析，明确扩散较快成分的分子特征，进一步缩小再生剂原材料的筛选范围。

2.2 系列再生剂研发

基于以上研究及对旧沥青老化程度分析，研发了液体温拌高性能再生剂LJK-Z2和固体直投式增粘再生改性剂LJK-Z3。

LJK-Z3与LJK-Z2再生剂联合使用，在与集料、RAP和基质沥青的拌和过程中，与废旧沥青和基质沥青融合对其进行性能恢复、增粘、改性，改善沥青四组分的配伍性，增加沥青与骨料间的凝聚力，提高混合料的抗裂、抗拉性能和水稳定性，提高混合料抗剥落和抗飞散能力。再生后的沥青混合料具有优良的综合路用性能，可以实现旧料掺加比例70%，再生混合料高低温性能优于高模量沥青混合料。其技术指标要求及试验结果见表2、表3。

表2 高性能再生剂检测结果

表3 直投式增粘再生改性剂检测结果

2.3 工程应用

2020年在辽宁省桓永、西开高速公路路面维修项目中，应用液体高性能再生剂100t、直投式增粘再生改性剂1t，应用效果良好。

3 超大比例厂拌热再生技术

3.1 配合比设计

旧料掺配比例为50%、70%，再生沥青混合料类型为改性沥青AC-16、基质沥青AC-20，再生沥青混合料配合比设计及指标结果见表4、表5。结果表明再生沥青混合料指标满足设计要求。

表4 大比例厂拌热再生沥青混合料级配

表5 大比例厂拌热再生沥青混合料配合比设计结果

3.2 再生沥青混合料路用性能

对再生沥青混合料进行高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损坏性能检测，试验结果表明大比例再生沥青混合料高低温及抗水损坏性能均满足或超过规范对全新沥青混合料的要求，试验结果见表6。

表6 大比例厂拌热再生沥青混合料性能验证

3.3 工程应用

2020年在辽宁省桓永高速公路维修项目中，基于RAP精分离技术共铺筑了30%RAP中下面层(58.2+30.8)km/车道；50%RAP AC-20下面层单车道6km；50%RAP AC-16中面层单车道3km；70%RAP AC-20下面层单车道2km，应用效果良好。

4 基于差异磨耗原理的再生SMA沥青路面

基于差异磨耗原理的SMA再生路面，即在保证SMA沥青混合料路用性能(抗滑性、耐久性)要求下，在玄武岩或辉绿岩粗集料中掺入一定比例的石灰岩，可以保证路面抗滑性能不降低，从而实现了石灰岩RAP再生料在高速公路沥青表面层中的再生利用。

4.1 配合比设计

研究表明[5]，当石灰岩与玄武岩掺配比例为30/70时，可以保证混合料具有足够高的抗滑指标，采用掺入22%的精分离5～10mmRAP石灰岩，5%的精分离0～3mmRAP石灰岩，再生沥青混合料配合比设计及指标结果见表7。结果表明再生SMA沥青混合料满足设计要求。

表7 再生SMA沥青混合料配合比设计

4.2 再生SMA沥青混合料路用性能验证

对再生沥青混合料进行高温抗车辙、析漏、飞散及水损坏性能验证，试验结果表明再生SMA沥青混合料性能满足规范对全新SMA沥青混合料的要求，试验结果见表8。

表8 再生SMA沥青混合料路用性能验证结果

4.3 工程应用

2020年在桓永高速单向全幅铺筑了RAP掺量27%的SMA-13试验段1km，应用效果良好。

5 全比例冷再生微表处技术

全比例冷再生微表处技术是基于沥青路面旧料精细分离技术而开展的一项新的全比例冷再生技术，采用专用机械设备将聚合物改性乳化沥青、精分离RAP粗、细集料、填料、水和添加剂等按照设计配合比拌和成稀浆混合料摊铺到原路面上，达到快速开放交通要求的一种薄层结构，与常规全新料微表处技术相比，具有降噪、与乳化沥青配伍性好、便于施工、节省工程造价等优点。

5.1 配合比设计

旧料掺配比例为100%，混合料级配范围参照辽宁省微表处地方标准，全比例冷再生微表处各矿料掺配比例、合成级配、优化配合比结果见表9、表10。

表9 全比例冷再生微表处各矿料掺配比例及合成级配

5.2 再生微表处混合料路用性能验证

对100%RAP再生微表处混合料进行可拌和时间、粘聚力、负荷轮碾压、湿轮磨耗试验，试验结果见表11。试验结果表明100%RAP再生微表处混合料性能均满足设计要求。

表11 再生微表处沥青混合料配合比验证

5.3 工程应用

2020年在桓永高速永陵方向K43+951和K45+514两座中桥上进行100%精分离微表处试验路施工，共计1104m2，应用效果良好，通车20d后检测噪音比全新料微表处降低3～4dB(车内)，降噪效果明显。

6 结语

通过对RAP精分离技术及大比例再生技术工程应用实践，验证了基于沥青路面旧料(RAP)精细分离、新旧沥青融合、全过程质量控制三项核心技术的研究，可以实现旧料(RAP)掺加比例70%、旧料(RAP)掺加比例27%的SMA表面层厂拌热再生、旧料(RAP)掺加比例100%的全比例冷再生微表处技术在高速公路中的应用，再生沥青混合料高低温性能均达到或超过规范对全新沥青混合料的指标要求，应用效果良好，可实现节约工程造价20%以上，社会经济环境效益显著，具有广阔的应用推广前景。