精细化分离对RAP性质的影响

邹晓勇,李宁,吴闻秀,胡永林,张宇,唐伟

(1.金华市公路与运输管理中心,浙江 金华 321000;2.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098;3.金华市金东区公路管理段,浙江 金华 321013)

目前我国公路建设逐步由建养并举向全面养护迈进。路面维修主要是铣刨、翻挖旧路面,重铺新路面,从而产生大量废旧沥青路面回收料(RAP)[1-2]。RAP的组成复杂,铣刨后老化沥青胶浆黏附在集料表面,结团程度严重,难以混合均匀,且RAP集料级配和油石比均具有较大的变异性[3-4]。RAP掺量过高时难以保证再生沥青混合料的质量,达不到相应的技术要求[5]。目前国内大多数厂拌热再生实体工程应用中的RAP掺量仅为20%～30%,经济和社会效益不显著[6-9]。

为了降低RAP的结团程度和变异性,需要对原路面铣刨料进行破碎、筛分、分挡等处理。美国国家沥青路面协会(NAPA)在其指南中指出,采用合适的方法对RAP进行破碎筛分,可以降低RAP的变异性[10]。研究人员[11-13]采用常规破碎筛分或直接分级后的RAP制备了再生沥青混合料,并评价了不同RAP掺量下再生沥青混合料的路用性能,结果表明当RAP掺量超过40%时,再生沥青混合料的低温性能和水稳定性均显著低于普通沥青混合料。黄磊[14]采用多级联合筛分工艺对RAP进行筛分、分挡,该筛分工艺有效降低了RAP的变异性,有利于提升RAP掺量。孙学楷[15]采用反击-转子离心多级联合筛分工艺处理RAP,RAP的分离效率可以达到70%以上,该方法可以将RAP表面黏附的沥青胶砂剥离,粒径为5～10 mm、10～15 mm的RAP粗料表面的沥青含量达到1%以下,可以直接当作原生集料进行使用。Zhan等[16]采用常规破碎筛分方式处理RAP,多级分挡虽然有效降低了RAP的变异性,但RAP的结团程度依旧较大,不利于大规模推广应用。

基于此,本研究采用精细化分离和常规破碎筛分两种方式处理RAP,对比两种预处理方式的工艺流程,研究不同预处理方式对RAP油石比、结团程度、变异性和细化程度的影响,为RAP精细化分离工艺的进一步改进及推广提供借鉴。

1 RAP的预处理方式

RAP取自江苏某高速公路上面层SMA-13沥青路面,养护维修时路面已服役11年。RAP采用冷铣刨方式回收,为了保证RAP质量的相对稳定,铣刨过程中需控制铣刨速度的均匀性[17-18]。采用常规破碎筛分和精细化分离两种方式进行处理,分别命名RAP#1和RAP#2。由于取样时间和地点有所不同,RAP#1和RAP#2的级配和油石比存在略微差异。

1.1 常规破碎筛分

常规破碎筛分方式首先采用对辊式破碎机将粒径较大的RAP进行初步破碎,接着通过直线振动筛对满足粒径要求的RAP进行分挡。具体操作流程如下:对于粒径较小的RAP直接进行一级筛分,将不同粒径的筛下料用皮带送至成品处。对于不满足一级筛分粒径要求的大块RAP,再次经对辊式破碎机进行一级初破,然后将破碎好的物料按小块RAP的处理流程进行进一步破碎筛分,最终得到三挡不同粒径的RAP,分别为0～5 mm、5～12 mm和12～22 mm三挡成品料。常规破碎筛分RAP处理流程见图1。

图1 常规破碎筛分RAP处理流程

1.2 精细化分离

精细化分离是通过离心分离的作用将RAP集料表面黏附的沥青胶砂剥离,剥离后的沥青胶砂进入RAP细料中,最终得到不同粒径分布的RAP粗料和富含老化沥青的RAP细料。精细化分离RAP处理流程见图2。具体流程如下:满足筛分粒径要求的RAP直接进行一级筛分,首先得到粒径为0～5 mm的直接筛分RAP细料。然后对RAP粗料进行一级剥离,不同粒径的筛下料用皮带送至成品处,得到10～15 mm、5～10 mm、0～5 mm(剥离)和0～5 mm(直接筛分)四挡成品料。若RAP粗料中仍存在较多的结团颗粒,可以将粒径较大的RAP进行二次精细化分离,流程与上述一致。

图2 精细化分离RAP处理流程

2 试验与方法

2.1 抽提与筛分试验

按照JTG E20—2011中T 0722—1993及T 0725—2000,分别进行抽提与筛分试验。

2.2 RAP性质评价方法

2.2.1 结团特性

为评价不同预处理方式后获得的RAP结团程度,首先将不同预处理方式获取的RAP筛分成粒径不同的5组样品,分别为13.2～16 mm,9.5～13.2 mm,4.75～9.5 mm,2.36～4.75 mm和1.18～2.36 mm,抽提筛分后RAP集料通过率见图3。从图3可以看出,每组RAP样品抽提后的集料均不同程度地通过了抽提前粒径范围的下限,例如常规破碎筛分获取的16～13.2 mm RAP样品粒径范围的下限是13.2 mm,抽提后集料在13.2 mm处的通过率为36.2%,说明至少有36.2%的细料在抽提前处于结团状态,因此定义该通过率为此挡RAP的结团率。

(a)常规破碎筛分

(b)精细化分离图3 不同粒径RAP集料级配通过率

2.2.2 变异性

为了分析破碎筛分后RAP级配及沥青含量的变异性,对预处理后的各挡RAP按照随机取样的原则选取5组样品,抽提筛分后对每组RAP的级配及沥青含量进行分析。

采用变异系数CV来描述RAP集料级配和油石比的变异性,计算方法见式(1)～式(3)。

CV=S/x

(1)

(2)

(3)

式中:S为标准差;xi为样本值;x为平均值;n为样本数。

2.2.3 细化指数

将破碎筛分后各挡RAP的集料通过率按照质量百分比进行合成,得到合成RAP集料级配。接着以破碎筛分前RAP的集料级配为基准值,计算破碎筛分后的级配较筛分前的变化率,定义为细化指数V,以表征破碎筛分过程中集料的细化程度,V越大表示级配细化越为严重。细化指数V可通过式(4)和式(5)进行计算。

P=∑αiPi=α1P1+α2P2+…+

(4)

(5)

式中:V为某筛孔处细化指数,%;P为合成RAP集料级配在某筛孔的通过率,%;S为破碎筛分前RAP集料级配在某筛孔的通过率,%;αi为各挡RAP的比例,%;Pi为各挡RAP集料级配在某筛孔的通过率,%。

3 预处理方法对RAP性质的影响

3.1 油石比

常规破碎筛分和精细化分离后RAP的油石比见图4。由图4可知,RAP经过精细化分离后,RAP粗料(大于5 mm)的油石比由5%～6%下降为2%～2.5%,下降幅度接近60%,这主要是由于精细化分离将RAP表面的老化沥青砂浆剥离。RAP粗料的油石比下降,有助于打散料粒,降低结团,也可以降低RAP粗料在加热、拌和过程中产生的黏料现象,在一定程度上可以提升RAP料的加热温度,有利于保证再生料的出料温度。精细化分离产生的两种RAP细料(小于5 mm)的油石比与常规RAP细料相比略微降低,这是由于精细化分离过程中产生的粉料(小于0.075 mm)被真空泵抽走,该挡料的油石比可达15%左右,进而引起RAP细料的油石比略微下降。

图4 不同预处理后RAP的油石比

3.2 结团程度

RAP是由数目、大小不等的矿料颗粒被沥青胶浆裹覆、黏结而成的团状颗粒结构,沥青砂浆的结团会造成RAP中的沥青胶浆分布不均匀。图5和图6分别为常规破碎筛分和精细化分离后RAP的表观形貌,从图中可直观发现,常规破碎筛分获取的RAP颗粒表面仍含有较多的沥青胶浆,而精细化分离得到的RAP颗粒表面较为洁净。

图5 常规破碎筛分后的RAP

图6 精细化分离后的RAP

常规破碎筛分和精细化分离后的RAP结团率见图7。

图7 不同预处理方式后RAP的结团率

从常规破碎筛分后的RAP结团率可知,RAP的粒径越小, 结团率越大, 粒径大于4.75 mm的RAP结团率均小于50%,粒径小于4.75 mm的RAP结团率均大于70%,2.36～1.18 mm RAP的结团率甚至达到100%,这意味着该挡RAP都是由老化沥青裹覆细集料和矿粉的颗粒组成。

相比常规破碎筛分,精细化分离后RAP粗料的结团率显著下降,均低于30%,特别是4.75～9.5 mm的RAP结团率只有11.5%,说明精细化分离可以将集料表面的老化沥青胶浆有效剥离,从而降低RAP粗料的结团程度。RAP细料(小于4.75 mm)部分是经过直接筛分得到的,部分是RAP粗料剥离后得到,沥青含量较高,结团率也较高,但仍然远低于常规破碎的情况,结团率下降了60%左右。说明精细化分离对RAP粗料分离效果最好,对RAP细料的结团也有一定的控制效果。

3.3 RAP变异程度

采用变异系数评价不同预处理方式下RAP集料级配和油石比的变异系数见图8。

图8 不同预处理后的RAP集料级配和油石比的变异系数

与常规破碎筛分方式相比,精细化分离RAP细料的油石比和集料级配的变异性并未显著降低。如图8所示,常规破碎筛分获得的0～5 mm RAP油石比的变异系数为7.43%,而精细化分离获得的0～5 mm(直接筛分)及0～5 mm(剥离)RAP油石比变异系数分别为5.5%及7.08%。精细化分离的RAP细料组成复杂,包括直接筛分的RAP细料、RAP粗料表面剥离的细料和集料破碎产生的细料。RAP细料由于沥青含量高、粒径小,离心过程中油石分离效果差,变异性与常规破碎筛分无明显区别。

经过精细化分离后,RAP粗料的油石比和4.75 mm关键筛孔的变异系数相比于常规破碎筛分分别降低了40.7%和39.1%,RAP的均匀性得到较好的改善。精细化分离可以将RAP表面的沥青胶砂剥离,降低RAP的油石比和结团程度,对于减少RAP的变异性具有显著效果。

3.4 RAP集料细化程度

经过常规破碎筛分和精细化分离后的各挡RAP所占比例见图9。从图9可知,常规破碎筛分获取的RAP粗料所占比例为80%,RAP细料为20%;而精细化分离获取的RAP粗料所占比例仅为27%,RAP细料为68%,回收粉为5%。对比经过不同预处理方式获取的RAP组成比例,发现精细化分离可以显著增大RAP细料比例。这主要是由于精细化分离是采用离心力将沥青路面回收料中粒径较大的RAP上黏附的沥青胶砂分离,在分离过程中粗集料相互碰撞,难免发生粗集料细化的现象。在RAP筛分过程时,为了提高生产效率,采用振动频率为32～38 Hz的弛张筛和振动频率为40～50 Hz的组合筛进行筛分,同样会对RAP粗料产生一定的细化。因此,降低精细化分离后RAP粗料的细化程度以及高效再生利用富油RAP细料是未来的研究重点。

(a)常规破碎筛分

(b)精细化分离图9 不同预处理后各挡RAP所占比例

将预处理后的各挡RAP抽提筛分获取其集料级配,并根据图9中的各挡比例及式(4)计算其合成级配。冷铣刨及常规破碎筛分和精细化分离的RAP合成级配曲线见图10。

图10 不同破碎筛分方式RAP的合成级配曲线

从图10可以看出,常规破碎筛分RAP的合成级配与未筛分前相差不大,而精细化分离的RAP合成级配与未筛分前存在较大差异,合成料的4.75和2.36 mm关键筛孔通过率分别为74.1%和50.6%,相较于冷铣刨后RAP集料分别提高19.3%和12.5%,而细化指数分别为53.1%和46.6%,表明精细化分离对RAP中的粗集料具有细化作用。

常规破碎筛分得到的RAP合成后部分筛孔通过率低于原路面回收料。主要原因为RAP在堆放过程中存在一定变异性和离析现象,取样时不均匀,导致RAP细料偏少。与原路面铣刨料进行对比,合成级配的4.75和2.36 mm关键筛孔处的细化指数别为13.2%和10.5%。可见,常规破碎筛分对RAP集料级配的细化作用不明显。

4 结论

(1)精细化分离方式可以将黏附在RAP粗集料表面上的沥青胶砂剥离,经筛分后得到不同粒径分布的RAP粗料和富含老化沥青的RAP细料,实现粗细RAP分离。

(2)精细化分离大幅降低了RAP粗料的油石比,RAP粗料的油石比约为2%,同时有效降低了RAP粗料的结团程度。

(3)精细化分离可以降低RAP粗料级配和油石比的变异性,对RAP细料的变异性控制效果与常规破碎筛分相近,总体上精细化分离得到的RAP具有较小的质量波动。

(4)精细化分离虽然可以降低RAP的结团程度和变异性,但是RAP集料在离心力的作用下发生细化,获取的RAP细料占比接近70%,未来需要深入研究RAP细料的应用。