破碎砾石就地热再生技术在成渝高速中的应用

刘东，徐金玉，吴昱瀚，夏永，韩超，袁梦

1.四川成渝高速公路股份有限公司，四川 成都 610041；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112

0 引言

就地热再生技术是一种快速、经济、绿色的沥青路面养护技术[1-2]。近年来，随着路面材料资源的日益短缺和世界各国对于节能、环保等问题的重视，沥青路面就地热再生技术受到较多关注。车法等[3]依据现场热再生的特点，研究不同掺配率下再生混合料的路用性能，研究结果表明：随着掺配率的升高，再生沥青混合料的高温稳定性和抗水损害性能力增加，低温抗裂性减小。张清平等[4]对海南地区聚乙烯改性沥青混合料进行就地热再生的路用性能验证，结果表明：在旧料比例使用得当时，再生沥青混合料具有良好的路用性能，基本能达到新沥青混合料的指标要求。杨彦海等[5]研究通车运营一段时间后的碎石玛蹄脂沥青(stone mastic asphalt，SMA)混合料路面，发现SMA就地热再生混合料性能稳定可靠。钟瑞文[6]认为严格控制原材料、配合比设计和施工工艺各个环节后，SMA就地热再生路面也能达到良好的路用性能。

就地热再生技术在全国各地进行了规模化的推广应用，但破碎砾石表面粗糙度及洁净度不高，SiO2的质量分数高，与沥青黏附性较差，极少用于高等级路面面层。对于破碎砾石就地热再生应用缺乏相应的技术指导，其适用性、材料设计和施工控制等需要进行针对性研究。本文结合成渝高速沥青路面大、中修养护工程，开展基于破碎砾石的就地热再生技术研究，分析再生沥青流变性能、破碎砾石集料的再生稳定性能、混合料设计和路用性能等，以期实现旧路面材料高效循环利用。

1 原材料

1.1 破碎砾石集料

粗集料的粒径规格为3～5 mm、>5～10 mm、>10～15 mm。粗、细集料检测结果如表1、2所示。

表1 粗集料检测结果

表2 细集料检测结果

1.2 新沥青

新沥青采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene，SBS)改性沥青，检测结果如表3所示。

表3 SBS改性沥青检测结果

1.3 回收沥青

成渝高速公路通车26 a，双向4车道，先后进行大规模的技改工程、大修整治及罩面工程，受地区环境限制及早期我国修建公路的政策及技术因素影响，成渝高速部分路面采用了破碎砾石作为表面层集料。经检测，处治路段路面结构状况良好，路面结构强度指数(pavement structure strength index，PSSI)为100，主要以疲劳裂缝、修补、车辙等表层病害为主，且主车道破损较严重，超车道仅存在少量裂缝。

采用开挖方式从原沥青路面获取回收沥青路面(reclaimed asphalt pavement，RAP)材料，经抽提筛分后得到RAP矿料级配和油石比，并对回收沥青进行了相关检测，结果如表4、5所示，均满足文献[8]要求。RAP矿料油石比为5.1%。

表4 RAP矿料抽提筛分试验结果

表5 回收沥青检测结果

1.4 沥青再生剂

沥青再生剂选用某公司RA1型再生剂，检测结果如表6所示。

表6 沥青再生剂检测结果

2 AC-13C沥青混合料设计

2.1 再生剂用量

根据经验和RAP矿料沥青含量，拟添加的新沥青与回收沥青的质量比为1:4，初选再生剂与回收沥青的质量比为5%，再生沥青在标准针入度试验条件(25 ℃，100 g，5 s)下所测得的针入度为39(0.1 mm)，软化点为59.5 ℃，延度(15 ℃)为21 cm。

2.2 基于流变特性的再生沥青性能评价

为评价再生剂质量分数的合理性，基于沥青流变特性，分别采用动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer，DSR)和弯曲梁流变仪(bending beam rheometer，BBR)对回收沥青与再生沥青进行性能分级(performance grade，PG)测试[9-13]，评价再生沥青的性能恢复状况。可将沥青分为PG52、PG58、PG64、PG70四个等级和21个亚级。PG52表示该级沥青适用于最高设计温度不超过52 ℃的地区。

高温性能分级主要温度范围为>46～88 ℃，每级6 ℃。低温性能分级主要温度范围为>-10～46 ℃，每级6 ℃。沥青高温分级要求所分级温度下原样沥青的车辙因子(G*/sinδ，G*为复合模量，δ为相位角)不小于1.0 kPa，短期老化后沥青的车辙因子不小于2.2 kPa；沥青低温分级要求所分级温度下沥青的蠕变劲度S≤300 MPa，蠕变速率m≥0.300 mm/min。同时，中温下沥青的车辙因子不大于5000 kPa。再生沥青由回收沥青、新沥青与再生剂组成，再生剂质量占回收沥青和新沥青总质量的5%。试验结果如表7～9所示。

表7 旋转薄膜烘箱加热试验后残留沥青DSR试验结果

表8 沥青加速老化试验后残留沥青BBR试验结果

表9 沥青加速老化试验后残留沥青DSR试验结果

由表7～9可知：回收沥青处于高弹性状态，高温等级为PG76，添加再生剂及新沥青后，再生沥青弹性下降，黏性增加，高温等级降为PG70，即高温性能有所降低。回收沥青经过外界环境长期老化后，其抗裂性能有一定衰减，其低温等级为PG16，添加再生剂及新沥青后，低温抗裂性有所改善，低温等级为PG22。

再生沥青的疲劳温度由34 ℃降至28 ℃，其抵抗反复荷载作用下的变形恢复能力有所提高，抗疲劳特性得到了明显改善，再生沥青性能恢复到与新沥青相同的等级。这主要是由于沥青在老化过程中芳香分逐渐变为沥青质，芳香分含量下降，沥青质的含量增大。根据组分调和原理，再生剂富含芳香分，与老化沥青进行了复合调配，使老化沥青的路用性能得到恢复。

2.3 破碎砾石高温性能评价

为评估就地热再生施工高温加热条件下，破碎砾石集料在再生机械铣刨、耙松工作时是否发生二次破碎，造成沥青混合料级配发生较大变异，本文通过模拟现场高温，对沥青混合料进行高温压碎值试验,评估高温性能[14-16]。

常温下，新添加的破碎砾石粗集料压碎值为12.1%，RAP矿料压碎值为13.7%，表明成渝高速所用破碎砾石集料具有较好的物理抗压碎能力，其指标明显优于文献[8]。高温状态下，新添加的破碎砾石压碎值比常温增加2%，RAP矿料增加1.7%，物理抗压碎性能较佳，表明该破碎砾石具有有效抵抗就地热再生施工损伤的性能。

2.4 AC-13C沥青混合料设计

AC-13C沥青混合料由破碎砾石集料、SBS改性沥青、回收沥青、沥青再生剂组成，AC-13C沥青混合料的合成级配如表10所示，其中新添破碎砾石矿料质量占回收沥青的19.9%，油石比为5.3。AC-13C沥青混合料性能如表11所示[17-18]。

表10 就地热再生AC-13C沥青混合料设计合成级配

表11 就地热再生混合料性能评价结果

由表11可知：就地热再生混合料各项性能均满足设计及规范要求，具有良好的水稳定性、高温性能及低温性能。

3 工程实践

采用再生深度为4 cm的就地热再生技术对成渝高速公路部分路段进行维修处治，温度是影响就地热再生施工效果的重要因素，现场施工中引入信息化监控技术，对就地热再生各个施工环节进行辅助控制，以提高施工质量[19-21]。施工后，对压实度和路面渗水进行了检测和统计，以验证破碎砾石就地热再生的实际铺筑效果[22-24]。压实度和渗水系数检测结果如图1、2所示，施工完成后检测数据如表12所示。

图1 压实度检测结果

图2 渗水系数检测结果

表12 成渝高速就地热再生路段交工检测数据结果

由图1、2可知：绝大部分检测点的压实度为92%～98%(基于理论最大相对密度)；94.12%检测点的渗水系数为0～100 mL/min。

由表12可知：路面铺筑效果良好，工程质量满足规范和设计要求，破碎砾石就地热再生技术可进行规模化推广应用。

4 结论

1)沥青流变性能试验表明：由新沥青、再生剂及回收沥青等组成的再生沥青高温等级降低，低温抗裂性和疲劳特性得到改善，再生沥青性能恢复到与新沥青相同的等级。

2)破碎砾石高温压碎值相比常温增加2%，但仍具有较佳的物理抗压碎性能，可有效抵抗就地热再生施工时的机械损伤。就地热再生混合料各项性能均满足设计及规范要求，具有良好的水稳定性、高温及低温性能。

3)工后检测结果表明，破碎砾石就地热再生路面渗水系数和压实度均满足规范要求，路面铺筑效果良好，可进行规模化推广。