分离式细RAP粉料在再生水稳碎石中的应用研究

张苏龙， 王 鹏， 李 华， 胡乐乐， 王 捷

(1. 江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏 南京 210008； 2.南京市公路事业发展中心， 江苏 南京 210008)

0 引言

随着车辆保有量的增加以及现有路面运营时间的增长，我国公路建设已进入“建养并举”阶段。在公路改扩建以及养护工程中，对老路的铣刨将不可避免地产生大量废旧沥青材料，如果不加以回收利用，将导致严重的环境问题和资源浪费。通常，采用厂拌和就地冷热再生技术对沥青混合料进行再生利用。然而传统的再生技术，存在RAP掺量不高、应用层位较低问题，无论是质量还是再生利用效率方面，均有待改进[1]。

分离式再生是近年来出现的一种新型沥青混合料再生方法，其核心工艺是利用油石分离主机(如图1所示)，经过离心旋转、挤压、摩擦、碰撞等物理作用，将传统RAP“黑色集料”表面的沥青粉末进行分离，从而获得0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm以及10 mm以上的多档集料，其中，3 mm以上的集料表面相对洁净，残留的沥青含量控制在1%以内，可以充当新集料在上面层进行高层位的优质利用[2]。该技术在宁宿徐高速养护大中修等项目上进行的工程应用，RAP掺量可以达到70%以上，具有较高的社会经济以及环境效益。

图1 油石分离机外观

由于0～3 mm档的细RAP粉料沥青含量较高、变异性大，应用在沥青混合料中会有一些弊端，如拌和过程中易结团、影响混合料高温性能等[3]。因此，本文考虑将其应用于水稳基层中充当填料[4]，以充分发挥该档粉料柔性好的优势，可一定程度上改善运营过程中水稳基层因温缩、干缩所导致的开裂问题。

1 原材料

进行再生水稳基层配合比设计所使用的原材料，包含水、水泥、分离式细RAP粉料以及老路原水稳基层的铣刨料，未使用新集料，以实现原路面铣刨料的零废弃和100%再生利用。

1.1 分离式细RAP粉料

试验所用填料为0～3 mm档的细RAP粉料，由南京312宁合扩建项目旧路上面层AC — 13混合料的铣刨料经分离再生后得到；经抽提试验可以得出，该档细RAP中的油石比达9.8%，已远高于普通AC — 13混合料常规5.0%左右的整体油石比。

1.2 水稳基层铣刨料

试验所用集料为312宁合扩建项目旧路基层拆除产生的再生料，分为20～30 mm(1#)、10～20 mm(2#)、5～10 mm(3#)、0～5 mm(4#)4档，根据要求进行了集料的筛分、力学指标等相关试验，均满足规范要求。

1.3 水泥

所用水泥为P·O 42.5水泥，经检测，相关指标均满足规范要求。

2 配合比设计

2.1 级配类型选择

水泥稳定碎石的级配类型可以分为骨架密实、骨架空隙以及悬浮模式3种结构，考虑到水稳定性要求，骨架空隙结构应用得较少[5]。与骨架密实型级配结构相比，悬浮密实型级配因其级配特点，粗集料间的空隙可以容纳更多细集料，4.75 mm筛孔通过率相比骨架密实型提高了7%～17%，因此有更多的空隙容纳细RAP。此外，与传统的水泥砂浆相比，细RAP中所含沥青粉末可以有效地降低砂浆模量并提高弹性，一定程度上可以改善半刚性基层材料的抗裂性能。综上所述，本文从细RAP循环利用以及提升抗裂性能的角度考虑，选择悬浮密实型级配进行细RAP的应用研究。

2.2 级配设计

参照《公路路面基层施工技术规范》( JTJ F034—2000)相关要求，本次试验选择悬浮密实型级配进行配合比设计，各档集料用量以及最终合成级配如表1所示。

表1 再生水泥稳定碎石级配设计结果集料比例/%合成后各筛孔尺寸(mm)的通过百分率/%31.526.5199.54.752.360.60.0751#2525.024.66.01.10.80.60.50.52#3030.030.030.04.50.60.50.50.53#1515.015.015.012.52.10.70.70.34#1030.030.030.030.029.520.69.03.6细RAP2010010010010098.382.642.519.6混合料合成级配 100.099.681.048.133.022.410.74.9

依据工程经验以及项目实际情况，所设计的再生水稳基层主要用于桥下空间硬化、便道等场景，因此，与传统的抗裂嵌挤型水稳碎石相比，再生水稳基层的设计强度有所降低，7 d无侧限抗压强度代表值R代不低于2.5 MPa即可。相应的水泥剂量也有所降低，分别按2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%这5种水泥剂量制备试件，采用重型击实法成型试件，根据击实曲线确定不同水泥剂量下的最佳含水量，试验结果如表2所示。

表2 再生水泥稳定碎石击实试验结果汇总表水泥剂量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)2.56.42.0963.07.02.1083.57.52.1204.08.12.1314.58.62.143

根据不同水泥用量下的最佳含水量和最大干密度，采用静压法成型无侧限抗压强度试件养生7 d后进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表3所示。

表3 再生水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度试验结果水泥剂量/%强度平均值R均/MPa变异系数CV/%强度代表值R代=R均(1-ZaCv)2.53.210.782.73.04.08.183.43.54.88.144.24.05.58.854.74.56.211.185.1

根据试验结果以及工程经验，综合考虑施工过程中的环境因素以及质量控制要求，水泥剂量确定为3%，含水量确定为7%。

3 试验评价与分析

为了评价掺加细RAP的水稳与普通水稳力学性能差异，采用力学试验评价这两种材料的力学性能。其中，普通水稳碎石所使用原材料、水泥用量与掺细RAP的水稳碎石保持一致，通过调整4#料的用量，确保两种材料的级配基本一致。

3.1 无侧限抗压强度试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中T 0805-1994“无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法”，对再生水稳碎石和普通水稳碎石在7、28、90、180 d龄期下进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图2所示：

图2 无侧限抗压强度随龄期的变化

从图2可以看出，掺加细RAP的水稳碎石与普通水稳碎石呈现类似的强度增长趋势，28 d以内的强度增长较为明显，28 d以后增长趋势变缓，特别是掺加细RAP的再生水稳碎石，其90 d和180 d龄期的强度几乎无增长；在相同龄期下，普通水稳碎石的无侧限抗压强度相比掺加细RAP的再生水稳碎石提高10%～20%，由此可见，随着细RAP加入，会导致水稳碎石抗压强度下降。

3.2 回弹模量试验

基层材料回弹模量是重要的材料性能指标之一，关系到路面结构设计时的力学指标与厚度验算。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中T 0808-1994“无机结合料稳定材料室内抗压回弹模量试验方法(顶面法)”，对再生水稳碎石和普通水稳碎石在7、28、90、180 d龄期下进行回弹模量试验，试验结果如图3所示：

图3 回弹模量随龄期的变化

从试验结果可以看出，2种材料回弹模量的变化趋势与无侧限抗压强度一致，均随着龄期增加而增长，28 d之前回弹模量增长较快，28 d以后增长幅度变缓,在相同龄期下，普通水稳碎石相比掺细RAP回弹模量水稳碎石提高16%～34%，由此可见，掺入细RAP可以明显降低水泥稳定碎石的回弹模量。通常模量越大则材料的刚度较好，但脆性较大;而掺加细RAP后，材料模量下降，赋予水泥稳定碎石基层更好的弹性，增强了其变形恢复能力，从而减少裂缝产生。

3.3 干缩试验

随着水泥水化以及水分蒸发，会导致水稳碎石因内部含水量变化而引起宏观体积收缩现象。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中T0854-2009“无机结合料稳定材料干缩试验方法”，在室内自然条件下采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥稳定碎石混合料小梁试件，每组5个平行试件，养护龄期为7 d，测试时间间隔为第1天6 h一次，第2～5天为12h一次，之后24 h一次，直到含水量基本不变为止，平均干缩系数按式(1)计算：

(1)

式中：εi、ε0为第i次及最初测得的试件干缩应变，με；ωi、ω0为第i次及最初测得的试件含水量，%。

2种水稳碎石的干缩试验周期为31 d，结果如图4～图6所示。

图4 干缩应变随时间的变化结果

图5 失水率随时间的变化结果

图6 不同龄期下的平均干缩系数

从试验结果可以看出，两种材料的干缩应变和平均干缩系数均随着时间增长而增加，从时间来看，初期在重力作用下，失水速率较快达到4%以上，导致前7 d的干缩应变和失水率增长较快，然后趋于平缓，7 d和14 d龄期的两种材料平均干缩系数差异较小，但28 d龄期的平均干缩系数，掺加细RAP的水稳碎石相比普通水稳碎石降低了28%，由此可以看出，细RAP相比普通水稳中0～3 mm档的集料具有更大的比表面积，可以容纳更多孔隙水，使得后期的水分作为孔隙水，具有更好的保水效果，从而减少了水稳碎石的干缩应变。

3.4 温缩试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中T 0855-2009“无机结合料稳定材料温缩试验方法”，对普通水稳以及掺加细RAP的再生水稳碎石进行温缩试验,试验结果见表4。

温缩系数按式(2)计算：

(2)

式中：ti为温度控制程序设定的第i个温度区间，℃；εi为第i个温度下的平均收缩应变，10-6；αt为温缩系数，反映单位温度下材料的线收缩系数。

表4 温缩试验结果10-6/℃材料类型不同温度区间(℃)的温缩系数30～2020～1010～00～-10平均温缩系数掺细RAP的水稳碎石24.236.871.813.259.04普通水稳碎石141.0564.324.760.7852.75

从表4可以看出，温度为30℃～20℃、20℃～10℃以及10℃～0℃的3个温度区间，普通水稳碎石的温缩系数显著高于掺加细RAP的水稳碎石。这说明，在0 ℃以上温度环境中，细RAP含有的沥青颗粒处于相对偏软状态，具有较好的弹性，因此细RAP的掺入能有效减小水泥稳定碎石的温缩系数。然而，温度降至0 ℃以下后，细RAP中的沥青颗粒逐渐脆化，弹性以及弹性恢复能力明显下降，导致其温缩系数逐渐超过未掺细RAP的水泥稳定碎石。从-10℃～30℃范围的平均温缩系数来看，掺细RAP的水稳碎石平均温缩系数相比普通水稳碎石可以降低83%，这说明在通常气候区间，细RAP的掺入对水泥稳定碎石抗温度收缩性能具有较好的改善效果。

3.5 细RAP在水稳碎石中的填充效果分析

基于试验结果以及分离式再生的工艺特点，对细RAP在水稳碎石中的填充机理进行分析。与传统的0～3 mm档集料不同，细RAP的组成比较复杂，主要由老化的沥青颗粒、被沥青裹覆的细集料2部分组成，另外还有少量未被沥青完全所裹覆的细集料。因此，其在水稳中的填充作用，基于完全使用老化沥青颗粒的全弹性填充与完全使用集料的全刚性填充之间，本研究称之为“基于骨架的弹性填充”，即细RAP中的细集料充当骨架，老化沥青颗粒则提供一定的弹性作用，这样既能形成强度，又可以赋予水稳层抵抗因干缩、温缩等因素导致的收缩变形，以弥补传统的半刚性材料因开裂而导致路面出现反射裂缝的不足。

4 结论

本文选择分离式再生获得的细RAP粉料，以及南京312宁合项目获得的老路基层铣刨料，进行了再生水稳碎石的配合比设计，通过相关试验，分别从强度、模量、抗裂性能方面，评价了细RAP对水稳碎石性能的影响，得到以下主要研究结论：

1)基于细RAP粉料和老路水稳铣刨料，选择悬浮密实型级配进行掺细RAP的再生水泥稳定碎石配合比设计，确定了级配、最佳含水量以及水泥剂量。

2)力学性能试验可以看出，相同龄期下，相比普通水稳碎石，细RAP的加入会导致水泥稳定碎石的无侧限抗压强度降低10%～20%，回弹模量降低16%～34%。

3)抗裂性能试验表明，掺加细RAP的水稳碎石28 d龄期的平均干缩系数相比普通水稳碎石降低了28%，-10 ℃～30 ℃范围的平均温缩系数降低了83%，可见细RAP的掺加可有效改善水稳基层的抗裂性能。

4)提出了细RAP在水稳基层中基于骨架的弹性填充作用机理，即细RAP中的细集料充当骨架作用，形成强度，由于细RAP中的老化沥青颗粒具有较好的弹性，主要起抵抗变形的作用。

5)从配合比设计以及材料性能的试验结果可以看出，细RAP可以应用于桥下空间硬化、施工便道等对强度要求不高的地段，并且细RAP的掺量可达20%，为难以在混合料中进行应用的分离式细RAP再利用提供了新的途径，具有较好的社会经济效益。