不同熱再生拌和工藝對混合料再生效果的影響研究

李正中， 田克， 柴東然， 肖慶一， 耿磊(1.天津市交通科學研究院， 天津市 0007；2.長安大學 公路學院； . 北京市首都公路發(fā)展集團有限公司；

4.河北工業(yè)大學 土木與交通學院； 5.江蘇中路工程技術研究院有限公司)

廠拌熱再生瀝青混合料的應用近年來較為常見，但是舊料利用率普遍較低，如何在確保再生瀝青混合料性能的前提下，進一步提高舊料利用率一直是再生問題研究討論的熱題。Daniel等發(fā)現(xiàn)，再生瀝青混合料與普通瀝青混合料相比，路用性能試驗需要考慮拌和過程中新舊瀝青的相互作用；Zhao等發(fā)現(xiàn)，舊料摻量較高可能會影響再生瀝青混合料的抗裂性，這不僅是因為老化瀝青勁度模量的增加，還因為新老瀝青不能有效均勻混合。其他研究采用了Bonaquist的方法，通過比較新舊瀝青動態(tài)模量主曲線的重疊程度來間接評價瀝青的融合程度?？傮w來說，已有研究常常忽略再生拌和工藝對再生混合料性能的影響，而拌和工藝一直以來都是工業(yè)界非常關心的重要技術問題；Huang等研究發(fā)現(xiàn)，RAP舊料中老化瀝青與新瀝青的相互作用主要發(fā)生在兩個階段，一是在新舊瀝青接觸時；二是接觸之后發(fā)生的擴散作用，而且擴散作用是關鍵階段。祁文祥等通過模擬再生劑在老化瀝青中的擴散過程發(fā)現(xiàn)，再生效果隨著滲透程度的加深而提高，影響擴散效果的因素主要包括材料本身及拌和工藝條件；丁錄玲等通過模擬舊料中老化瀝青在新集料表面的遷移過程，對舊料摻量、再生劑用量、再生劑與RAP舊料的拌和溫度及拌和時間對再生劑擴散滲透的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)老化瀝青性質、再生劑性質和拌和溫度是影響熱再生效果的關鍵要素，而且，隨著擴散溫度的提升、再生劑黏度的降低或極性的增加，再生劑的擴散滲透速率將逐漸增大；沈凡等通過模擬3種不同再生劑在老化瀝青中的擴散過程，并借助AFM原子力顯微鏡和GPC凝膠滲透色譜，測定了不同擴散位置處瀝青的微觀結構和分子分布數(shù)量，研究得出，老化瀝青中逐漸增大的瀝青質團會阻礙再生劑中分子量較大的改性組分在老化瀝青中的移動，使得再生劑的再生作用減弱。鑒于上述研究對新舊瀝青之間的擴散問題做了大量分析，而對工業(yè)界比較關注的熱再生拌和工藝問題研究不足，該文在現(xiàn)有設備及工藝條件下設計3種熱再生拌和工藝，通過對再生瀝青混合料的路用性能和力學性能進行試驗分析，對比不同熱再生拌和工藝的再生效果，為熱再生技術的推廣提供參考依據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料性能檢測

研究采用阿布森法對RAP舊料中的舊瀝青進行回收，將回收得到的舊瀝青按照規(guī)范要求分別測定其25 ℃針入度、軟化點、15 ℃延度和15 ℃密度，試驗結果如表1所示。新加普通瀝青采用山東生產(chǎn)90#A級道路石油瀝青，其常規(guī)性能指標試驗結果如表2所示。再生劑性能如表3所示。

表1 RAP舊料中回收瀝青的性能檢測數(shù)據(jù)

表2 新加瀝青性能檢測數(shù)據(jù)

表3 再生劑性能檢測數(shù)據(jù)

1.2 混合料配合比設計

選用摻加30%RAP舊料的AC-13C型再生瀝青混合料來評價不同熱再生拌和工藝下混合料的路用性能及力學性能。其中，RAP舊料公稱最大粒徑為13 mm，再生混合料礦料合成級配組成見表4。RAP舊料中瀝青含量為3.5%(質量比)，再生混合料中新加瀝青摻量為3.3%(質量比)，再生劑用量為舊瀝青質量的18%，再生劑與舊瀝青充分融合后再生瀝青的性能見表5。

2 拌和再生工藝設計

根據(jù)中國目前主流的廠拌熱再生設備及工藝條件，采用試驗室模擬的方法，設計出3種不同的熱再生拌和工藝，為方便分析與敘述，將其分別進行編號。在此基礎上，擬通過對比分析不同拌和工藝下對應的再生瀝青混合料的路用性能和力學性能，選擇確定一種滿足相對最優(yōu)條件的再生工藝，為廠拌熱再生工藝設計提交試驗依據(jù)。

表4 熱再生瀝青混合料礦料合成級配

表5 再生瀝青性能檢測數(shù)據(jù)

(1) 第1種拌和再生工藝：再生劑異步添加工藝(編號Ⅰ)。具體拌和參數(shù)為：將RAP舊料在110 ℃烘箱中預熱2 h后直接噴入再生劑，隨后倒入160 ℃拌和鍋中攪拌120 s，再加入已在185 ℃烘箱內預熱6 h的新集料拌和40 s，然后加入已加熱至160 ℃的新瀝青拌和40 s，最后加入預熱的礦粉攪拌40 s。

(2) 第2種拌和再生工藝：再生劑同步添加工藝(編號Ⅱ)。具體拌和參數(shù)為：將RAP舊料在110 ℃烘箱中預熱2 h，隨后倒入160 ℃拌和鍋中，邊攪拌邊緩慢勻速加入再生劑120 s，再加入已在185 ℃烘箱內預熱6 h的新集料拌和40 s，然后加入已加熱至160 ℃的新瀝青拌和40 s，最后加入預熱的礦粉攪拌40 s。

(3) 第3種拌和再生工藝：再生劑-新瀝青預混合工藝(編號Ⅲ)。具體拌和參數(shù)為：將RAP舊料在110 ℃烘箱中預熱2 h，隨后加入已在185 ℃烘箱內預熱6 h的新集料，一并倒入160 ℃拌和鍋拌和40 s，然后將已加熱至160 ℃的摻有再生劑的新瀝青倒入拌和鍋中拌和40 s，最后加入預熱的礦粉攪拌40 s。其中，向新瀝青中摻加再生劑的過程，可以看作是以再生劑作為改性劑制備改性瀝青，具體制備工藝為：采用FJ300-SH數(shù)顯高速分散均質機將再生劑以2 000 r/min的速度融入加熱至160 ℃的新瀝青中。

3 試驗結果與分析

3.1 高、低溫性能試驗結果及分析

以60 ℃動穩(wěn)定度值、-10 ℃低溫彎曲應變值作為高、低溫性能評價指標。根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》相關要求，對采用不同工藝拌和成型的再生混合料分別進行高溫車轍試驗和低溫彎曲試驗。其中，各工藝對應的車轍試驗均采用3個車轍板試件，每組動穩(wěn)定度值變異系數(shù)不超過20%；每組低溫彎曲試驗采用6個試件(經(jīng)車轍板試件鋸制)，6個測定值中與其平均值之差大于其標準差1.82倍的試驗結果均予以舍棄，最終計算結果如表6所示。

表6 不同拌和工藝下的再生混合料的高、低溫性能試驗結果

由表6可以看出：① 3種拌和工藝下對應的再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度值和低溫彎拉應變值均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》相關要求；② 高溫車轍試驗顯示：工藝Ⅲ對應的動穩(wěn)定度值最高，說明向舊料中加入摻有再生劑的新瀝青，其再生混合料的高溫穩(wěn)定性相對較好；工藝Ⅱ>工藝Ⅰ，說明相對于再生劑異步添加工藝，再生劑同步添加工藝有利于提高再生混合料的高溫性能；③ 低溫性能試驗顯示：工藝Ⅰ、Ⅱ對應的低溫彎曲破壞應變值基本一致，說明這兩種拌和工藝對再生混合料低溫性能的影響無顯著差別，而工藝Ⅲ對應的再生混合料的低溫性能較工藝Ⅰ、Ⅱ具有一定的優(yōu)勢。

分析認為，工藝Ⅰ和Ⅱ都是直接將再生劑噴灑在舊料表面，噴灑過程中會存在分布不均勻以及噴灑在拌和鍋內壁、噴灑量損失等問題，不利于再生劑的擴散，并造成新舊瀝青融合程度不佳；工藝Ⅲ雖然將再生劑融解在新瀝青中，看似比工藝Ⅰ、Ⅱ降低了再生劑的濃度，但是避免了再生劑的浪費問題，且再生劑在新瀝青中分布相當均勻，與RAP舊料接觸后，其有效成分能夠均勻吸附在RAP舊料表面，進而逐漸滲透進入老化瀝青深處，使得老化瀝青成分組成得到調整，黏彈特性得到恢復，促進再生混合料的力學特性逐漸由彈性體向黏彈塑性體轉變。

3.2 間接拉伸開裂試驗及分析

間接拉伸開裂試驗(IDEAL-CT)是NCHRP 9 - 57中《評價瀝青混合料抗裂性能的試驗室有效的試驗方法》確定的理想抗裂試驗，它與傳統(tǒng)的間接拉伸劈裂試驗相似，都是在20 ℃下以50 mm/min的加載速率對圓柱形試件進行加載，與現(xiàn)場的疲勞開裂及溫縮開裂具有良好的相關性。對不同直徑和厚度的任一圓柱形試件都可以進行測試，并且僅根據(jù)新定義的開裂試驗指數(shù)(CTindex)便能得出較為可靠的斷裂性質，CTindex越大，開裂速率越慢，其計算公式如下。

(1)

式中：Gf為斷裂能Gf，Gr為斷裂功(載荷與垂直位移曲線的面積)除以開裂面的面積；P/l為模量參數(shù)(或荷載-位移曲線的斜率)；l/D為應變公差參數(shù)(或荷載下的變形公差)。

根據(jù)Liu, C.等、Bazant, Z. P.等的研究成果，經(jīng)優(yōu)化后，CTindex的最終計算式為：

(2)

式中：t為試件厚度；|m75|為75%荷載峰值處的斜率；l75/D為瀝青混合料在荷載降低到75%荷載峰值處的應變容限；62為標準試件的厚度(mm)。

由于此項試驗操作簡便、可重復性良好、對瀝青混合料組成(骨料、黏結劑等)敏感性較好、與現(xiàn)場開裂的相關性較高，因此，選用該方法對再生混合料的綜合抗裂性能進行試驗研究，結果如表7所示。

由表7可以看出：不同拌和工藝對應的再生混合料的疲勞壽命差別不大，其中，工藝Ⅱ和Ⅲ對應再生混合料的抗疲勞性能基本相同，工藝Ⅰ略差。主要原因可能是，采用再生劑異步添加時，將再生劑直接快速噴灑在RAP舊料表面，噴灑過程中不可避免會存在噴灑不均勻、局部處再生劑濃度過高、噴灑量損失等問題，從而對試驗結果有所影響。

3.3 動態(tài)模量試驗結果及分析

參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》和英國《EN 12697-24 2010-02 def》相關要求，試驗采用在SGC壓實成型的150 mm×170 mm試件上取芯得到的100 mm×150 mm試件，分別在5、20、35、50 ℃下采用25、10、5、1、0.5、0.1 Hz加載頻率進行測試。采用意大利產(chǎn)AMPT-Pro試驗設備進行測試，數(shù)據(jù)如表8所示。

表7 不同拌和工藝下再生混合料的間接拉伸開裂試驗結果

表8 不同拌和工藝下的再生混合料的動態(tài)模量試驗結果

(1) 工藝Ⅲ對應的再生瀝青混合料的動態(tài)模量明顯高于其他工藝，工藝Ⅱ對應值略大于工藝Ⅰ對應值。由此說明，再生劑與新瀝青預混工藝，可以獲得較為均勻的融合效果，因此拌和成型的再生混合料的動態(tài)模量較高；而工藝Ⅰ和Ⅱ將再生劑直接噴灑在RAP舊料表面上，不利于再生劑在新舊瀝青之間的融合滲透以及新舊料的拌和均勻性，從而導致其再生混合料的模量總體偏低。同時，可以發(fā)現(xiàn)，隨著試驗溫度的提高，各工藝對應的再生混合料的動態(tài)模量持續(xù)減小且逐漸接近，這主要是由于新舊瀝青的黏度隨著溫度提高而逐步降低，再生混合料的力學特性隨之逐漸由彈性體向黏彈塑性體轉變。

(2) 隨著加載頻率的提高，各工藝對應的再生混合料的動態(tài)模量持續(xù)增加，但其增加幅度范圍在加載頻率范圍內存在區(qū)別，具體體現(xiàn)為：加載頻率較小時，動態(tài)模量增幅比較明顯，隨著加載頻率的提高，其動態(tài)模量增幅趨于平緩。根據(jù)時溫等效原理，在低頻情況下，等同于高溫情況，再生瀝青混合料主要表現(xiàn)為黏塑性，不同工藝對應的再生混合料的動態(tài)模量接近；隨著頻率提高，再生瀝青混合料的力學特性由黏塑性向彈性轉變，不同工藝對應的再生混合料的動態(tài)模量差異逐漸增大，最終逐漸趨于穩(wěn)定?？傮w來說，在相同頻率條件下，工藝Ⅲ對應的再生混合料的動態(tài)模量明顯高于其他工藝，工藝Ⅱ對應值略大于工藝Ⅰ對應值。

4 結論

為優(yōu)化廠拌熱再生的拌和工藝參數(shù)，根據(jù)目前主流的廠拌熱再生設備及工藝條件，采用試驗室模擬的方法，設計出3種不同的再生拌和工藝，并通過不同試驗對不同拌和工藝對應的再生混合料的性能進行試驗分析，得到如下結論：

(1) 通過高、低溫性能規(guī)范試驗，基于再生劑-新瀝青預混工藝的再生混合料具有較高的抗高溫變形能力和低溫抗裂性，采用再生劑異步添加和同步添加工藝的再生混合料的高、低溫性能基本接近，略遜于再生劑-新瀝青預混工藝對應試驗數(shù)值。

(2) 通過間接拉伸開裂試驗(IDEAL-CT)對比分析，以斷裂能和CT指數(shù)平均值作為評價指標，基于再生劑-新瀝青預混工藝的再生混合料具有相對較高的綜合抗裂能力，但3種拌和工藝對應的再生混合料的綜合抗裂能力差距并不顯著。

(3) 通過動態(tài)模量試驗分析，采用再生劑-新瀝青預混工藝的再生混合料具有較高的動態(tài)模量，而再生劑異步添加和同步添加工藝的再生混合料的動態(tài)模量存在一定差距。

(4) 3種再生拌和工藝在工程現(xiàn)場都具有一定的代表性，從室內試驗結果來看，再生劑-新瀝青預混拌和工藝相比其他兩種工藝，具有易于操作、工藝簡單、無污染等特點，且再生劑能夠根據(jù)設計用量足額使用，具有良好的推廣應用前景。