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銑刨料再生冷補(bǔ)料的路用性能評(píng)價(jià)

2022-10-26 10:15:02許尚江劉超群荊靖趙濼源耿立濤
關(guān)鍵詞:補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度

許尚江劉超群荊靖趙濼源耿立濤

(1.山東省高速養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250031;2.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101;3.湖北樊魏高速公路有限公司,湖北 襄陽(yáng) 441100)

0 引言

我國(guó)高等級(jí)公路每年因養(yǎng)護(hù)維修產(chǎn)生的瀝青路面銑刨料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP)高達(dá)2.2億t[1]。盡管整體性能已經(jīng)不滿足使用要求,但由于RAP自身具有極高的利用價(jià)值,對(duì)其再生利用的研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)[2-3]。然而,即使是目前應(yīng)用最廣、效果相對(duì)最優(yōu)的RAP廠拌熱再生技術(shù),仍存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、RAP二次老化、再生瀝青混合料疲勞性能和低溫性能不足等問(wèn)題[4-6]。RAP再生利用成敗的關(guān)鍵取決于RAP中舊瀝青的功能恢復(fù)程度[7-8],但目前采用的RAP再生工藝無(wú)法為新舊瀝青提供充足的混溶時(shí)間[9-10],這也是再生瀝青混合料路用性能不佳的主要原因之一。

近年來(lái),坑槽修補(bǔ)采用的是冷補(bǔ)瀝青混合料(冷補(bǔ)料),因其具有修復(fù)及時(shí)、便捷環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛關(guān)注,但商品化的冷補(bǔ)料普遍存在或性能優(yōu)但成本偏高、或成本低但性能不佳的問(wèn)題[11-12]。以RAP替代新集料制備坑槽冷補(bǔ)料具有較好的發(fā)展?jié)摿?,主要原因?(1)RAP具有水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)[13-14],符合對(duì)冷補(bǔ)料的性能要求;(2)冷補(bǔ)料的存儲(chǔ)待用期長(zhǎng)[15],可為新-舊瀝青的混溶——也即舊瀝青的功能恢復(fù)提供充足的時(shí)間,使得添加少量新瀝青成為可能,從而節(jié)省材料成本;(3)冷補(bǔ)料采用常溫生產(chǎn)工藝[16],利于環(huán)保,且可避免RAP的二次加熱老化;(4)冷補(bǔ)料對(duì)礦料級(jí)配的要求相對(duì)寬松,有望實(shí)現(xiàn)RAP的100%利用,而RAP的成本僅為石料的1/4~1/3,從而進(jìn)一步降低材料成本。

目前,關(guān)于以RAP制備坑槽冷補(bǔ)料的研究成果較少,特別是以100%的原狀RAP制備坑槽冷補(bǔ)料的研究成果鮮見報(bào)道。為發(fā)掘RAP用于冷補(bǔ)料制備的優(yōu)勢(shì),文章開展了以原狀RAP用于再生冷補(bǔ)料的制備與評(píng)價(jià)工作。采用實(shí)際工程項(xiàng)目中已使用9 a的未經(jīng)處理的RAP作為集料,以前期自主研發(fā)的液體冷補(bǔ)瀝青(Cold Patching Asphalt,CPA)作為膠結(jié)料,選擇了不同的CPA摻量,常溫拌合制備了銑刨料再生冷補(bǔ)料(Cold Patching Asphalt Mixture with Reclaimed Asphalt Pavement,RAP-CPAM);在不同的常溫存儲(chǔ)時(shí)間下,基于表觀狀態(tài)及析漏試驗(yàn)初步研究了CPA的合理用量;并基于水煮法、滾動(dòng)篩法、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)評(píng)價(jià)了RAP-CPAM的黏附性、黏聚性、穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性等路用性能,表明采用100%原狀RAP制備RAP-CPAM具有一定的應(yīng)用潛力。

1 試驗(yàn)材料

1.1 RAP

選用的RAP取自2020年G1151日蘭高速臨沂段維修工程,原瀝青混合料類型為SMA-13,瀝青結(jié)合料為苯乙烯-?。较┣抖喂簿畚?Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer,SBS)改性瀝青,原路面已使用9 a。經(jīng)抽提、篩分試驗(yàn)測(cè)得RAP中舊瀝青的含量為5.4%。礦料級(jí)配如圖1所示,舊瀝青的測(cè)試結(jié)果見表1,表明該RAP已經(jīng)發(fā)生了明顯的粗集料碎裂、瀝青損失和瀝青老化等現(xiàn)象,9.5和4.75 mm篩孔的通過(guò)率超過(guò)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[17]中的限值>10%,瀝青含量與原設(shè)計(jì)瀝青含量相比約降低了0.4%~0.7%,而針入度僅為17.0?;谑褂媚晗蘧?、礦料級(jí)配不良、瀝青嚴(yán)重老化等因素,對(duì)選用的RAP制備的RAP-CPAM進(jìn)行系列試驗(yàn)研究。

圖1 RAP的礦料級(jí)配曲線圖

表1 舊瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)測(cè)試結(jié)果表

1.2 CPA

采用的CPA由齊魯70#道路石油瀝青、柴油稀釋劑和冷補(bǔ)瀝青添加劑按質(zhì)量比75∶22∶3混合制備,常溫下為黏稠狀液體,其具體制備工藝見文獻(xiàn)[18]。CPA中,道路石油瀝青的作用在于補(bǔ)充RAP中缺失的瀝青,柴油稀釋劑的作用在于提供常溫拌合功能并補(bǔ)充舊瀝青因老化缺失的輕組分,冷補(bǔ)瀝青添加劑的作用為提升瀝青與集料的黏附性。

2 RAP-CPAM制備

為簡(jiǎn)化RAP-CPAM的生產(chǎn)工藝,制備時(shí)采用100%的原狀RAP作為集料,僅以CPA的用量作為變量。SHIRODKAR等[19]研究認(rèn)為熱再生瀝青混合料中舊瀝青的利用率隨著RAP摻量的提高而降低,當(dāng)RAP摻量為30%~50%時(shí),舊瀝青的利用率約為70%~96%。由于RAP-CPAM存儲(chǔ)待用期內(nèi)將有較長(zhǎng)的時(shí)間供CPA與舊瀝青混溶,因此雖然采用100%的RAP摻量,舊瀝青仍將具有較高的利用率?;谏鲜鲈?,假定制備RAP-CPAM時(shí)舊瀝青的利用率為80%,設(shè)計(jì)1.6%、2.0%和2.4%等3種CPA用量(內(nèi)摻),相應(yīng)的RAP-CPAM中總有效瀝青含量分別為5.5%、5.8%和6.1%,此用量較接近熱拌瀝青混合料SMA-13中的瀝青常用量。

分別采用上述3種用量的CPA與RAP經(jīng)拌合鍋在20~25℃拌合270 s后完成RAP-CPAM的制備,拌合試驗(yàn)所得RAP-CPAM表觀效果如圖2和表2所示,其中RAP-CPAM-1.6表示CPA用量為1.6%,以此類推。1.6%的CPA用量偏低,集料雖能被瀝青裹附,但呈表面干燥、無(wú)光澤狀態(tài),隨著CPA用量的逐步增加,RAP-CPAM逐漸轉(zhuǎn)為部分油潤(rùn)和整體油潤(rùn)狀態(tài),2.4%的CPA用量較為合適。此外,經(jīng)5~10 d的常溫存儲(chǔ)后,3種RAP-CPAM外觀均有所提升,較初始狀態(tài)更加油潤(rùn),表明存儲(chǔ)過(guò)程中CPA與舊瀝青發(fā)生了混溶。

圖2 RAP-CPAM拌合試驗(yàn)效果圖

表2 不同CPA用量下RAP-CPAM的初期外觀效果表

JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[20]中的謝倫堡析漏試驗(yàn)可用于檢驗(yàn)各種瀝青混合料的最大瀝青用量,以析漏損失率≤0.2%作為控制標(biāo)準(zhǔn)。從評(píng)價(jià)角度,該方法對(duì)RAP-CPAM同樣具有適用性,但由于RAP-CPAM的常溫生產(chǎn)、施工工藝,測(cè)試溫度需相應(yīng)調(diào)整為常溫。對(duì)常溫存儲(chǔ)0、5和10 d的RAP-CPAM進(jìn)行25℃條件下的析漏損失測(cè)試,結(jié)果見表3。

表3 析漏試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表

由表3可知,RAP-CPAM的析漏損失指標(biāo)整體處于較低的范圍,未隨著CPA用量及存儲(chǔ)時(shí)間的增加而發(fā)生明顯變化,且均<0.2%。

綜合考慮再生冷補(bǔ)料的拌合試驗(yàn)時(shí),其外觀變化和析漏試驗(yàn)結(jié)果,并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮,認(rèn)為2.4%的CPA用量是相對(duì)合理的用量。

3 RAP-CPAM性能評(píng)價(jià)

3.1 黏附性測(cè)試

礦料與瀝青的黏附性是評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。采用文獻(xiàn)[18]中的水煮法測(cè)試RAPCPAM的黏附性。同時(shí),對(duì)采用新集料所制備的冷補(bǔ)料SCPAM-4.7-A(瀝青含量為4.7%,所選用級(jí)配及制備方法與文獻(xiàn)[18]一致)作為黏附性測(cè)試及后續(xù)測(cè)試的對(duì)比樣。其測(cè)試結(jié)果見表4。

由表4可知,RAP-CPAM與SCPAM-4.7-A相比具有明顯的耐水性優(yōu)勢(shì),其裹附率未因水煮時(shí)間、CPA用量和存儲(chǔ)時(shí)間的變化而發(fā)生明顯的改變,其最小值也達(dá)到了97%。分析原因認(rèn)為RAP中,舊瀝青緊密裹附于集料表面,水分難于穿過(guò)瀝青膜致使瀝青與集料剝離,這也體現(xiàn)了以RAP制備RAPCPAM的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。需要指出的是,水煮法測(cè)試僅能展現(xiàn)集料-瀝青界面的黏附性,無(wú)法反映出CPA用量對(duì)RAP-CPAM整體水穩(wěn)定性的影響,因此不同的CPA用量下,RAP-CPAM的裹附率差異并不明顯。

表4 黏附性測(cè)試結(jié)果表

3.2 黏聚性測(cè)試

黏聚性用以評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料抵抗車輪荷載的沖擊能力,該性能可通過(guò)滾動(dòng)篩法[21]試驗(yàn)獲得的質(zhì)量損失率表征,其值不應(yīng)>45%[22]。需要指出的是,傳統(tǒng)的冷補(bǔ)料多呈松散狀態(tài),需要經(jīng)過(guò)加速老化(相應(yīng)于使用數(shù)月后的狀態(tài))后方可成型可供滾動(dòng)篩法測(cè)試的試件。所研究的RAP-CPAM無(wú)需加速老化即可實(shí)現(xiàn)試件成型,故黏聚性測(cè)試前并未對(duì)其進(jìn)行加速老化處理。圖3給出了RAP-CPAM及經(jīng)加速老化的SCPAM-4.7-A的黏聚性測(cè)試結(jié)果。

圖3 黏聚性測(cè)試結(jié)果柱狀圖

由圖3可知,RAP-CPAM的質(zhì)量損失率均處于較低的水平。RAP-CPAM制備初期,即使在最低的CPA用量(1.6%)下,其最大的質(zhì)量損失率(7.4%)也僅為SCPAM-4.7-A的60%;隨著CPA用量的增加,質(zhì)量損失率約降低至5%,表明瀝青膜厚度的增加提升了礦料的粘結(jié)效果。相同的CPA用量下,RAP-CPAM的質(zhì)量損失率隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加均進(jìn)一步降低,但降幅趨于緩慢,反映了舊瀝青與CPA混溶后對(duì)礦料粘結(jié)的促進(jìn)作用。總體上,RAP-CPAM的黏聚性優(yōu)異,更具有抵抗車輪荷載沖擊能力。

3.3 馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),雖然RAP-CPAM的整體性能較傳統(tǒng)冷補(bǔ)料已經(jīng)明顯改善,但在高溫?zé)o約束狀態(tài)下仍難以獲得有效的初期強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)?;谏鲜鲈?,參考JTG E20—2011[20]測(cè)試RAP-CPAM的25℃馬歇爾穩(wěn)定度,以橫向比較各RAP-CPAM的穩(wěn)定性變化。表5給出了不同存儲(chǔ)期及加速老化(110℃養(yǎng)護(hù)12 h)后的馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果。

表5 25℃馬歇爾測(cè)試結(jié)果表

由表5可知,相同的存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)下,RAP-CPAM的馬歇爾穩(wěn)定度隨著CPA用量的增加略有增大,原因在于CPA用量的增加有利于提升集料顆粒間的潤(rùn)滑作用,從而提升冷補(bǔ)料的密實(shí)度,馬歇爾穩(wěn)定度隨之相應(yīng)提升;經(jīng)歷了不同的存儲(chǔ)期后,馬歇爾穩(wěn)定度均出現(xiàn)先降低再增加的現(xiàn)象,分析認(rèn)為該現(xiàn)象與“初期以冷補(bǔ)瀝青潤(rùn)滑效果為主”向“舊瀝青吸收冷補(bǔ)瀝青增黏”再向“舊瀝青軟化降黏”的狀態(tài)變化有關(guān),但總體上RAP-CPAM的馬歇爾穩(wěn)定度差異受CPA用量和存儲(chǔ)時(shí)間的影響不大;此外,與無(wú)法獲得馬歇爾穩(wěn)定度的SCPAM-4.7-A相比,RAPCPAM明顯具有初期溫度穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。經(jīng)歷加速老化后,由于冷補(bǔ)料中稀釋劑的大量揮發(fā),RAPCPAM和SCPAM-4.7-A的25℃馬歇爾穩(wěn)定度均顯著提升;但RAP-CPAM的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)SCPAM-4.7-A的2倍以上,表明其使用過(guò)程中更具溫度穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。

3.4 浸水殘留穩(wěn)定度測(cè)試

浸水殘留穩(wěn)定度是表征瀝青混合料水穩(wěn)定性的一項(xiàng)常用指標(biāo),除可反映瀝青與集料黏附性外,尚可反映礦料級(jí)配、瀝青含量等多因素的綜合影響。由于RAP-CPAM無(wú)須加熱老化預(yù)處理即可成型試件,以浸水殘留穩(wěn)定度評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性具有可行性。對(duì)RAP-CPAM的浸水馬歇爾試驗(yàn)依據(jù)JTG E20—2011[20]進(jìn)行,僅將養(yǎng)護(hù)及測(cè)試溫度調(diào)整為25℃,以匹配冷補(bǔ)料的常溫應(yīng)用,其結(jié)果見表6。

表6 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表

由表6可知,RAP-CPAM的浸水殘留穩(wěn)定度對(duì)CPA用量和存儲(chǔ)時(shí)間反應(yīng)敏感,可有效表征其水穩(wěn)定性。在相同的存儲(chǔ)時(shí)間下,浸水殘留穩(wěn)定度隨著CPA用量的增加明顯增大;而相同的CPA用量下,浸水殘留穩(wěn)定度則隨著存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,表明新-舊瀝青的混溶有利于提升RAP-CPAM的水穩(wěn)定性。加速老化后的RAP-CPAM比SCPAM-4.7-A具有更高的浸水殘留穩(wěn)定度,表明其使用過(guò)程中將更具水穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知:

(1)CPA的理想用量約為2.4%,此時(shí)制備初期的RAP-CPAM具有良好的外觀狀態(tài)和理想的析漏損失指標(biāo);存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)有利于RAP-CPAM中新-舊瀝青的混溶效果。

(2)相比于以新集料制備的冷補(bǔ)料,RAPCPAM的黏聚性明顯改善,且隨著CPA用量的增加和存儲(chǔ)期的延長(zhǎng)而提高;RAP-CPAM更具早期溫度穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì),使用數(shù)月后其溫度穩(wěn)定性將具有更為顯著的提升;RAP-CPAM更具水穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì),提升CPA用量和延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間后,水穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)更為明顯。

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借題發(fā)揮
讀者(2011年23期)2011-07-05 21:20:07
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