張曉強(qiáng)

(鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 鄭州 450016)

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)公路建設(shè)不斷發(fā)展，截止2016年底高速公路通車?yán)锍桃淹黄?3萬(wàn)km.由于瀝青路面具有行車舒適性好及養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，其在我國(guó)高速公路路面結(jié)構(gòu)中得到廣泛使用.目前我國(guó)高速公路已逐漸進(jìn)入大、中修階段，如何處理其產(chǎn)生的大量舊瀝青路面材料(RAP)成為亟待解決的難題[1].研究表明，將RAP與新集料、瀝青和再生劑等重新進(jìn)行拌和施工能恢復(fù)其使用性能[2]，這有效實(shí)現(xiàn)了RAP的回收利用，減少資源浪費(fèi)的同時(shí)有利于環(huán)境保護(hù)，因此，進(jìn)行再生瀝青混合料的研究愈發(fā)受到重視[3-4].

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)再生瀝青混合料已進(jìn)行了大量研究，形成了各類規(guī)范和指南[5-7].但現(xiàn)有研究多著眼于再生瀝青混合料路用性能，其設(shè)計(jì)方法也認(rèn)為RAP中舊瀝青完全參與再生，而近年研究發(fā)現(xiàn)RAP是由細(xì)顆粒和舊瀝青組成的聚集體，再生過(guò)程中裹附于RAP內(nèi)部的舊瀝青不能參與再生，而是以“黑石頭”的集料形式存在[8-9]，因此研究再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度對(duì)指導(dǎo)其設(shè)計(jì)和施工有重要意義.本文提出舊瀝青再生程度定量評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，基于此，分析再生劑類型、摻量、新集料加熱溫度、拌和溫度及干拌時(shí)間對(duì)其影響，提出適宜的再生瀝青混合料制備工藝.

1 原材料

1) 瀝青 試驗(yàn)用新瀝青為殼牌70#基質(zhì)瀝青，根據(jù)文獻(xiàn)[10]對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2) 再生劑 采用市面上常見(jiàn)四種不同類型再生劑A，B，C，D，根據(jù)文獻(xiàn)[10]對(duì)四種再生劑主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除B再生劑TFOT前后黏度比和質(zhì)量變化外，其他指標(biāo)均符合文獻(xiàn)[11]要求，具體結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 4種再生劑主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3) 集料及級(jí)配 粗細(xì)集料均采用福建產(chǎn)玄武巖，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得.制備RAP的混合料用AC-16，再生瀝青混合料用AC-20，最佳油石比分別為4.8%和4.3%，級(jí)配見(jiàn)表3.

4)RAP 由于現(xiàn)場(chǎng)銑刨RAP材料變異性較大，故為方便原料控制，本文通過(guò)人工制備RAP，步驟為采用輪碾法成型尺寸300 mm×300 mm×50 mm的AC-16瀝青混合料試件，然后進(jìn)行短期和長(zhǎng)期老化(135 ℃加熱4 h，85 ℃加熱5 d)，老化完成后取出掰成寬5 cm條形小塊，使用顎式破碎機(jī)破碎篩分為0～5 mmRAP備用.

表3 試驗(yàn)用集料級(jí)配

2 舊瀝青再生程度評(píng)價(jià)方法研究

為定量評(píng)價(jià)再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度，本文提出方法見(jiàn)圖1.

圖1 舊瀝青再生程度評(píng)價(jià)方法流程

圖1中主要試驗(yàn)流程如下.

1) 按上文提出方法人工制備RAP，過(guò)4.75 mm篩后根據(jù)表3中AC-20級(jí)配將其與大于4.75 mm的新集料混合(共2 000 g)，在試驗(yàn)設(shè)定的溫度和時(shí)間下進(jìn)行干拌，然后加入新瀝青和再生劑，濕拌1 min，再加入礦粉拌和1 min.

2) 濕拌完成后將再生瀝青混合料轉(zhuǎn)移至淺盤中，人工分散使其厚度不超過(guò)集料公稱最大粒徑，自然冷卻8 h后參照文獻(xiàn)[12]使用木碾對(duì)其進(jìn)行碾散，盡量使RAP和新集料分散.

3) 使用4.75 mm篩對(duì)碾散后的再生瀝青混合料進(jìn)行篩分，篩上部分為新集料及未能碾散而粘附在新集料上的RAP，篩下部分為RAP.

4) 使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收篩下RAP上粘附的新舊瀝青，然后取樣進(jìn)行64 ℃條件下的DSR試驗(yàn)，測(cè)定其車轍因子I實(shí)測(cè).

5) 根據(jù)再生瀝青混合料質(zhì)量為2 000 g計(jì)算其中RAP質(zhì)量，然后取樣對(duì)其上舊瀝青進(jìn)行回收，并根據(jù)油石比計(jì)算再生瀝青混合料中新瀝青用量，在130 ℃條件下將新瀝青(135 ℃加熱4 h)和再生劑加入舊瀝青進(jìn)行攪拌后靜置8 h，取樣進(jìn)行64 ℃條件下的DSR試驗(yàn)，測(cè)定其車轍因子I設(shè)計(jì).

6) 計(jì)算I實(shí)測(cè)與I設(shè)計(jì)比值Ic表征再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度，Ic等于1時(shí)表明舊瀝青完全參與再生，并與新瀝青充分混溶，大于1時(shí)表明再生瀝青混合料中RAP上舊瀝青含量偏高，有舊瀝青未參與再生過(guò)程，因此Ic值越大表明舊瀝青再生程度越低.

3 舊瀝青再生程度影響因素分析

3.1 再生劑類型對(duì)舊瀝青再生程度影響

為評(píng)價(jià)再生劑類型對(duì)舊瀝青再生程度影響，分別采用A，B，C，D 4種類型再生劑按上文方法進(jìn)行舊瀝青再生程度試驗(yàn)，其中再生劑摻量為RAP中舊瀝青含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的6%，新集料加熱溫度175 ℃，拌和溫度155 ℃，干拌時(shí)間1 min，結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 再生劑類型對(duì)舊瀝青再生程度影響

由表4可知，四種類型再生劑的優(yōu)劣排序?yàn)镃，A，D，B，Ic值最大相差16.8%，分析原因在于再生劑中輕質(zhì)組分含量高及粘度低時(shí)，能更好的溶解老化瀝青中瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分，使再生程度增強(qiáng)，而再生劑B“飽和分+芳香分”含量達(dá)87.8%，60 ℃黏度也為4種再生劑中最低，再生性能卻最差，這是由于其組分穩(wěn)定性較差(TFOT后黏度比3.56，質(zhì)量損失28.472%，明顯高于其它3種再生劑)，在混合料拌和過(guò)程中受熱容易產(chǎn)生分解導(dǎo)致[13].

為進(jìn)一步分析再生劑中輕質(zhì)組分含量及黏度與舊瀝青再生程度關(guān)系，剔除組分穩(wěn)定性較差的再生劑B，將A，C，D舊瀝青再生程度指標(biāo)Ic隨“飽和分+芳香分”含量及黏度變化的趨勢(shì)分別繪制于圖2.

圖2 不同指標(biāo)與舊瀝青再生程度關(guān)系

由圖2可知，當(dāng)再生劑組分穩(wěn)定性較好時(shí)，Ic隨“飽和分+芳香分”含量的增加呈明顯下降趨勢(shì)，隨黏度的增加呈明顯上升趨勢(shì)，故可通過(guò)選用“飽和分+芳香分”含量高或黏度低的再生劑，以提高其對(duì)舊瀝青再生程度.

3.2 再生劑摻量對(duì)舊瀝青再生程度影響

為分析再生劑摻量對(duì)舊瀝青再生程度影響，分別將6%, 8%, 10%和12%的再生劑C加入再生瀝青混合料拌和進(jìn)行舊瀝青再生程度試驗(yàn)，其中新集料加熱溫度175 ℃，拌和溫度155 ℃，干拌時(shí)間1 min，結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 再生劑摻量與舊瀝青再生程度關(guān)系

由圖3可知，再生劑摻量增加時(shí)舊瀝青再生程度逐漸提高，但超過(guò)8%后效果不再明顯.摻量由6%增加到8%時(shí)，Ic值下降6.3%，而由8%增加到12%時(shí)僅下降2.2%，這是因?yàn)樵偕鷦┳饔脵C(jī)理由組分調(diào)節(jié)和增容作用組成，組分調(diào)節(jié)指其加入舊瀝青后未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而舊瀝青組分變化的一方面來(lái)源于再生劑中組分的加入，另一方面則來(lái)源于再生劑加入在舊瀝青中起到的增容作用，此時(shí)舊瀝青中瀝青質(zhì)等重組分會(huì)分解向輕組分轉(zhuǎn)化[14]，因此，再生劑摻量較低時(shí)其與RAP膠團(tuán)表面瀝青的接觸面積或作用深度有限，故此時(shí)增加摻量能起到良好的增容作用，舊瀝青再生程度提高明顯，而達(dá)到一定程度后RAP膠團(tuán)表面瀝青已充分再生，而部分裹附于RAP膠團(tuán)內(nèi)部的“黑石頭”未能接觸再生劑，故此時(shí)摻量的增加主要起組分調(diào)節(jié)作用，舊瀝青再生程度提高較小.

3.3 集料加熱溫度對(duì)舊瀝青再生程度影響

為分析再生瀝青混合料拌和過(guò)程中新集料加熱溫度對(duì)舊瀝青再生程度影響，分別預(yù)熱新集料至175，185，195和205 ℃與RAP拌和進(jìn)行舊瀝青再生程度分析試驗(yàn)，其中添加8%再生劑C，拌和溫度155 ℃，干拌時(shí)間1 min，結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 新集料加熱溫度與舊瀝青再生程度關(guān)系

由圖4可知，再生瀝青混合料拌和過(guò)程中新集料加熱溫度為195 ℃時(shí)舊瀝青再生程度最高.溫度由175 ℃增加至195 ℃時(shí)，Ic值降低9.0%，而由195 ℃增加至205 ℃時(shí)升高3.3%，分析原因?yàn)榘韬瓦^(guò)程中由細(xì)小顆粒和舊瀝青黏聚而成的RAP膠團(tuán)會(huì)吸收熱量，此時(shí)舊瀝青逐漸軟化使表面的細(xì)顆粒脫落充分參與拌和，其上粘附的舊瀝青隨之轉(zhuǎn)移至新集料表面參與再生，因此，適當(dāng)增加新集料加熱溫度可使RAP膠團(tuán)吸熱量增加，從而提高RAP膠團(tuán)分散程度使更多內(nèi)部裹附的舊瀝青參與再生，但舊瀝青吸熱軟化的同時(shí)也伴隨著老化過(guò)程，新集料加熱溫度超過(guò)195 ℃后，其對(duì)舊瀝青造成的老化作用大于再生作用，因而舊瀝青再生程度變差，這與文獻(xiàn)[11]中對(duì)新集料加熱溫度不大于200 ℃的要求基本一致.

3.4 拌和溫度對(duì)舊瀝青再生程度影響

為研究拌和溫度對(duì)舊瀝青再生程度影響，分別在145，155，165，175 ℃條件下拌和再生瀝青混合料進(jìn)行舊瀝青再生程度試驗(yàn)，其中添加8%再生劑C，新集料溫度195 ℃，干拌時(shí)間1 min，結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 拌和溫度與舊瀝青再生程度關(guān)系

由圖5可知，再生瀝青混合料拌和溫度為165 ℃時(shí)舊瀝青再生程度最高.溫度由145 ℃增加到165 ℃時(shí)，Ic值降低4.0%，而由165 ℃增加至175 ℃時(shí)升高3.3%，分析原因?yàn)榘韬蜏囟仍黾訒r(shí)RAP膠團(tuán)吸熱量增加，故表面與內(nèi)部的溫度梯度降低，此時(shí)RAP中更多顆粒參與再生，但溫度超過(guò)165 ℃時(shí)溫度增加造成新瀝青老化程度迅速增長(zhǎng)，故再生程度又明顯降低.

3.5 干拌時(shí)間對(duì)舊瀝青再生程度影響

為分析RAP與新集料干拌時(shí)間對(duì)舊瀝青再生程度影響，分別制備干拌時(shí)間為1，2，3和4 min的再生瀝青混合料進(jìn)行舊瀝青再生程度試驗(yàn)，其中添加8%再生劑C，新集料溫度195 ℃，拌和溫度165 ℃，結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 干拌時(shí)間與舊瀝青再生程度關(guān)系

由圖6可知，延長(zhǎng)干拌時(shí)間能提高舊瀝青再生程度，但超過(guò)2 min后效果不再明顯.干拌時(shí)間由1 min延長(zhǎng)至2 min時(shí)，Ic值降低4.1%，而由2 min延長(zhǎng)至4 min時(shí)僅降低2.6%，分析原因?yàn)楦砂钑r(shí)間延長(zhǎng)時(shí)RAP能從新集料吸收更多熱量，RAP表面參與再生過(guò)程的粘附顆粒增多，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，RAP中裹附更為緊密的集料外露，需要更多能量使其脫落參與再生過(guò)程，但此時(shí)新舊集料溫度逐漸接近，RAP獲取能量速率降低，故再生程度提高效果減弱.

4 結(jié) 論

1) 提出舊瀝青再生程度定量評(píng)價(jià)方法利用再生瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，能較好的模擬實(shí)際應(yīng)用條件，對(duì)相關(guān)研究有一定指導(dǎo)意義.

2) 再生劑組分穩(wěn)定性較好時(shí)，選用“飽和分+芳香分”含量高或粘度低的再生劑能提高再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度；再生劑摻量增加時(shí)舊瀝青再生程度提高，但超過(guò)8%后效果不再明顯.

3) 新集料加熱溫度及拌和溫度增加時(shí)再生瀝青混合料中舊瀝青再生程度均呈現(xiàn)先提高后下降規(guī)律，兩者最優(yōu)值分別為195 ℃和165 ℃；延長(zhǎng)干拌時(shí)間能使舊瀝青再生程度逐漸提高，但超過(guò)2 min后效果不再明顯.