大掺量RAP再生沥青混合料性能研究

魏必成

(1.福建省高速技术咨询有限公司,福州 350018;2.福建省高速公路工程重点实验室,福州 350018)

沥青混凝土路面具有行车舒适、低颠簸、低噪音、施工快、维修养护方便等优点,广泛应用于各级公路,是我国高等级路面的主要组成部分[1,2]。沥青路面养护过程中产生大量废旧沥青混合料(RAP),如果不充分循环利用,则易造成能源和资源的极大浪费,并且随意堆放RAP不仅侵占大量土地资源,还对生态环境、社会稳定造成一定的隐患[3,4]。据统计,截至2021年底全国公路总里程达528万公里,养护总里程接近100%,养护过程中每年产生的废旧沥青混合料约8 000万吨[5,6]。为达到建设资源节约型、环境友好型社会的要求,将RAP合理地循环利用到工程中去,成为目前必须面对和解决的问题。欧美和日本等发达国家的RAP再生利用技术十分成熟,RAP利用率高达100%,而我国RAP再生利用率不足70%[7-9]。

RAP材料中含有一定的老化沥青以及大量的粗、细集料,经过适宜的再生工艺处理后,能够满足道路工程使用要求。当前,低掺量再生沥青混合料在道路养护工程中已经得到广泛的应用,而大掺量再生沥青混合料(RAP掺量高于30%)在实际应用过程中还存在一定的瓶颈。因此,为了在道路工程中充分利用RAP材料,并减少旧料级配组成变异性、沥青再生融合效果对再生混合料路用性能的影响,该项目以旧料RAP标准化处理为切入点,开展大掺量、高质量、多元化、高价值循环再利用研究,符合“绿色建造”、“青山绿水”等国家政策要求,具有显著的社会和经济效益。

1 原材料

1.1 沥青胶结料

试验所用沥青为厦门新立基股份有限公司生产的改性沥青,其物理性能见表1。

表1 沥青性能检测结果

表2 集料物理性能检测结果

1.2 集料

试验所用集料为玄武岩集料,其物理性能见表 2,筛分结果见表3。

表3 集料筛分结果 平均通过百分率/%

1.3 矿粉

试验所用矿粉为石灰石矿粉,其各项指标见表4。

表4 沥青面层用矿粉检测结果

2 RAP标准化处理

试验所用RAP取自福建莆田公路养护拌合站,将RAP按《RAP分类标准化处理技术指标研究》[10]中的方法进行标准化处理,得到最佳筛孔尺寸为6 mm。进一步将RAP过6 mm振动筛,仅将6 mm以上RAP进行破碎分散,减少RAP粗集料的团聚。将筛分后的RAP分为6～15 mm和15～20 mm两种粒径规格进行使用。RAP各项指标见表5,采用全自动沥青抽提仪(Pave Analyzer,意大利controls)对RAP进行抽提,并对抽提后的RAP集料进行筛分,结果见表6。

表5 RAP物理性能

表6 RAP抽提后筛分结果 平均通过百分率/%

3 AC-20大掺量再生沥青混合料配合比设计

试验根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)进行再生沥青混合料配合比设计,混合料类型为AC-20,选择RAP的掺量分别为45%、50%和55%。为获得性能稳定的再生沥青混合料,在进行配合比设计时采用粗型级配,即调整再生沥青混合料级配曲线使其处于级配中线下方,并使不同RAP掺量再生沥青混合料的级配曲线尽量重合,不同RAP掺量合成级配见表7,各种矿料组成比例见表8。

表7 不同RAP掺量再生沥青混合料合成级配

表8 各种矿料组成比例 w/%

通过马歇尔试验确定再生沥青混合料的沥青含量为4.2%,最佳油石比为4.4%。45%、50%和55%RAP掺量再生沥青混合料添加新沥青的含量分别为3.14%、3.00%和2.86%,不添加再生剂,不同掺量PAP再生沥青混合料马歇尔试验结果见表9。

表9 不同掺量RAP再生沥青混合料最佳油石比和马歇尔试验结果

由表9可知,所制备的三种不同RAP掺量的AC-20再生沥青混合料马歇尔试验结果满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的要求。

4 试验结果与分析

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对不同RAP掺量AC-20再生沥青混合料的水稳定性能、高温性能开展试验研究,该研究成果将在福建省进行工程应用。福建地处中国东南沿海,属于亚热带季风气候,较少出现极寒天气,因此暂不考虑再生沥青混合料的低温性能。

4.1 水稳定性能

由图1可知,三种RAP掺量再生沥青混合料的48 h残留稳定度均大于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中不小于80%的要求。45%和50%RAP掺量沥青混合料的48 h残留稳定度大小相当,分别为93%和94%;当RAP掺量提高到55%时,再生沥青混合料的48 h残留稳定度下降至91%。该研究中再生沥青混合料掺入的RAP为6 mm以上大粒径,RAP表面裹覆的旧沥青相对较少,在拌和过程中旧沥青变软与新沥青相互融合,因此再生沥青混合料具有较高的残留稳定度,但是当RAP掺量达到55%后,再生沥青混合料中的旧沥青含量相对增多,在拌和过程中与新沥青的融合均匀性下降,导致沥青与集料的粘附性稍有下降,故55%RAP掺量再生沥青混合料的48 h残留稳定度有小幅度下降。

由图2可知,随着RAP掺量的提高,再生沥青混合料的冻融劈裂强度比也随之增加,45%RAP掺量再生沥青混合料的冻融劈裂强度比为92.7%;RAP掺量增加至50%时,冻融劈裂强度比提高至94.0%,提高了1.4%;当RAP掺量为55%时,再生沥青混合料冻融劈裂强度比为95.3%,提高了2.8%。三种不同RAP掺量再生沥青混合料的冻融劈裂强度比均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的技术指标要求。这可能是由于旧沥青与新沥青融合后粘度大,RAP掺量越高,旧沥青含量越多,所以在短期内表现出RAP掺量越高,再生沥青混合料冻融劈裂强度比越大。

4.2 高温稳定性

对不同掺量RAP再生沥青混合料动稳定度进行测试,试验结果见表10。随着RAP掺量的增加,再生沥青混合料的动稳定度减少,55%RAP掺量的再生沥青混合料动稳定度最小,为4 200次/mm,但仍远大于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中不小于2 800次/mm的要求,说明掺入RAP的再生沥青混合料具有较好的高温抗车辙变形能力。这是由于RAP中的旧沥青在光、热、氧气等自然环境下发生了老化,老化过程中沥青分子中分子质量较小的芳香分和饱和分向分子质量较大的胶质和沥青质转变,导致沥青变硬,因此掺入RAP的再生沥青混合料在抵抗高温车辙变形方面表现出较好的性能。

表10 不同掺量RAP再生沥青混合料动稳定度试验结果

5 结 论

a.采用标准化处理后的RAP级配变异性小,能够制备出级配稳定的大掺量AC-20再生沥青混合料。

b.对不同RAP掺量再生沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比进行测试,结果表明50%RAP掺量沥青混合料的水稳定性最好。

c.不同RAP掺量的再生沥青混合料均表现出较好的高温抗车辙性能,这主要是由于RAP中的沥青经过老化后变硬,抗车辙变形能力提高。