高摻量再生鋼渣瀝青混合料組成與設(shè)計研究

魏明華 徐 洋 吳少鵬 龐 凌 張謝東

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430070) (中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司投資公司2) 武漢 430050) (武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室3) 武漢 430070)

0 引 言

目前瀝青混凝土路面是我國主要的公路路面形式[1].面對交通量大、載重交通多的交通現(xiàn)狀，部分公路在運營初期就出現(xiàn)破損或者急需維修的狀況，倘若將舊路翻新，直接采取優(yōu)質(zhì)新拌瀝青混合料來替代廢棄混合料，會大大增加建設(shè)成本[2-3].而將廢舊混合料進行再生利用，將會降低維修成本、提升維護效率，減少對資源環(huán)境的破壞，社會效益與經(jīng)濟效益極高.

廢舊瀝青混合料(RAP)的再生技術(shù)一直是行業(yè)研究熱點.Aurangzeb等[4-5]分析了 RAP 摻量比對再生瀝青混合料的力學(xué)特性與體積性能的影響，結(jié)果表明：不同 RAP 摻量制備的再生料的最佳油石比相差不大，而在最佳油石比下礦料間隙率(VMA)隨 RAP 料來源的不同而呈現(xiàn)出差異性的的變化.Kim等[6-7]研究發(fā)現(xiàn)：隨著RAP料的摻配比例從0提升到45%時，再生混合料的再生瀝青用量增加了1%，同時 VMA 值也略有提升.劉軍等[8]對復(fù)合添加劑再生瀝青進行研究，同時借助回歸模型優(yōu)選復(fù)合添加劑的摻量.Cao等[9]測試了不同摻量再生劑的制備的再生瀝青混合料的路用性能，研究表明：再生劑摻量存在一個合適的區(qū)間，當(dāng)超過這個范圍后再生劑并不能達到預(yù)期的效果.

迄今，國內(nèi)外學(xué)者對瀝青再生的研究主要集中在研發(fā)再生劑材料和瀝青與再生劑的相互作用過程，對如何把控再生劑的摻量的研究不是很全面.且國內(nèi)外對于再生混合料的材料組成的常規(guī)設(shè)計思路認為，再生混合料的舊料摻量比、再生劑、新瀝青用量的設(shè)計方法與普通瀝青混合料有所區(qū)別外，其余方面基本一致.

老田陪著侯大同蹲在無花果樹邊。老田每次來，侯大同要么在伺弄他的無花果，要么就是抱著他的女兒。兩件事都讓老田摸不著頭腦，一個大男人，喜歡花草倒也勉強說得過去，沒聽說過有誰喜歡果樹的。何況，還這么癡迷。那女兒呢，都六七歲了，侯大同還整天抱著，累不累??？老田覺得這個菜農(nóng)真是怪。

文中采用堅硬耐磨且黏附性強的兩種產(chǎn)地的鋼渣和一種玄武巖作為高摻量RAP再生料的新集料，外摻鋼棉纖維增韌材料，彌補再生料低溫脆性的不足，基于室內(nèi)實驗制備了50%、60%和70%RAP摻量下的再生瀝青混合料.從RAP的含水量、舊瀝青和舊集料的性能評價來綜合評估RAP在再生料中的應(yīng)用可能性.研究不同摻量再生劑的再生瀝青的性能，確定再生劑在RAP老化瀝青中的摻量，制備不同比例新老瀝青與再生劑混合的混融瀝青，評價混融瀝青的流變性能和分子結(jié)構(gòu)，最后研究確定再生料的拌和溫度和拌和順序.

1 RAP 材料的性能評價

1.1 RAP的含水量

武黃高速漢十段RAP均分分成五組，每組三份，分別稱其濕重，再經(jīng)60 ℃烘箱烘干至恒重，得到的含水率的結(jié)果見表1[10].

1.2 舊瀝青的性能評價

采用燃燒法測定的瀝青含量較實際瀝青含量偏大，這是由于燃燒法測定瀝青含量時燃燒爐的溫度為538±5 ℃，此時瀝青混合料中的集料中的碳酸鹽如碳酸鎂等物質(zhì)在540 ℃開始受熱分解；同時混合料中的礦粉等小顆粒物質(zhì)有部分會隨高溫氣流而冒出.因此，在實際的計算過程中這兩部分都被誤認為瀝青，從而導(dǎo)致測定測試結(jié)果偏大.本實驗中瀝青含量的修正系數(shù)為82%，表2為RAP的瀝青含量.由表2可知：舊瀝青混合料中所含的瀝青含量較高，平均值為4．96%，表明RAP有很大的再利用價值.

表2 RAP中瀝青含量

RAP中回收瀝青的基本性能指標(biāo)見表3.由表3可知:老化瀝青的感溫性增強、變硬變脆，各項指標(biāo)均不滿足規(guī)范要求.

表3 RAP中回收瀝青的基本性能指標(biāo)

1.3 舊集料的性能評價

脂肪族官能團指數(shù)=A1 456-1+1 376-1/A2 000～600-1

為了定量地評價不同比例的再生劑制備的混融瀝青的再生效果，選取四個官能團指數(shù)來對比不同瀝青的結(jié)構(gòu)差異，計算公式為

表4 RAP中舊集料的基本性能指標(biāo)

2 RAP材料的組成設(shè)計

2.1 再生劑用量的確定

選用S再生劑為代表，測試得到的不同摻量的再生瀝青的性能指標(biāo)見表 5.由表5可知：再生瀝青的針入度和延度隨S再生劑摻量的增大而增大，而軟化點呈現(xiàn)相反的趨勢.權(quán)衡各方面性能指標(biāo)，確定再生劑的摻量為老化瀝青質(zhì)量的6%wt.

表5 不同摻量下再生瀝青的性能指標(biāo)

2.2 混融瀝青的性能評價

為了真實模擬實際混合料拌和過程中，新老瀝青及再生劑的融合，現(xiàn)按再生劑和老瀝青質(zhì)量比6%制備含不同再生劑的再生瀝青，然后按照老瀝青占混融瀝青質(zhì)量比40%、50%、60%、70%和80%制備不同比例混合的混融瀝青，混合溫度為固定為160 ℃，得到的混融瀝青的試件編號見表6.

表6 不同比例混合的混融瀝青編號

1) 復(fù)數(shù)模量和相位角 含有不同再生劑的混融瀝青的復(fù)數(shù)模量見圖1.

式中:G*為試樣的復(fù)數(shù)剪切模量，Pa；T為溫度，K；C為常量.復(fù)數(shù)模量指數(shù)的絕對值|GTS|可反映瀝青的感溫性，溫度敏感性越高的瀝青其|GTS|越大.

胰蛋白胨、乙酸鈉、牛肉浸膏：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；引物、PCR Master Mix、細菌基因組提取試劑盒：天根生化科技有限公司；革蘭氏染色液：南京建成科技有限公司；其他試劑：均為分析純。

四、學(xué)習(xí)貫徹十七大，圍繞貧困職工解困，在維權(quán)幫扶上下功夫。學(xué)習(xí)貫徹十七大，要加強工會與信訪、司法、勞動保障、衛(wèi)生、安全監(jiān)督管理等部門和單位的工作聯(lián)系，形成信息互動、工作聯(lián)動，優(yōu)勢互補的工作格局。師團兩級工會要深入到困難群眾中去，傾聽職工群眾呼聲，關(guān)心群眾疾苦，時刻把群眾安危冷暖掛在心上，以師市總工會困難職工幫扶中心為中樞，建立健全基層幫扶工作站和維權(quán)解困預(yù)警機制，切實維護師市職工隊伍和社會的穩(wěn)定。

圖1 含有不同再生劑的混融瀝青的復(fù)數(shù)模量

不同混融瀝青的相位角見圖2.由圖2可知：混融瀝青的相位角隨溫度的變化規(guī)律與復(fù)數(shù)模量相反.新瀝青的相位角最大，混融瀝青的相位角其次，抽提老瀝青的相位角最低.綜合比較兩種再生劑制備的混融瀝青，在RAP摻量低于70%時，其相位角與新瀝青的差別不大，但當(dāng)其摻量達到80%時，其相位角的下降趨勢較明顯，逐漸趨近老瀝青的相位角.

同樣的規(guī)律應(yīng)用到不同再生劑制備的混融瀝青，其復(fù)數(shù)模量指數(shù)的擬合結(jié)果見圖4.由圖4可知：新瀝青的復(fù)數(shù)模量指數(shù)最大，代表其最高的溫度敏感性.蘇博特組混融瀝青與常州組混融瀝青的復(fù)數(shù)模量指數(shù)均表現(xiàn)為其值隨RAP老瀝青含量的增加而降低.在相同老瀝青摻量的情況下，蘇博特組混融瀝青的復(fù)數(shù)模量指數(shù)高于常州組.隨著RAP摻量的增大，兩種再生劑對混融瀝青的溫度敏感性的提升效果均降低.

圖2 含有不同再生劑的混融瀝青的相位角

2) 復(fù)數(shù)模量指數(shù) 復(fù)數(shù)模量指數(shù)(GTS)是復(fù)數(shù)模量的雙對數(shù)與溫度的對數(shù)的曲線的斜率，即

lglgG*=GTS·lgT+C

(1)

由圖1可知：隨著溫度的上升，10種混融瀝青的復(fù)數(shù)模量均呈現(xiàn)下降的趨勢.對含蘇博特再生料的混融瀝青而言，從S1到S5，其對應(yīng)的復(fù)數(shù)模量逐漸增加.這表明隨著RAP中抽提老瀝青含量的增加，混融瀝青逐漸變硬，在老瀝青摻量增加到80%后，混融瀝青的復(fù)數(shù)模量接近老瀝青.含常州再生劑制備的混融瀝青的復(fù)數(shù)模量隨老瀝青摻量增加的變化趨勢與蘇博特組相似，區(qū)別在于，在相同老瀝青的摻量下，常州瀝青對老化瀝青的軟化效果不如蘇博特再生劑.

圖3中新瀝青的lg(lgG)-lgT曲線，根據(jù)其線性回歸方程可以得到斜率，對其斜率取絕對值得到新瀝青的|GTS|為5.069 3.擬合曲線的回歸系數(shù)R2值為0.997 4，代表了擬合結(jié)果的高準(zhǔn)確度.

人類面臨的最大危機與挑戰(zhàn)是什么？這是關(guān)心和思考社會發(fā)展與人類命運的有識之士樂于回答、也必須回答的問題?？梢哉f，以看護人類為己任的思想家、學(xué)術(shù)大師、專家學(xué)者、哲人智者們往往都會展望未來、探究人類面臨的危機與挑戰(zhàn)?？醋o人類、為世界體檢看病，首先關(guān)注的當(dāng)然是最嚴(yán)重的病患。誰能夠最先、最深刻、最準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)人類面臨的最大的困境、危機與挑戰(zhàn)，誰就揭示了關(guān)乎人類命運的頭等重要的奧秘。這既是最具現(xiàn)實意義的探索，也形成了爭相探究最大危機真相的高端智力競賽。

研究發(fā)現(xiàn)，患者家庭CHE發(fā)生的概率隨著收入水平的增加而逐漸降低，低收入者的就醫(yī)經(jīng)濟風(fēng)險度較大。受到經(jīng)濟條件的限制，低收入的慢性病患者常常要么不尋求醫(yī)療服務(wù)，要么尋求廉價的不恰當(dāng)?shù)尼t(yī)療服務(wù)，世界銀行的研究[19]顯示，在2008年，應(yīng)接受而未接受住院治療的患者中，35%是農(nóng)村低收入慢性病患者，在這其中有82%的患者是由于經(jīng)濟困難。井珊珊等[20]的研究也指出，經(jīng)濟困難仍然是農(nóng)村慢性病患者不去就醫(yī)的重要原因。

1. USGovt (United States government) no intention of acting in a manner to call into question China’s de Juri sovereignty over Tibet.

圖4 不同混融瀝青的復(fù)數(shù)模量指數(shù)

3) 車轍因子 含有不同再生劑的混融瀝青的車轍因子見圖5.

圖5 含有不同再生劑的混融瀝青的車轍因子

由圖5可知:隨著溫度的上升，混融瀝青的車轍因子均呈現(xiàn)下降的趨勢.老瀝青的車轍因子最大，混融瀝青的車轍因子較新瀝青的高，且隨著RAP老瀝青摻量的增加，混融瀝青的車轍因子逐漸增大．在摻量達到80%時，對應(yīng)的S5和C5組的車轍因子接近老瀝青的數(shù)值，表明在此摻量下再生劑對老瀝青的再生效果不理想.在相同RAP老瀝青的摻量下，蘇博特再生劑對RAP中老瀝青粘性成分的恢復(fù)效果要優(yōu)于常州組.

首先，建立由學(xué)院黨委組織統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下的競賽工作團隊。由黨委副書記負責(zé)統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)各個競賽團隊的組織協(xié)調(diào)工作，從政治的高度和全局的視角組織領(lǐng)導(dǎo)各項學(xué)科競賽工作，避免了各學(xué)科競賽團隊之間缺乏呼應(yīng)、難以協(xié)調(diào)、各自為戰(zhàn)的不利局面。同時組織學(xué)院相關(guān)部門承擔(dān)各支競賽團隊的后勤保障與對外協(xié)調(diào)任務(wù)，學(xué)工、教務(wù)、辦公室、教研室、實驗室各部門協(xié)同合作，全方位參與全過程服務(wù)育人，保障了各個競賽團隊享有充足的教學(xué)資源和社會資源，保障與學(xué)校其他職能部門的合作溝通順暢無阻，無后顧之憂地投入到學(xué)科競賽中去。

4) 疲勞因子 瀝青的疲勞因子(G*·sinδ)可以反映瀝青的疲勞抵抗性.圖6為兩種混融瀝青的疲勞因子.

圖6 含有不同再生劑的混融瀝青的疲勞因子

由圖6可知：隨著溫度的上升，瀝青的疲勞因子逐漸降低.整體而言，常州組混融瀝青的車轍因子低于蘇博特組．疲勞因子為5 000 kPa下的溫度定義為瀝青的疲勞臨界溫度，新瀝青的疲勞臨界溫度最低(為13.6 ℃)，混融瀝青的溫度次之，老瀝青的臨界溫度最高，達到19.9 ℃.在相同的老瀝青的摻量下，蘇博特再生劑對老化瀝青的抗疲勞性能的提升效果優(yōu)于常州再生劑.

6) 分子結(jié)構(gòu) 混融瀝青的紅外光譜見圖8.

由圖7可知：混融瀝青的復(fù)合黏度隨頻率的增大而降低.隨著RAP老瀝青摻量的增加，兩種再生劑制備的混融瀝青的復(fù)合黏度逐漸下降，在摻量達到80%時，其黏度接近老瀝青的數(shù)值.蘇博特組再生劑對老化瀝青降黏效果要強于常州組.

圖7 含有不同再生劑的混融瀝青的60 ℃下的復(fù)合黏度

5) 黏度 圖7為不同再生劑的混融瀝青在60 ℃下的復(fù)合黏度.

由圖8可知：加入再生劑的混融瀝青與新老瀝青相比，沒有出現(xiàn)新的吸收峰.這說明再生劑的加入只是對RAP中老瀝青的組分起到補充作用.各瀝青的吸收峰的位置基本相似，從瀝青老化的特征峰羰基(1 700 cm-1波數(shù))和亞砜基(1 030 cm-1波數(shù))的強度來看，加入再生劑和新瀝青的混融瀝青在這兩處的吸收峰的強度出現(xiàn)了明顯的降低，這表明RAP中的老化瀝青得到了有效再生.

圖8 不同比例的混融瀝青的紅外光譜

經(jīng)計算，工況2下的線纜長度約為1 026 mm,該長度小于1 047 mm,由此可知跨接線纜長度不滿足該工況的要求。因此將線纜SC1的固定高度調(diào)整為630 mm，如圖4 c)所示。經(jīng)計算,工況3下的跨接線纜長度約為1 056 mm,該長度小于1 047 mm，由此可知跨接線纜長度滿足該工況的要求。在方案確定后，在車端箱內(nèi)對線纜保留適當(dāng)余量，再根據(jù)車輛小曲線試驗進行調(diào)整，最終確定跨接線纜的安裝長度為1 070 mm±10 mm。

在當(dāng)前的教學(xué)模式下，教師在講授相關(guān)理論知識時，普遍采用的是視頻文件、幻燈片、文檔等形式，而學(xué)校往往因為各類因素的限制，導(dǎo)游課程教學(xué)與實訓(xùn)難以與實際結(jié)合起來，學(xué)生與社會需求的人才普遍脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生社會適應(yīng)能力下降。

羰基官能團指數(shù)=A1 700-1/A2 000～600-1

(2)

亞砜基官能團指數(shù)=A1 030-1/A2 000～600-1

(3)

RAP中回收的舊集料的性能指標(biāo)見表4.由表3～4可知：舊集料的針片狀顆粒含量與壓碎值并沒有明顯增大，其值均滿足規(guī)范對混合料用粗集料的要求，可用于混合料的再生.

(4)

芳香族官能團指數(shù)=A1 600-1/A2 000～600-1

(5)

圖9為不同比例的混融瀝青的四種官能團指數(shù).由圖9可知：兩種再生劑制備的混融瀝青的官能團指數(shù)均介于新瀝青和老瀝青之間.隨著RAP老瀝青含量的增加(即從SA到S5或從C1到C5)，混融瀝青的羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)和芳香族指數(shù)逐漸增大，脂肪族指數(shù)逐漸減小.由于自由基的活性受到抑制，再生階段大分子苯環(huán)取代物出現(xiàn)裂解，其苯環(huán)外的氫原子會發(fā)生取代反應(yīng)，苯環(huán)間會相互搭接，從而造成再生瀝青中芳香族化合物組分含量的降低.

圖9 不同比例的混融瀝青的官能團指數(shù)

與常州組混融瀝青相比，蘇博特組混融瀝青的羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)和芳香族指數(shù)較小，其脂肪族指數(shù)較大.這說明蘇博特再生劑對老化瀝青的滲透作用更強，其再生效果更好.混融瀝青的官能團指數(shù)介于新老瀝青之間，這也表明再生劑在RAP老化瀝青進行了擴散滲透，老瀝青與新瀝青和再生劑發(fā)生了融合，在不同RAP老瀝青含量下形成了不同梯度的分布，新舊瀝青見形成了不同程度的相互作用，從而恢復(fù)老瀝青的性能.

3 RAP的拌和溫度和拌和順序

3.1 拌和溫度的確定

再生料的設(shè)計規(guī)范中規(guī)定RAP舊料的預(yù)熱溫度為110 ℃，實驗過程中發(fā)現(xiàn)110 ℃的預(yù)熱溫度不足以使得RAP中的舊瀝青得到完全釋放，而提升油石比也會出現(xiàn)明顯的“花料”現(xiàn)象.通過相關(guān)文獻和實際經(jīng)驗得到了再生瀝青混合料成型時新舊料溫度在不同摻量下的建議值，見表7[11].再生料在不同RAP摻量下的拌和溫度統(tǒng)一設(shè)定為175 ℃.

小流域面積相對較小，河道比降大，洪水匯流速度非常快，洪水陡漲陡落，各小流域之間又相互關(guān)聯(lián)，加上山區(qū)小河流水文資料缺乏，目前預(yù)報方法不多。

表7 再生瀝青混合料成型時新舊料溫度建議值

3.2 拌和順序的選擇

在再生料的拌和中應(yīng)先將再生劑與RAP先進行預(yù)拌和這樣可使再生劑的再生效果達到最優(yōu).但考慮到所添加的再生劑含量太少，當(dāng)其與RAP預(yù)先拌和時很難和RAP完全接觸，從而導(dǎo)致最后再生劑與舊瀝青的混融效果差，達不到預(yù)計的再生效果.本文參考文獻[12]的拌和順序，即先將RAP與新集料預(yù)拌90 s，再分次加入鋼棉纖維拌和30 s，然后將再生劑與新瀝青一起加入到RAP與新集料的混合料中拌和90 s，最后再添加預(yù)先加熱好的礦粉拌和90 s得到所需的再生混合料，再生料的拌和順序見圖10.

圖10 再生料的拌和順序

4 結(jié) 論

1) RAP的含水率為1.31%，滿足再生料的不高于3%的指標(biāo)要求．RAP中的舊瀝青感溫性增強、變硬變脆，各項指標(biāo)均不滿足規(guī)范要求，其含有的舊集料的性能指標(biāo)均滿足混合料用粗集料的要求，可用于混合料的再生.

2) 隨著再生劑摻量的增大，再生瀝青的針入度和延度增加，軟化點降低．再生劑在RAP老化瀝青中的最佳摻量為瀝青質(zhì)量的6%.

3) 混融瀝青的各項性能指標(biāo)均介于老瀝青和新瀝青之間，且隨著RAP老瀝青含量的增加，其復(fù)數(shù)模量、車轍因子、疲勞因子、羰基官能團指數(shù)、亞砜基官能團指數(shù)和芳香族官能團指數(shù)逐漸增大，相位角、復(fù)數(shù)模量指數(shù)和脂肪族官能團指數(shù)逐漸減小.整體而言，蘇博特再生劑對RAP老化瀝青的再生效果優(yōu)于常州再生料.當(dāng)混融瀝青中RAP摻量高于70%后，其各項性能指標(biāo)顯著下降.

4) 再生料在不同RAP摻量下的最佳拌和溫度統(tǒng)一設(shè)定為175 ℃.對于再生瀝青的拌和順序，首先預(yù)拌RAP與新集料，再分次加入鋼棉纖維，然后將再生劑與新瀝青一起加入到RAP與新集料的混合料中，最后再添加預(yù)先加熱好的礦粉，即可得到所需的再生混合料.