再生工艺对沥青混合料路用性能的影响

郝纯宗

(中交一公局第四工程有限公司,广西南宁 530033)

再生工艺对沥青混合料路用性能的影响

郝纯宗

(中交一公局第四工程有限公司,广西南宁 530033)

通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和小梁弯曲试验对再生沥青混合料的路用性能进行研究,分析了在不同再生工艺条件下,浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度和弯曲破坏应变等性能指标.研究表明:适当提高旧料保温时间、保温温度、再生剂温度以及拌和时间可以显著改善废旧沥青混合料的再生恢复水平.

道路工程;再生工艺;热再生沥青混合料;路用性能

0 引 言

沥青路面在使用过程中,由于受到热、氧、紫外光照射等自然因素以及行车荷载的综合作用,容易产生裂缝、松散等病害[1-5].据估算,中国每年大约有12%的沥青路面需要养护和维修[6-12],期间产生的废旧沥青混合料的数量已超过2 000万t,造成大量经济损失且严重污染环境.

为了解决上述问题,国内外学者对于旧沥青路面再生技术进行了诸多研究.张志祥等研究了不同旧料掺量对再生沥青混合料疲劳性能的影响,并建议面层再生沥青混合料中的旧料掺配率不超过20%[13];陈静云等研究了高比例RAP(沥青回收料)掺配率下再生沥青混合料的低温抗裂性能,表明旧料掺量高时,需要适当延长搅拌时间保证其路用性能[14];秦永春等研究了再生过程中新旧沥青的融合状况,为了保证新旧沥青能够良好融合,旧料掺配比例不得超过50%[15];吴宁研究了厂拌热再生沥青混合料的再生工艺,确定了施工温度控制以及最优施工工艺[16].本文将从再生工艺角度出发,重点研究旧料保温温度、保温时间、再生剂温度以及拌和时间对热再生混合料路用性能的影响.

1 试验原料

1．1 RAP

试验所用RAP来源自青海某地区的实体工程,经过抽提筛分试验得出其油石比为4．8%,旧沥青基本性能指标见表1,旧集料级配见表2.本试验所用新沥青为克拉玛依90＃基质沥青,相关技术指标见表1.

表1 沥青基本性能指标

表2 旧集料级配

1．2 再生剂

试验采用市售再生剂,其基本技术指标见表3.

表3 再生剂技术指标

1．3 新料

本文试验用新集料及矿粉均采自施工现场,级配见表4.

表4 新料级配

2 试验方案

试验采用RAP掺配率为80%,根据RAP与新料的级配调整新料各档用量以合成目标级配,以再生沥青性能确定再生剂掺量为混合料质量的0.25%,以一种再生工艺确定再生沥青混合料最佳油石比为4．9%.再生工艺包括RAP保温温度、保温时间、再生剂温度和拌和时间.其中RAP保温温度分为0℃、110℃、125℃、140℃和155℃;保温时间分为0、1、3、5 h;再生剂温度为80℃～160℃,每20℃一个间隔;拌和时间为120、150、180、210、240 s.综合考虑再生沥青混合料的路用性能,优选最佳的再生工艺.

3 试验结果与分析

3．1 RAP保温温度

RAP保温温度对水稳定性能的影响如图1所示.从图1可以看出:随着RAP保温温度的升高,再生沥青混合料的浸水残留稳定度与冻融劈裂抗拉强度均呈现先增大后减小的趋势;在140℃时,浸水残留稳定度与冻融劈裂抗拉强度均达到最大值;随着温度的进一步升高,再生沥青混合料的水稳定性能出现一定程度的劣化,说明当旧料加热温度达到140℃时再生沥青混合料的水稳定性能达到最佳.

RAP保温温度对高低温性能的影响如图2所示.从图2可以看出:随着RAP保温温度的升高,再生沥青混合料的动稳定度显著降低,弯曲破坏应变明显增大,2项指标均是在140℃时达到最大值;当温度进一步提高时,2项指标同时出现一定的回复,表明旧料加热温度为140℃时再生沥青混合料的高低温性能最佳.

究其原因:随着RAP保温温度的升高,旧沥青逐渐松软,流动度增加,裹附在旧集料表面的沥青更多地暴露,在与再生剂混拌过程中,再生剂分子更易扩散进入旧沥青,使其再生恢复;但是随着温度的进一步提高,旧沥青出现二次老化,加剧了其轻质组分的损失,甚至被烤焦变质[17-19],再生效果反而不理想,所以确定RAP最佳保温温度为140℃.

图1 RAP保温温度对水稳定性能的影响

图2 RAP保温温度对高低温性能的影响

3．2 RAP保温时间

RAP保温时间对水稳定性能的影响如图3所示.从图3可以看出:对RAP进行预先保温处理可以显著改善再生沥青混合料的水稳定性能,保温1 h后,再生沥青混合料的浸水残留稳定度提高了7.1%,冻融劈裂抗拉强度比提高了8.8%;随着保温时间的增加,再生沥青混合料的水稳定性能也逐步提高,当保温时间超过2 h后,增加幅度减缓,与保温2 h相比,保温3 h后的浸水残留稳定度仅提高了2.1%,冻融劈裂抗拉强度比仅提高了2.9%;当保温时间延长至4 h时,再生沥青混合料的水稳定性能出现衰减趋势,浸水残留稳定度仅比保温2 h高0.5%,冻融劈裂抗拉强度比降低1.1%.

图3 RAP保温时间对水稳定性能的影响

RAP保温时间对高低温性能的影响如图4所示.从图4可以看出:对RAP进行保温,显著改善了再生沥青混合料的高温稳定性能与低温抗裂性能,保温1 h后,再生沥青混合料的动稳定度降低了10.5%,低温弯曲破坏应变增加了27%;随着保温时间的进一步延长,改善趋势逐渐减缓,保温4 h与保温3 h相比,再生沥青混合料的动稳定度仅仅降低1.4%,低温弯曲破坏应变增加1.5%.

图4 RAP保温时间对高低温性能的影响

综上所述,对旧料进行保温处理可以显著改善再生沥青混合料的各项路用性能,随着保温时间的延长,各项指标逐步提升,但是提升趋势逐渐变缓,直至4 h时,各项路用性能出现下降的趋势.旧料保温时间对再生沥青混合料路用性能影响规律的内在机理与保温温度的影响机理一致.根据研究结果,综合考虑再生沥青混合料路用性能与生产成本, RAP保温时间以3 h为宜.

3．3 再生剂温度

再生剂温度对水稳定性能的影响如图5所示.分析图5可以看出:随着再生剂加热温度的升高,再生沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度均呈现先增大后减小的变化趋势,当加热温度为120℃时,2项技术指标均达到最大值,其中浸水残留稳定度达到93.1%,冻融劈裂抗拉强度比达到89.1%;当再生剂加热温度提高至160℃时,再生沥青混合料的水稳定性能出现大幅减弱,浸水残留稳定度降至83.7%,冻融劈裂抗拉强度比只有80.5%,分别为最大值的89.3%和90.3%.

再生剂温度对高低温性能的影响如图6所示.分析图6可以得出:随着再生剂加热温度的提高,再生沥青混合料的动稳定度先显著降低,后逐步增加,而其低温弯曲破坏应变呈现相反的变化趋势,其中前者在再生剂温度为140℃时出现最小值,后者在再生剂温度为120℃时出现最大值.由于超过最值点后,再生沥青混合料的动稳定度仅降低1．3%,而弯曲破坏应变降低幅度达到6．8%,综合考虑再生沥青混合料的各项路用性能,认为再生剂温度以120℃为宜.

图5 再生剂温度对水稳定性能的影响

图6 再生剂温度对高低温性能的影响

图7 拌和时间对水稳定性能的影响

分析出现图5、6变化规律的原因在于:随着再生剂温度的提高,再生剂极性小分子活性显著增强,削弱了集料表层老化沥青的阻力,极大改善了再生剂分子的渗透扩散作用,老化沥青得到良好修复,再生沥青混合料的各项路用性能呈现不同程度的改善;当再生剂温度进一步提高时,再生剂中的轻质组分挥发,小分子之间出现团聚作用,削弱了再生剂的渗透扩散能力,再生沥青混合料的各项路用性能反而出现劣化.

3．4 拌和时间

图7、8分别为搅拌时间对再生沥青混合料水稳定性能和高低温性能的影响规律.分析图7可以看出:随着拌和时间的延长,再生沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度逐渐增大,对比拌和时间90 s与180 s两种情况可以发现,后者的浸水残留稳定度提高了11%,冻融劈裂抗拉强度提高了9.6%,说明延长搅拌时间可以显著改善再生沥青混合料的水稳定性能;对比拌和时间180 s与210 s两种情况又可以发现,浸水残留稳定度仅提高了0.3%,冻融劈裂抗拉强度提高了0.4%,继续拌和至210 s时,对再生沥青混合料的水稳定性能影响不大.分析图8可以看出,拌和时间的延长显著降低了再生沥青混合料的动稳定度,变化幅度趋于一致,而其弯曲破坏应变逐步增大,当拌和时间超过210 s后,增加幅度减缓.

图8 拌和时间对高低温性能的影响

分析图7、8曲线的变化规律可知:随着搅拌时间的延长,再生剂与旧料接触的时间不断增加,在其他条件保持不变时,充分的接触时间增加了再生剂分子的渗透扩散深度,更多的旧沥青参与到再生恢复过程中,更重要的是集料表面裹附的结构沥青能够得到一定的溶解分散.有研究表明,废旧沥青混合料再生利用的难题在于其“黑石头效应”,这层“坚硬”的旧沥青薄膜严重限制了再生剂的渗透扩散;而本文的研究表明,延长拌和时间可以很好地削弱此效应,显著改善再生沥青的性能恢复水平,拌和时间较长的再生试件破坏时消耗了更多的能量,从而再生沥青混合料的路用性能得到很好的改善.但是,当拌和时间超过210 s后,再生剂分子在旧沥青内部的渗透扩散作用已达极限,由于再生剂与旧沥青混合料本身材料性质的限制,单纯地延长拌和时间已经很难提高废旧沥青混合料的再生恢复水平,所以拌和时间以210 s为宜.

4 结 语

(1)对RAP进行适当温度和时间的保温处理,可以明显改善再生沥青混合料的水稳定性能以及低温抗裂性能,且动稳定度得到显著降低.

(2)适当提高再生剂保温温度和拌和时间,能够充分发挥再生剂的渗透扩散作用,提高废旧沥青混合料的再生效率.

(3)最终优选出80%旧料掺配率下的再生工艺方案为:旧料140℃下保温3 h,再生剂120℃下保温并拌和210 s.

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[责任编辑:高 甜]

Effect of Regeneration Technology on Pavement Performance of Recycled Asphalt Mixture

HAO Chun-zong
(Fourth Engineering Co．,Ltd．of CCCC First Highway Engineering Co．,Ltd．,Nanning 530033,Guangxi,China)

The pavement performance of recycled asphalt mixture was studied by Marshall immersion test,freeze-thaw splitting test,rutting test and beam bending test．The indicators such as residual Marshall stability,intensity ratio of freeze-thaw splitting,dynamic stability and bending strain under different regeneration conditions were analyzed．The results show that the proper recovery of the recycled asphalt mixture can be improved by increasing the holding time, holding temperature,regeneration temperature and mixing time．

road engineering;regeneration technology;hot recycled asphalt mixture;pavement performance

U416．26

B

1000-033X(2017)05-0068-05

2016-12-01

郝纯宗(1977-),男,河南巩义人,工程硕士,高级工程师,研究方向为工程管理.