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提高沥青?#35775;?#28909;再生RAP料掺配率的技术措施

摘 要

为了提高沥青?#35775;?#28909;再生RAP料的掺配率,促进废旧沥青混合料的再利用,分析了RAP料掺配率较低的原因,提出了双层滚筒烘料、混合料外掺式改性和变细调整级配3种技术措施,选取了AC-10、AC-13和AC-16等3种级配类型及对应的RAP料掺配率100%、75%和55%,试验研究了再生混合料经过外掺式改性前后的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性。结果表明:RAP料的掺配率随着变细调整级配而得到大幅度提高;再生混合料经添加热再生改性剂后,其高温稳定性、水稳定性和低温?#38405;?#22343;得?#36739;?#33879;提高且满足技术规范的相关要求;后续研究及工程应用表明,采用双层滚筒烘料设备,对提高RAP料掺配率极为有效。

关键词

?#35775;?#24037;程;沥青?#35775;?#28909;再生;双层滚筒烘料;混合料外掺式改性;变细调整级配;路用?#38405;?/p>

沥青?#35775;?#20877;生技术有利于节约资源、保护环境,社会效益和经济效益十分显著,对公路建设与养护的可?#20013;?#21457;展具有重要意义,成为大力提倡的?#35775;?#20859;护维修技术之一沥青网sinoasphalt.com。但目前RAP料(沥青?#35775;?#22238;收旧料)在沥青混合料中的掺配率较低,实验室研究大多为30%~40%,实体工程应用中则更低,一般为20%~30%,主要原因是较高的掺配率导致RAP料难以加热,从而难以保证再生混合料的技术?#38405;堋?#22240;此,如何在保证其技术?#38405;?#30340;前提下较大幅度地提高RAP料掺配率已成为亟需解决的问题。


目前,国内外已经对沥青?#35775;?#20877;生技术进行了多年研究,并取得了丰硕成果[1-6]。德国最早将此项技术应用于?#35775;?#20859;护维修,芬兰?#22836;?#22269;也随之进行了效仿[7];2007年美国联邦公路局在实体工程中应用了25%的RAP料掺配率,发展?#23548;?#20102;RAP料的应用技术[8];有资料显示,2011年美国在工程中的RAP料平均掺配率约为19.1%[9]。国内对再生技术也有?#27426;?#30740;究,黄晓明?#28909;?#23545;沥青的再生剂进行了相关研究[10];张志祥?#28909;?#36827;行了室内再生沥青混合料疲劳试验研究,初步建议?#35775;?#19978;面层沥青混合料中RAP料的掺配率不宜超过20%[11];兰青等人通过小?#21644;?#26354;试验评价了不同RAP比例热再生沥青混合料的变形?#38405;埽?2];吴革森?#28909;?#23545;高比例RAP厂拌热再生混合料的配合比设计进行了相关研究[13];延西利?#28909;搜?#21457;了“HRM热再生改性剂?#20445;?#25216;术?#38405;?#20248;良,但无大面积应用?#36947;?4]。


总结国内外对RAP料再生技术的研究与应用,主要集中于对RAP料的分析、再生剂的研发与使用,以及混合料的配合比设计。对于RAP料及其沥青混合料的改性技术鲜有研究。


针对RAP料掺配率较低的问题,论文研究提出了双层滚筒烘料、混合料外掺式改性、变细调整级配3种技术措施,并采用外掺式改性技术对再生混合料进行试验分析,在后续工作中对双层滚筒烘料设备进行了?#23548;?#24037;程应用。

RAP料分析及混合料配制

回收沥青

RAP料采用铣刨的方法得到,?#21171;?#24037;程为陕西省榆林市S204大修项目。原?#35775;?#24050;服役12年,所用沥青为70号基质沥青,级配类型为AC-16。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的试验方法对RAP料进行抽提试验,并对回收沥青和70号基质沥青进行了技术?#38405;?#26816;测,试验结果见表1。由此可以发现,回收沥青的技术?#38405;?#26377;了明显变化,其软化点升高,针入?#21462;?#24310;度急剧减小,说明回收沥青已老化变硬,低温?#38405;?#27604;较差。因此,需对其进行再生方可二次利用。

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回收集料

按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-20004)相关试验方法,测试了回收集料的技术?#38405;埽?#20854;细集料表观密度为2.69g·cm^-3,粗集料的试验结果见表2。试验结果表明,回收集料的技术?#38405;?#28385;足规范要求,可以应用于混合料的配制。

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对回收集料进行筛分,将回收集料的筛分级配曲线与AC-16型级配曲线对比,见图1。由于回收集料级配中最大粒径小于13.2mm,因此将其筛分级配曲线与AC-10型级配曲线进行对比,结果见图2。

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由筛分结果可以看出,回收集料的筛分级配曲线与AC-10级配曲线中值相近,表明回收集料细化比较?#29616;兀?5]。

新加沥青和集料

对RAP料沥青混合料进?#20449;?#21512;比设计?#20445;?#26377;时需要新加沥青和集料。新加沥青为新疆克拉玛依70号基质沥青A级,其技术指标检测结果见表1。新加集料和矿粉均由石?#24050;?#21046;得,其技术?#38405;?#26816;测结果见表3。由检测结果可知,新加集料和矿粉的技术?#38405;?#22343;符合规范的相关要求。

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外加剂及用量

试验所用的外加剂有两种:一种是对回收沥青进行再生的再生剂;另一种是对再生混合料进行改性的改性剂。再生剂采用XL再生剂,改性剂采用HRM改性剂,其技术?#38382;?#20998;别见表4、表5。


再生剂用量与回收沥青的黏?#21462;?#20877;生剂的黏度密切相关,通过计算分析得出再生剂的用量为回收沥青质量的10%[16-20]。HRM改性剂用量越大,对再生混合料路用?#38405;?#25552;升越大,但从经济技术层面考虑,其用量不宜过多。热再生改性剂使用说明推荐使用量为混合料质量的0.3%~0.5%,本试验采用0.4%[21]。

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提高RAP料掺配率的技术分析

RAP料掺配率受限原因分析

RAP料掺配率较低的根本原因是拌和过程中RAP料加热方式的限制和路用?#38405;?#30340;衰减。因为RAP料中含有老化的回收沥青,常规明火直接加热会使回收沥青炭化,从而达不到再生效果。现行厂拌热再生过程是通过以热带冷的方式对RAP料进行加热,如果RAP料掺配率过大,则新加集料会减少,拌和过程中基本不可能将RAP料充分加热,影响再生混合料的拌和质量,因此该方法?#29616;?#38480;制了RAP料的掺配率。其次,由于回收集料细化比较?#29616;兀?#20256;?#25104;?#20026;了保证原?#35775;?#32423;配类型,?#31570;?#21487;避免需新加粗粒径集料,使得RAP料掺配率下降。最后,由于回收沥青老化?#29616;兀?#23548;致再生混合料技术?#38405;?#19979;降,因此需新加一部分沥青,使得RAP料掺配率下降。

因此,为了提高RAP料的掺配率,论文研究提出了双层滚筒烘料、混合料外掺式改性和变细调整级配3种技术措施。

双层滚筒烘料设备应用

在烘料设备方面,有研究表明[15,17],采用双层滚筒方式进行加热效果更加良好。这种加热方式主要有两种:一种称为内搅拌双层式加热滚筒,即加热明火在层间,RAP料和新加集料在内层,热量通过内层滚筒的热传导传至RAP料和新加集料;另一种称为外搅拌双层式加热滚筒,即加热明火在内层,RAP料在层间,新集料在内层经明火加热后也进入层间,热量通过内层滚筒的热传导和高温新加集料共同传至RAP料,从而达到既能充分加热又不会炭化回收沥青的目的。


国内已有多家企业对双层滚筒烘料设备进行研发和应用,论文研究项目的后续工作于2016年在210国道陕西榆林?#28201;访?#25913;造工程中,对双层滚筒烘料设备进行?#23548;?#24212;用,效果良好,对有效提高RAP料掺配率具有极其重要的意义。

混合料的外掺式改性技术

关于改性剂和改性技术的使用比较多,有学者提出两种改性方式[22]:一种是内掺式改性,即先对沥青进行改性,再与集料进行拌和,此方式的改性效果并不显著;另一种是外掺式改性,即在混合料拌和过程中直接进行改性,从而形成改性混合料。由此可见,如果要对RAP料改性,外掺式改性是唯一方法。

变细调整级配方案

通过对回收集料级配分析,发现?#35775;?#32423;配类型细化比较?#29616;亍?#20026;了提高RAP料掺配率,论文研究采用变细级配方案,即采用AC-16、AC-13、AC-10等3种级配类型。同?#20445;?#20026;了扩展级配和RAP料掺配率的研究范围,?#37096;?#34385;了AC-20级配类型,通过对不同级配类型混合料进?#20449;?#21512;比设?#30130;?#24471;到4种级配类?#25237;?#24212;的RAP料掺配率,见表6。

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但由于AC-20级配类型混合料试件难以成型,且对于成型的试件进行稳定度测试?#20445;?#26080;论是否添加改性剂,其稳定度均不能满足规范(JTG F40-2004)的要求,所以最后用于试验的是其余3种级配类型,对于AC-20级配类?#31570;?#20877;进行分析。

试验研究方案

通过变细调整级配方式,选取了AC-10、AC-13和AC-16等3种级配类型,设定对应的RAP料掺配率分别为100%、75%和55%。同?#20445;?#23545;该3种级配类型混合料分别进行了添加改性剂与否的路用?#38405;?#35797;验。具体试验方案见表7。

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试验结果分析

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)和《公路沥青?#35775;?#26045;工技术规范》(JTG F40-2004)的相关规定,对3种级配类型的再生沥青混合料进行添加改性剂与否的试件制备,并进行了相关路用?#38405;?#35797;验,试验结果见表8。

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高温稳定性

高温稳定性通过马歇尔稳定度试验和车辙试验进行评价。由表8中数据可以发现,各级配类型再生混合料的马歇尔稳定度均大于12kN,抗车辙动稳定度均大于1900次/mm,改性以后两者均有显著提高。

水稳定性

水稳定性通过浸水马歇尔试验?#25237;?#34701;劈裂试验进行评价。由表8中数据可以发现,除AC-10级配类型沥青混合料在未添加改性剂时不能满足规范要求外,其他类型再生料的残留稳定度比均大于85%,添加改性剂之后的再生混合料的残留稳定度?#21462;SR(冻融劈裂强度比)均有显著的提升。其中AC-10级配类型混合料的残留稳定度比增加的幅度高达23.6%,表明改性技术对提高RAP料掺配率具有重要意义。

低温抗裂性

低温抗裂性通过低温(-10℃)弯曲试验进行评价。由表8中数据可以发现,在未添加改性剂?#20445;?#21482;有RAP料掺配率为55%的AC-16级配类型再生混合料最大破?#20302;?#25289;应变能满足规范要求,其余级配类型的再生混合料均不满足要求。经添加改性剂后,各级配类型混合料的最大破?#20302;?#25289;应变均大于2500με,说明了改性技术对于提高RAP料掺配率的重要性。

结语

(1)?#21171;?#24037;程的沥青?#35775;?#26381;役12年后,沥青混合料的技术?#38405;?#21457;生较大变化,表现为软化点升高,针入?#21462;?#24310;度急剧减小,沥青老化?#29616;兀?#38598;料细化比较?#29616;亍?/span>

(2)RAP料掺配率较低的根本原因是RAP料加热方式的限制和RAP料自身技术?#38405;?#30340;衰减。


(3)采用双层滚筒烘料、混合料外掺式改性和变细调整级配方案可以有效提高RAP料掺配率。


(4)通过外掺改性技术既可以有效提高RAP料掺配率,也能保证混合料的综合路用?#38405;堋?/p>


(5)采用变细调整级配可以有效提高RAP料掺配率,为保证路用技术?#38405;埽?#24314;议掺配率为55%。


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