高掺量RAP厂拌热再生在干线公路养护中的应用

朱 钰,张亚财,牛 龙,高 巍,梁文斌

(1.陕西省公路局,陕西西安 710068;2.长安大学新型路面研究所,陕西西安 710064; 3.陕西省榆林公路管理局,陕西榆林 710009)

高掺量RAP厂拌热再生在干线公路养护中的应用

朱 钰1,张亚财2,牛 龙3,高 巍2,梁文斌2

(1.陕西省公路局,陕西西安 710068;2.长安大学新型路面研究所,陕西西安 710064; 3.陕西省榆林公路管理局,陕西榆林 710009)

为了充分发挥沥青路面循环利用的潜力,结合G210陕北榆林干线公路大中修工程,对不同再生剂掺量下再生沥青的技术性质变化进行了分析;同时,以RAP掺量为50%的ATB-25为例进行再生混合料设计,对比再生混合料与普通新拌混合料的路用性能,并提出现场设备改造与施工工艺的关键控制点.结果表明:再生沥青在再生剂掺量为4%时便可恢复到70＃沥青的技术性质;高掺量RAP的再生混合料与普通混合料路用性能相差不大,部分性能甚至优于普通混合料.

厂拌热再生;公路养护;配合比设计;设备改造

0 引 言

近年来,国内许多在役公路已逐渐进入大、中修期,急需进行养护[1],而采用传统的铣刨、重铺工艺,不仅费用高昂,还产生大量沥青路面回收铣刨料(RAP),形成极大浪费.厂拌热再生作为一种备受青睐的技术,不仅能充分利用RAP,缓解资源压力,而且适用性广、经济性强,具有显著的经济效益和环保效应,已成为公路养护发展的新方向[2-3].

日本及欧美等发达国家19世纪初就开始研究厂拌热再生,目前RAP掺配比例可达50%～60%,已形成比较规范化的再生利用体系;中国自2003年在广佛高速公路维修中应用厂拌热再生开始,其应用逐渐扩大,但由于RAP变异性较大、再生设备性能不良等原因,RAP的利用率仍较低,多为15%～30%.为此,本文以G210陕北榆林干线公路大中修工程为依托,突破常规的RAP掺配比例限制,对下面层使用RAP掺量为50%的厂拌热再生进行研究,为该技术推广提供参考.

1 原材料技术性质

1．1 RAP

旧沥青路面材料取自G210国道陕北榆林K388＋000～K406＋900段AC-16上面层.为保证旧沥青的含量与性质、旧集料的级配与性质变异性最小,采用四分法对RAP进行缩分取样,并开展相关试验检测.其中,RAP中旧沥青的技术性质与含量如表1所示,RAP中旧集料的技术性质如表2所示,RAP中旧集料的级配如表3和图1所示.

表1 旧沥青含量与技术性质

由表1可知,旧沥青的针入度和延度低,软化点高,说明旧沥青已经发生一定程度的老化,流变性能低,脆性较大.但旧沥青25℃针入度为34(0.1 mm),说明老化程度轻,而且满足大于20(0.1 mm)的规范要求;同时,RAP中旧沥青含量高达3.94%,具备较高的再生利用价值.

表2 RAP中旧集料的技术性质

表3 旧集料级配

图1 旧集料级配曲线

由表2可知,回收的旧集料主要性质指标均满足现行技术规范的要求.其中,砂当量为77．3% (规范要求不小于60%),表明RAP具有较高的洁净度;针片状颗粒含量小,说明在路用性能衰减过程中旧集料还具有一定的抗压碎能力.

由表3和图1可知,与原路面结构AC-16相比,RAP中的旧集料在使用过程中已经出现细化现象,主要表现在旧集料中径粒大于9．5 mm的颗粒量减少,粒径为2.36 mm和1．18 mm的颗粒量增加,粒径小于0．6 mm的颗粒量变化不大,部分粗集料细化为细集料,说明RAP级配组成已经发生改变.已有研究表明,旧集料的细化程度可用细化度ds表征,ds越大,需要掺加的新集料量越大.根据计算得到本文中的旧集料ds＝20.2%,属于中度细化.因此,再生混合料设计时需掺加一定量的粗骨料进行小幅度级配调整.

1．2 新沥青与新集料

为了改善RAP中旧集料出现的细化现象,需要添加一定量的新集料、新沥青.本文所用新沥青为克拉玛依90＃基质沥青;所用新集料为山西中阳石灰岩,其规格、级配、岩性稳定;所用矿粉由10～20 mm石灰岩碎石磨细加工而成.新沥青、新集料与矿粉的各项性质均满足现行规范的要求.其中,新沥青主要技术性质如表4所示.

表4 新沥青主要技术性质

1．3 外加剂

为了恢复旧沥青的基本性质,采用RA-25型再生剂对旧沥青进行再生.RA-25型再生剂的主要技术特性如表5所示.同时,为提高再生混合料力学与路用性能,本文在再生混合料中掺加补强剂,其掺量设定为再生混合料质量的0．35%.

表5 RA-25型再生剂的主要技术特性

2 再生沥青设计

采用RA-25型再生剂在2%～8%(相对旧沥青质量)掺量下对旧沥青进行再生试验,并将试验结果进行回归分析,得到不同再生剂掺量下再生沥青的技术性质,如表6所示.

表6 旧沥青性质变化

由表6可知,再生沥青的针入度、软化点与再生剂掺量成线性关系,相关系数分别为0．955、0.964;延度与再生剂掺量成指数关系,变化规律性较差.随着再生剂掺量的增加,旧沥青的针入度、软化点、延度得到明显改善,再生剂掺量在4%～6%时,再生沥青技术指标均能满足70＃沥青的要求(针入度为60～80(0．01 mm),软化点为44℃～54℃,延度不小于100 cm).根据经验,再生剂过量使用在实际生产中会引起大面积“泛油”现象,影响路面的使用性能,同时增加经济费用.因此,再生剂的掺量不宜过大,确定为旧沥青质量的4%.

3 再生混合料配合比设计

目前国内外对再生沥青混合料的设计方法还未统一,不同地区根据当地规范一般采用马歇尔设计方法或Superpave设计方法[4-6].本文基于RAP中沥青老化、集料细化等变异性,结合工程的实际情况、再生混合料的使用结构层位、拌和设备的类型,确定再生混合料RAP掺量为50%.基于马歇尔设计方法,以ATB-25级配为例进行再生混合料设计.

3．1 矿料级配设计

根据旧集料级配与混合料设计级配,掺加旧料和新集料进行再生混合料级配设计.经计算,A料(19～31．5 mm)、B料(9．5～19 mm)、矿粉和RAP的比例为32∶16∶2∶50.再生混合料级配组成如表7所示.

3．2 最佳沥青用量确定

最佳沥青用量为旧沥青含量、新沥青用量与再生剂掺量之和.根据设计级配,结合道路交通状况和以往工程经验,选择2．8%、3．2%、3．6%、4．0%、4．4%共5个油石比进行马歇尔试验,试验结果如表8所示.

根据表8的试验结果确定最佳油石比为3.6%,其中再生混合料中新沥青油石比为1．56%.

3．3 路用性能验证

为评价再生混合料的路用性能,本文在相同的油石比和目标级配(ATB-25)下对再生混合料与普通新拌混合料进行路用性能对比.其中,再生混合料中RAP掺量为50%,再生剂掺量为4%,补强剂掺量为0．35%;普通新拌混合料中未掺加任何RAP和外加剂.按照上述条件和规范要求成型试件,并进行相关路用性能试验,结果如表9所示.

由表9可知,再生混合料与新拌混合料的路用性能差别不大,均满足现行规范要求.其中,再生混合料动稳定度约为新拌混合料的1.7倍,表明再生混合料具有较好的高温稳定性.虽然水稳定性的2个表征指标残留稳定度 MS0和冻融劈裂强度比TSR结果不一致,但已有研究表明TSR更能表征再生混合料的水稳定性[7-10];因此与新拌混合料相比,再生混合料水稳定性略微降低,但仍能满足规范要求.对于低温性能,与新拌混合料相比,再生混合料破坏应变减小,劲度模量增大,这可能与再生混合料中存在部分旧沥青未被再生剂再生有关.

表7 再生混合料级配组成

表8 不同油石比下ATB-25再生混合料马歇尔试验结果

表9 不同类型混合料路用性能试验结果

4 现场设备改造与施工

4．1 再生设备改造

与普通混合料拌和设备相比,再生拌和设备需要在原有拌和设备的基础上增加一套专门为RAP设计的加热、计量、存储、废气处理装置.再生设备的匹配性应根据已有拌和设备的产能来选择,使RAP的添加连续、精准,混合料产能稳定、持续.混合料的原有拌和设备与再生设备性能匹配要求如表10所示.

表10 再生混合料原有拌和设备与再生设备性能匹配要求

本文在对再生拌和设备充分调研和适用性反复论证的基础上,对原有拌和设备西筑3000型间歇式拌和楼进行改造,增加1套匹配的由无锡锡通工程机械有限公司生产的ZSLQ-80型热再生沥青设备,生产能力为80 t·h－1.该设备具有对RAP单独加热、自动计量的功能,并且生产过程采用计算机自动控制,与西筑3000型原生机系统兼容;同时,该设备设置第二烘干筒,采用耙式叶片替代勺形叶片,不仅可以将RAP多次提升和自由洒落,实现均匀分散,还可以使大部分融化的沥青与细料过滤,使其沿着筒体周围流动,不直接与高温烟气接触,从而避免沥青再次老化以及叶片粘料;搅拌轴与叶片在拌和过程中具有自清洁功能,解决了普通搅拌机沥青胶浆抱轴的问题.改造后的再生拌和设备如图2所示.

4．2 再生混合料施工

(1)拌和.拌和前,新集料加热温度控制在180℃～190℃,新沥青加热温度控制在145℃～160℃,RAP预热温度为110℃～130℃.拌和时, RAP经再生机烘干、计量后通过输送皮带进入原生机搅拌缸,与新集料、补强剂进行混合搅拌,同时均匀喷洒再生剂;然后添加新沥青进行拌和,最后添加矿粉拌和至均匀.整个过程中,再生沥青混合料拌和时间较常规沥青混合料适当延长5～10 s,以保证混合料拌和均匀,无花白料以及细集料结团现象;同时,再生混合料出料温度比普通沥青混合料出料温度高5℃～15℃.

(2)摊铺与碾压.再生沥青混合料摊铺与碾压工艺与普通热拌沥青混合料施工基本一致.采用福格勒1800直板式摊铺机,以2～3 m·min－1的速度匀速行走,采用2台13 t钢轮压路机与2台30 t胶轮压路机组合碾压,如图3所示.施工前对摊铺机进行性能优化调整,以解决摊铺过程中混合料不均匀、离析等问题;施工时加强碾压,对再生混合料现场空隙率和摊铺均匀性实施监测,确保路面密实、平整[11-14].

图2 改造后的再生拌和设备

图3 再生路段摊铺与碾压

5 结 语

(1)随着再生剂掺量的增加,再生沥青的针入度呈线性增加,软化点呈线性减小,延度呈指数增加,并且相关性较好.在4%再生剂掺量下,旧沥青性质已经得到明显改善,并且满足相关规范的要求.

(2)采用马歇尔设计法,掺加50%RAP、4%再生剂、0．35%补强剂的再生混合料与普通新拌混合料相比,高温性能大幅提高,其他性能相差不大,均满足规范要求.

(3)进行再生设备改造时,应注意再生拌和设备与原有拌和设备的匹配性,可采用振动的耙式叶片和搅拌轴来解决设备的粘连问题.通过降低RAP变异性,严格控制施工质量,再生混合料的性能可以达到现行规范要求.

[1] 赵 斌．沥青混合料热再生机理及技术性能研究[D]．西安:长安大学,2012．

[2] 薛彦卿,黄晓明．厂拌热再生沥青混合料力学性能试验研究[J]．建筑材料学报,2011,14(4):507-511．

[3] 任拴哲．沥青路面厂拌热再生及其设备关键技术研究[D]．西安:长安大学,2008．

[4] 任瑞波,扈少华．高RAP掺量的热再生沥青混合料设计及性能研究[J]．石油沥青,2013,27(3):25-29．

[5] 吴革森,李裕洪,司徒丽新,等．高掺量RAP厂拌热再生混合料配合比设计研究[J]．公路,2014(10):251-254．

[6] 熊出华,凌天清,张永兴,等．厂拌热再生技术在成渝高速公路维修工程中的应用[J]．中外公路,2008,28(2):193-197．

[7] 査旭东,闵 斌,宋 微．RAP掺量对热再生沥青混合料性能影响分析[J]．长沙理工大学学报:自然科学版,2013,10(4): 1-8．

[8] 程 永,柴子钦,翟 勇,等．大掺量RAP厂拌热再生沥青混合料水稳定性研究[J]．四川水泥,2016(9):51-51．

[9] 周建娇．高掺量厂拌热再生沥青混合料路用性能研究[J]．新疆交通运输科技,2016(1):50-53．

[10] 车 法,蒋双全,李洪印．现场热再生沥青混合料性能试验研究及评价[J]．武汉理工大学学报,2010,32(14):65-69．

[11] 冯西宁,冯忠绪,张超群．旧沥青混合料厂拌热再生在国内的使用现状[J]．筑路机械与施工机械化,2006,23(5):18-19．

[12] 袁 芮．沥青路面高掺量厂拌热再生技术研究[D]．南京:东南大学,2015．

[13] 王甲辰．高速公路沥青路面高掺量RAP厂拌热再生关键技术研究[D]．西安:长安大学,2013．

[14] 李东升．高比例RAP厂拌热再生沥青混合料应用技术研究[D]．广州:华南理工大学,2012．

[责任编辑:杜敏浩]

Application of In-plant Hot Recycling with High RAP Content in Maintenance of Trunk Road

ZHU Yu1,ZHANG Ya-cai2,NIU Long3,GAO Wei2,LIANG Wen-bin2
(1．Shaanxi Provincial Highway Bureau,Xi'an 710068,Shaanxi,China;2．Pavement Research Center, Chang'an University,Xi'an 710064,Shaanxi,China;3．Shaanxi Yulin Highway Administration, Yulin 710009,Shaanxi,China)

In order to give full play to the potential of asphalt pavement recycling,combined with the rehabilitation project of the Yulin section in northern Shaanxi Province of G210 trunk road, the changes of technical properties of recycled asphalt with different regenerant contents were analyzed;meanwhile,ATB-25 with 50%of RAP content was used to design the recycled mixture,and comparison on the pavement performance of the recycled mixture and the common fresh mixture as well as the key control points of the on-site equipment transformation and construction process was conducted．The results show that the regenerated asphalt can be restored to the technical properties of 70＃asphalt when the amount of regenerant is 4%;the pavement performance of recycled mixture with high RAP content has not much difference comparing to that of the ordinary asphalt mixture,or even better in some cases．

in-plant hot recycling;highway maintenance;mix design;equipment transformation

U418．6

B

1000-033X(2017)05-0073-05

2016-11-16

朱 钰(1981-),男,陕西子洲人,高级工程师,硕士,研究方向为公路养护工程.