銑刨料再生冷補(bǔ)料的路用性能評價(jià)

許尚江劉超群荊靖趙濼源耿立濤

(1.山東省高速養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；3.湖北樊魏高速公路有限公司，湖北 襄陽 441100)

0 引言

我國高等級公路每年因養(yǎng)護(hù)維修產(chǎn)生的瀝青路面銑刨料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)高達(dá)2.2億t[1]。盡管整體性能已經(jīng)不滿足使用要求，但由于RAP自身具有極高的利用價(jià)值，對其再生利用的研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)[2-3]。然而，即使是目前應(yīng)用最廣、效果相對最優(yōu)的RAP廠拌熱再生技術(shù)，仍存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、RAP二次老化、再生瀝青混合料疲勞性能和低溫性能不足等問題[4-6]。RAP再生利用成敗的關(guān)鍵取決于RAP中舊瀝青的功能恢復(fù)程度[7-8]，但目前采用的RAP再生工藝無法為新舊瀝青提供充足的混溶時(shí)間[9-10]，這也是再生瀝青混合料路用性能不佳的主要原因之一。

近年來，坑槽修補(bǔ)采用的是冷補(bǔ)瀝青混合料(冷補(bǔ)料)，因其具有修復(fù)及時(shí)、便捷環(huán)保等優(yōu)勢而得到了廣泛關(guān)注，但商品化的冷補(bǔ)料普遍存在或性能優(yōu)但成本偏高、或成本低但性能不佳的問題[11-12]。以RAP替代新集料制備坑槽冷補(bǔ)料具有較好的發(fā)展?jié)摿?，主要原因?(1)RAP具有水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性優(yōu)勢[13-14]，符合對冷補(bǔ)料的性能要求；(2)冷補(bǔ)料的存儲待用期長[15]，可為新-舊瀝青的混溶——也即舊瀝青的功能恢復(fù)提供充足的時(shí)間，使得添加少量新瀝青成為可能，從而節(jié)省材料成本；(3)冷補(bǔ)料采用常溫生產(chǎn)工藝[16]，利于環(huán)保，且可避免RAP的二次加熱老化；(4)冷補(bǔ)料對礦料級配的要求相對寬松，有望實(shí)現(xiàn)RAP的100%利用，而RAP的成本僅為石料的1/4～1/3，從而進(jìn)一步降低材料成本。

目前，關(guān)于以RAP制備坑槽冷補(bǔ)料的研究成果較少，特別是以100%的原狀RAP制備坑槽冷補(bǔ)料的研究成果鮮見報(bào)道。為發(fā)掘RAP用于冷補(bǔ)料制備的優(yōu)勢，文章開展了以原狀RAP用于再生冷補(bǔ)料的制備與評價(jià)工作。采用實(shí)際工程項(xiàng)目中已使用9 a的未經(jīng)處理的RAP作為集料，以前期自主研發(fā)的液體冷補(bǔ)瀝青(Cold Patching Asphalt，CPA)作為膠結(jié)料，選擇了不同的CPA摻量，常溫拌合制備了銑刨料再生冷補(bǔ)料(Cold Patching Asphalt Mixture with Reclaimed Asphalt Pavement，RAP-CPAM)；在不同的常溫存儲時(shí)間下，基于表觀狀態(tài)及析漏試驗(yàn)初步研究了CPA的合理用量；并基于水煮法、滾動篩法、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)評價(jià)了RAP-CPAM的黏附性、黏聚性、穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性等路用性能，表明采用100%原狀RAP制備RAP-CPAM具有一定的應(yīng)用潛力。

1 試驗(yàn)材料

1.1 RAP

選用的RAP取自2020年G1151日蘭高速臨沂段維修工程，原瀝青混合料類型為SMA-13，瀝青結(jié)合料為苯乙烯-丁＝烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer，SBS)改性瀝青，原路面已使用9 a。經(jīng)抽提、篩分試驗(yàn)測得RAP中舊瀝青的含量為5.4%。礦料級配如圖1所示，舊瀝青的測試結(jié)果見表1，表明該RAP已經(jīng)發(fā)生了明顯的粗集料碎裂、瀝青損失和瀝青老化等現(xiàn)象，9.5和4.75 mm篩孔的通過率超過JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[17]中的限值＞10%，瀝青含量與原設(shè)計(jì)瀝青含量相比約降低了0.4%～0.7%，而針入度僅為17.0。基于使用年限久、礦料級配不良、瀝青嚴(yán)重老化等因素，對選用的RAP制備的RAP-CPAM進(jìn)行系列試驗(yàn)研究。

圖1 RAP的礦料級配曲線圖

表1 舊瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)測試結(jié)果表

1.2 CPA

采用的CPA由齊魯70＃道路石油瀝青、柴油稀釋劑和冷補(bǔ)瀝青添加劑按質(zhì)量比75∶22∶3混合制備，常溫下為黏稠狀液體，其具體制備工藝見文獻(xiàn)[18]。CPA中，道路石油瀝青的作用在于補(bǔ)充RAP中缺失的瀝青，柴油稀釋劑的作用在于提供常溫拌合功能并補(bǔ)充舊瀝青因老化缺失的輕組分，冷補(bǔ)瀝青添加劑的作用為提升瀝青與集料的黏附性。

2 RAP-CPAM制備

為簡化RAP-CPAM的生產(chǎn)工藝，制備時(shí)采用100%的原狀RAP作為集料，僅以CPA的用量作為變量。SHIRODKAR等[19]研究認(rèn)為熱再生瀝青混合料中舊瀝青的利用率隨著RAP摻量的提高而降低，當(dāng)RAP摻量為30%～50%時(shí)，舊瀝青的利用率約為70%～96%。由于RAP-CPAM存儲待用期內(nèi)將有較長的時(shí)間供CPA與舊瀝青混溶，因此雖然采用100%的RAP摻量，舊瀝青仍將具有較高的利用率?；谏鲜鲈?，假定制備RAP-CPAM時(shí)舊瀝青的利用率為80%，設(shè)計(jì)1.6%、2.0%和2.4%等3種CPA用量(內(nèi)摻)，相應(yīng)的RAP-CPAM中總有效瀝青含量分別為5.5%、5.8%和6.1%，此用量較接近熱拌瀝青混合料SMA-13中的瀝青常用量。

分別采用上述3種用量的CPA與RAP經(jīng)拌合鍋在20～25℃拌合270 s后完成RAP-CPAM的制備，拌合試驗(yàn)所得RAP-CPAM表觀效果如圖2和表2所示，其中RAP-CPAM-1.6表示CPA用量為1.6%，以此類推。1.6%的CPA用量偏低，集料雖能被瀝青裹附，但呈表面干燥、無光澤狀態(tài)，隨著CPA用量的逐步增加，RAP-CPAM逐漸轉(zhuǎn)為部分油潤和整體油潤狀態(tài)，2.4%的CPA用量較為合適。此外，經(jīng)5～10 d的常溫存儲后，3種RAP-CPAM外觀均有所提升，較初始狀態(tài)更加油潤，表明存儲過程中CPA與舊瀝青發(fā)生了混溶。

圖2 RAP-CPAM拌合試驗(yàn)效果圖

表2 不同CPA用量下RAP-CPAM的初期外觀效果表

JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[20]中的謝倫堡析漏試驗(yàn)可用于檢驗(yàn)各種瀝青混合料的最大瀝青用量，以析漏損失率≤0.2%作為控制標(biāo)準(zhǔn)。從評價(jià)角度，該方法對RAP-CPAM同樣具有適用性，但由于RAP-CPAM的常溫生產(chǎn)、施工工藝，測試溫度需相應(yīng)調(diào)整為常溫。對常溫存儲0、5和10 d的RAP-CPAM進(jìn)行25℃條件下的析漏損失測試，結(jié)果見表3。

表3 析漏試驗(yàn)測試結(jié)果表

由表3可知，RAP-CPAM的析漏損失指標(biāo)整體處于較低的范圍，未隨著CPA用量及存儲時(shí)間的增加而發(fā)生明顯變化，且均＜0.2%。

綜合考慮再生冷補(bǔ)料的拌合試驗(yàn)時(shí)，其外觀變化和析漏試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，認(rèn)為2.4%的CPA用量是相對合理的用量。

3 RAP-CPAM性能評價(jià)

3.1 黏附性測試

礦料與瀝青的黏附性是評價(jià)冷補(bǔ)料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。采用文獻(xiàn)[18]中的水煮法測試RAPCPAM的黏附性。同時(shí)，對采用新集料所制備的冷補(bǔ)料SCPAM-4.7-A(瀝青含量為4.7%，所選用級配及制備方法與文獻(xiàn)[18]一致)作為黏附性測試及后續(xù)測試的對比樣。其測試結(jié)果見表4。

由表4可知，RAP-CPAM與SCPAM-4.7-A相比具有明顯的耐水性優(yōu)勢，其裹附率未因水煮時(shí)間、CPA用量和存儲時(shí)間的變化而發(fā)生明顯的改變，其最小值也達(dá)到了97%。分析原因認(rèn)為RAP中，舊瀝青緊密裹附于集料表面，水分難于穿過瀝青膜致使瀝青與集料剝離，這也體現(xiàn)了以RAP制備RAPCPAM的獨(dú)特優(yōu)勢。需要指出的是，水煮法測試僅能展現(xiàn)集料-瀝青界面的黏附性，無法反映出CPA用量對RAP-CPAM整體水穩(wěn)定性的影響，因此不同的CPA用量下，RAP-CPAM的裹附率差異并不明顯。

表4 黏附性測試結(jié)果表

3.2 黏聚性測試

黏聚性用以評價(jià)冷補(bǔ)料抵抗車輪荷載的沖擊能力，該性能可通過滾動篩法[21]試驗(yàn)獲得的質(zhì)量損失率表征，其值不應(yīng)＞45%[22]。需要指出的是，傳統(tǒng)的冷補(bǔ)料多呈松散狀態(tài)，需要經(jīng)過加速老化(相應(yīng)于使用數(shù)月后的狀態(tài))后方可成型可供滾動篩法測試的試件。所研究的RAP-CPAM無需加速老化即可實(shí)現(xiàn)試件成型，故黏聚性測試前并未對其進(jìn)行加速老化處理。圖3給出了RAP-CPAM及經(jīng)加速老化的SCPAM-4.7-A的黏聚性測試結(jié)果。

圖3 黏聚性測試結(jié)果柱狀圖

由圖3可知，RAP-CPAM的質(zhì)量損失率均處于較低的水平。RAP-CPAM制備初期，即使在最低的CPA用量(1.6%)下，其最大的質(zhì)量損失率(7.4%)也僅為SCPAM-4.7-A的60%；隨著CPA用量的增加，質(zhì)量損失率約降低至5%，表明瀝青膜厚度的增加提升了礦料的粘結(jié)效果。相同的CPA用量下，RAP-CPAM的質(zhì)量損失率隨著存儲時(shí)間的增加均進(jìn)一步降低，但降幅趨于緩慢，反映了舊瀝青與CPA混溶后對礦料粘結(jié)的促進(jìn)作用?？傮w上，RAP-CPAM的黏聚性優(yōu)異，更具有抵抗車輪荷載沖擊能力。

3.3 馬歇爾穩(wěn)定度測試

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然RAP-CPAM的整體性能較傳統(tǒng)冷補(bǔ)料已經(jīng)明顯改善，但在高溫?zé)o約束狀態(tài)下仍難以獲得有效的初期強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)?；谏鲜鲈?，參考JTG E20—2011[20]測試RAP-CPAM的25℃馬歇爾穩(wěn)定度，以橫向比較各RAP-CPAM的穩(wěn)定性變化。表5給出了不同存儲期及加速老化(110℃養(yǎng)護(hù)12 h)后的馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果。

表5 25℃馬歇爾測試結(jié)果表

由表5可知，相同的存儲時(shí)長下，RAP-CPAM的馬歇爾穩(wěn)定度隨著CPA用量的增加略有增大，原因在于CPA用量的增加有利于提升集料顆粒間的潤滑作用，從而提升冷補(bǔ)料的密實(shí)度，馬歇爾穩(wěn)定度隨之相應(yīng)提升；經(jīng)歷了不同的存儲期后，馬歇爾穩(wěn)定度均出現(xiàn)先降低再增加的現(xiàn)象，分析認(rèn)為該現(xiàn)象與“初期以冷補(bǔ)瀝青潤滑效果為主”向“舊瀝青吸收冷補(bǔ)瀝青增黏”再向“舊瀝青軟化降黏”的狀態(tài)變化有關(guān)，但總體上RAP-CPAM的馬歇爾穩(wěn)定度差異受CPA用量和存儲時(shí)間的影響不大；此外，與無法獲得馬歇爾穩(wěn)定度的SCPAM-4.7-A相比，RAPCPAM明顯具有初期溫度穩(wěn)定性優(yōu)勢。經(jīng)歷加速老化后，由于冷補(bǔ)料中稀釋劑的大量揮發(fā)，RAPCPAM和SCPAM-4.7-A的25℃馬歇爾穩(wěn)定度均顯著提升；但RAP-CPAM的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)SCPAM-4.7-A的2倍以上，表明其使用過程中更具溫度穩(wěn)定性優(yōu)勢。

3.4 浸水殘留穩(wěn)定度測試

浸水殘留穩(wěn)定度是表征瀝青混合料水穩(wěn)定性的一項(xiàng)常用指標(biāo)，除可反映瀝青與集料黏附性外，尚可反映礦料級配、瀝青含量等多因素的綜合影響。由于RAP-CPAM無須加熱老化預(yù)處理即可成型試件，以浸水殘留穩(wěn)定度評價(jià)其水穩(wěn)定性具有可行性。對RAP-CPAM的浸水馬歇爾試驗(yàn)依據(jù)JTG E20—2011[20]進(jìn)行，僅將養(yǎng)護(hù)及測試溫度調(diào)整為25℃，以匹配冷補(bǔ)料的常溫應(yīng)用，其結(jié)果見表6。

表6 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表

由表6可知，RAP-CPAM的浸水殘留穩(wěn)定度對CPA用量和存儲時(shí)間反應(yīng)敏感，可有效表征其水穩(wěn)定性。在相同的存儲時(shí)間下，浸水殘留穩(wěn)定度隨著CPA用量的增加明顯增大；而相同的CPA用量下，浸水殘留穩(wěn)定度則隨著存儲時(shí)間的延長而增大，表明新-舊瀝青的混溶有利于提升RAP-CPAM的水穩(wěn)定性。加速老化后的RAP-CPAM比SCPAM-4.7-A具有更高的浸水殘留穩(wěn)定度，表明其使用過程中將更具水穩(wěn)定性優(yōu)勢。

4 結(jié)論

通過上述研究可知:

(1)CPA的理想用量約為2.4%，此時(shí)制備初期的RAP-CPAM具有良好的外觀狀態(tài)和理想的析漏損失指標(biāo)；存儲時(shí)間的延長有利于RAP-CPAM中新-舊瀝青的混溶效果。

(2)相比于以新集料制備的冷補(bǔ)料，RAPCPAM的黏聚性明顯改善，且隨著CPA用量的增加和存儲期的延長而提高；RAP-CPAM更具早期溫度穩(wěn)定性優(yōu)勢，使用數(shù)月后其溫度穩(wěn)定性將具有更為顯著的提升；RAP-CPAM更具水穩(wěn)定性優(yōu)勢，提升CPA用量和延長存儲時(shí)間后，水穩(wěn)定性優(yōu)勢更為明顯。