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提高瀝青路面熱再生RAP料摻配率的技術措施
2019年08月14日    閱讀量:23600    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

摘 要

為了提高瀝青路面熱再生RAP料的摻配率,促進廢舊瀝青混合料的再利用,分析了RAP料摻配率較低的原因,提出了雙層滾筒烘料、混合料外摻式改性和變細調整級配3種技術措施,選取了AC-10、AC-13和AC-16等3種級配類型及對應的RAP料摻配率100%、75%和55%,試驗研究了再生混合料經過外摻式改性前后的高溫穩定性、水穩定性和低溫抗裂性。結果表明:RAP料的摻配率隨著變細調整級配而得到大幅度提高;再生混合料經添加熱再生改性劑后,其高溫穩定性、水穩定性和低溫性能均得到顯著提高且滿足技術規范的相關要求;后續研究及工程應用表明,采用雙層滾筒烘料設備,對提高RAP料摻配率極為有效。

關鍵詞

路面工程;瀝青路面熱再生;雙層滾筒烘料;混合料外摻式改性;變細調整級配;路用性能

瀝青路面再生技術有利于節約資源、保護環境,社會效益和經濟效益十分顯著,對公路建設與養護的可持續發展具有重要意義,成為大力提倡的路面養護維修技術之一瀝青網sinoasphalt.com。但目前RAP料(瀝青路面回收舊料)在瀝青混合料中的摻配率較低,實驗室研究大多為30%~40%,實體工程應用中則更低,一般為20%~30%,主要原因是較高的摻配率導致RAP料難以加熱,從而難以保證再生混合料的技術性能。因此,如何在保證其技術性能的前提下較大幅度地提高RAP料摻配率已成為亟需解決的問題。


目前,國內外已經對瀝青路面再生技術進行了多年研究,并取得了豐碩成果[1-6]。德國最早將此項技術應用于路面養護維修,芬蘭和法國也隨之進行了效仿[7];2007年美國聯邦公路局在實體工程中應用了25%的RAP料摻配率,發展實踐了RAP料的應用技術[8];有資料顯示,2011年美國在工程中的RAP料平均摻配率約為19.1%[9]。國內對再生技術也有一定研究,黃曉明等人對瀝青的再生劑進行了相關研究[10];張志祥等人進行了室內再生瀝青混合料疲勞試驗研究,初步建議路面上面層瀝青混合料中RAP料的摻配率不宜超過20%[11];蘭青等人通過小梁彎曲試驗評價了不同RAP比例熱再生瀝青混合料的變形性能[12];吳革森等人對高比例RAP廠拌熱再生混合料的配合比設計進行了相關研究[13];延西利等人研發了“HRM熱再生改性劑”,技術性能優良,但無大面積應用實例[14]。


總結國內外對RAP料再生技術的研究與應用,主要集中于對RAP料的分析、再生劑的研發與使用,以及混合料的配合比設計。對于RAP料及其瀝青混合料的改性技術鮮有研究。


針對RAP料摻配率較低的問題,論文研究提出了雙層滾筒烘料、混合料外摻式改性、變細調整級配3種技術措施,并采用外摻式改性技術對再生混合料進行試驗分析,在后續工作中對雙層滾筒烘料設備進行了實際工程應用。

RAP料分析及混合料配制

回收瀝青

RAP料采用銑刨的方法得到,依托工程為陜西省榆林市S204大修項目。原路面已服役12年,所用瀝青為70號基質瀝青,級配類型為AC-16。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的試驗方法對RAP料進行抽提試驗,并對回收瀝青和70號基質瀝青進行了技術性能檢測,試驗結果見表1。由此可以發現,回收瀝青的技術性能有了明顯變化,其軟化點升高,針入度、延度急劇減小,說明回收瀝青已老化變硬,低溫性能比較差。因此,需對其進行再生方可二次利用。

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回收集料

按照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-20004)相關試驗方法,測試了回收集料的技術性能,其細集料表觀密度為2.69g·cm^-3,粗集料的試驗結果見表2。試驗結果表明,回收集料的技術性能滿足規范要求,可以應用于混合料的配制。

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對回收集料進行篩分,將回收集料的篩分級配曲線與AC-16型級配曲線對比,見圖1。由于回收集料級配中最大粒徑小于13.2mm,因此將其篩分級配曲線與AC-10型級配曲線進行對比,結果見圖2。

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由篩分結果可以看出,回收集料的篩分級配曲線與AC-10級配曲線中值相近,表明回收集料細化比較嚴重[15]。

新加瀝青和集料

對RAP料瀝青混合料進行配合比設計時,有時需要新加瀝青和集料。新加瀝青為新疆克拉瑪依70號基質瀝青A級,其技術指標檢測結果見表1。新加集料和礦粉均由石灰巖制得,其技術性能檢測結果見表3。由檢測結果可知,新加集料和礦粉的技術性能均符合規范的相關要求。

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外加劑及用量

試驗所用的外加劑有兩種:一種是對回收瀝青進行再生的再生劑;另一種是對再生混合料進行改性的改性劑。再生劑采用XL再生劑,改性劑采用HRM改性劑,其技術參數分別見表4、表5。


再生劑用量與回收瀝青的黏度、再生劑的黏度密切相關,通過計算分析得出再生劑的用量為回收瀝青質量的10%[16-20]。HRM改性劑用量越大,對再生混合料路用性能提升越大,但從經濟技術層面考慮,其用量不宜過多。熱再生改性劑使用說明推薦使用量為混合料質量的0.3%~0.5%,本試驗采用0.4%[21]。

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提高RAP料摻配率的技術分析

RAP料摻配率受限原因分析

RAP料摻配率較低的根本原因是拌和過程中RAP料加熱方式的限制和路用性能的衰減。因為RAP料中含有老化的回收瀝青,常規明火直接加熱會使回收瀝青炭化,從而達不到再生效果。現行廠拌熱再生過程是通過以熱帶冷的方式對RAP料進行加熱,如果RAP料摻配率過大,則新加集料會減少,拌和過程中基本不可能將RAP料充分加熱,影響再生混合料的拌和質量,因此該方法嚴重限制了RAP料的摻配率。其次,由于回收集料細化比較嚴重,傳統上為了保證原路面級配類型,就不可避免需新加粗粒徑集料,使得RAP料摻配率下降。最后,由于回收瀝青老化嚴重,導致再生混合料技術性能下降,因此需新加一部分瀝青,使得RAP料摻配率下降。

因此,為了提高RAP料的摻配率,論文研究提出了雙層滾筒烘料、混合料外摻式改性和變細調整級配3種技術措施。

雙層滾筒烘料設備應用

在烘料設備方面,有研究表明[15,17],采用雙層滾筒方式進行加熱效果更加良好。這種加熱方式主要有兩種:一種稱為內攪拌雙層式加熱滾筒,即加熱明火在層間,RAP料和新加集料在內層,熱量通過內層滾筒的熱傳導傳至RAP料和新加集料;另一種稱為外攪拌雙層式加熱滾筒,即加熱明火在內層,RAP料在層間,新集料在內層經明火加熱后也進入層間,熱量通過內層滾筒的熱傳導和高溫新加集料共同傳至RAP料,從而達到既能充分加熱又不會炭化回收瀝青的目的。


國內已有多家企業對雙層滾筒烘料設備進行研發和應用,論文研究項目的后續工作于2016年在210國道陜西榆林段路面改造工程中,對雙層滾筒烘料設備進行實際應用,效果良好,對有效提高RAP料摻配率具有極其重要的意義。

混合料的外摻式改性技術

關于改性劑和改性技術的使用比較多,有學者提出兩種改性方式[22]:一種是內摻式改性,即先對瀝青進行改性,再與集料進行拌和,此方式的改性效果并不顯著;另一種是外摻式改性,即在混合料拌和過程中直接進行改性,從而形成改性混合料。由此可見,如果要對RAP料改性,外摻式改性是唯一方法。

變細調整級配方案

通過對回收集料級配分析,發現路面級配類型細化比較嚴重。為了提高RAP料摻配率,論文研究采用變細級配方案,即采用AC-16、AC-13、AC-10等3種級配類型。同時,為了擴展級配和RAP料摻配率的研究范圍,也考慮了AC-20級配類型,通過對不同級配類型混合料進行配合比設計,得到4種級配類型對應的RAP料摻配率,見表6。

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但由于AC-20級配類型混合料試件難以成型,且對于成型的試件進行穩定度測試時,無論是否添加改性劑,其穩定度均不能滿足規范(JTG F40-2004)的要求,所以最后用于試驗的是其余3種級配類型,對于AC-20級配類型不再進行分析。

試驗研究方案

通過變細調整級配方式,選取了AC-10、AC-13和AC-16等3種級配類型,設定對應的RAP料摻配率分別為100%、75%和55%。同時,對該3種級配類型混合料分別進行了添加改性劑與否的路用性能試驗。具體試驗方案見表7。

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試驗結果分析

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)和《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)的相關規定,對3種級配類型的再生瀝青混合料進行添加改性劑與否的試件制備,并進行了相關路用性能試驗,試驗結果見表8。

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高溫穩定性

高溫穩定性通過馬歇爾穩定度試驗和車轍試驗進行評價。由表8中數據可以發現,各級配類型再生混合料的馬歇爾穩定度均大于12kN,抗車轍動穩定度均大于1900次/mm,改性以后兩者均有顯著提高。

水穩定性

水穩定性通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行評價。由表8中數據可以發現,除AC-10級配類型瀝青混合料在未添加改性劑時不能滿足規范要求外,其他類型再生料的殘留穩定度比均大于85%,添加改性劑之后的再生混合料的殘留穩定度比、TSR(凍融劈裂強度比)均有顯著的提升。其中AC-10級配類型混合料的殘留穩定度比增加的幅度高達23.6%,表明改性技術對提高RAP料摻配率具有重要意義。

低溫抗裂性

低溫抗裂性通過低溫(-10℃)彎曲試驗進行評價。由表8中數據可以發現,在未添加改性劑時,只有RAP料摻配率為55%的AC-16級配類型再生混合料最大破壞彎拉應變能滿足規范要求,其余級配類型的再生混合料均不滿足要求。經添加改性劑后,各級配類型混合料的最大破壞彎拉應變均大于2500με,說明了改性技術對于提高RAP料摻配率的重要性。

結語

(1)依托工程的瀝青路面服役12年后,瀝青混合料的技術性能發生較大變化,表現為軟化點升高,針入度、延度急劇減小,瀝青老化嚴重,集料細化比較嚴重。

(2)RAP料摻配率較低的根本原因是RAP料加熱方式的限制和RAP料自身技術性能的衰減。


(3)采用雙層滾筒烘料、混合料外摻式改性和變細調整級配方案可以有效提高RAP料摻配率。


(4)通過外摻改性技術既可以有效提高RAP料摻配率,也能保證混合料的綜合路用性能。


(5)采用變細調整級配可以有效提高RAP料摻配率,為保證路用技術性能,建議摻配率為55%。


標簽:技術中心再生瀝青
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