廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料性能研究與應(yīng)用

李 泉 ，吳超凡 ，方 楊，鐘夢武 ，黃紅明，韓慶奎

(1.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007;2.佛山交通科技有限公司，廣東 佛山528042；3.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

1 概述

截至2019年底，中國公路總里程已達484.65萬km，其中高速公路達14.26萬km，居世界第一，而且瀝青路面已成為新舊路面建設(shè)的主要形式，占路面比例為20%左右，尤其在高等級路面中瀝青路面占到90%以上[1-2]?！笆濉逼谑俏覈芳涌斐删W(wǎng)關(guān)鍵時期，逐步進入了建、養(yǎng)并重的時期，并大力推廣綠色公路建設(shè)，致力于廢舊道路材料的再生利用，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型公路交通行業(yè)。然而廢舊道路材料的循環(huán)利用率不足30%，遠低于發(fā)達國家90%以上利用率的水平，遠沒有實現(xiàn)“十三五”規(guī)劃的目標，大多被隨意丟棄或掩埋，造成不可再生資源浪費嚴重，亦對生態(tài)環(huán)境造成一系列的破壞，在即將到來的“十四五”規(guī)劃中產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)保護依然將會是重點內(nèi)容之一[3]。近年來國家對自然生態(tài)保護要求步步提髙，在加強山、水、 林、 田 、湖、草和自然保護區(qū)保護力度的同時，提出了生態(tài)保護紅線；隨著近20 a來道路建設(shè)的發(fā)展與投入，碎石使用數(shù)量不斷加大，使得原生石礦被過度開采，是造成生態(tài)破壞的原因之一，作為一種不可再生資源已將不能滿足道路建設(shè)發(fā)展的需求[4-6]。在國內(nèi)，廢舊資源再生技術(shù)已逐漸得到重視，尤其是針對RAP的廠拌熱再生技術(shù)已逐步成熟，但也存在使用層次的局限性，廠拌熱再生瀝青混合料主要用于路面中下面層中，在上面層應(yīng)用較少，尤其是在上面層SMA-13瀝青混合料中很少開展再生研究與應(yīng)用[7-8]。

本文研究依托于佛山一環(huán)西拓舊路改造項目，在白金線右幅k38+260～k39+260上成功實施了1 km上面層廠拌熱再生SMA-13示范路段。本文通過對舊路面RAP分層回收與處置、舊瀝青回收與再生試驗、再生劑摻量確定、再生SMA-13配合比設(shè)計與其路用性能的對比研究，確定了廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料用于路面上面層的可行性，并在生產(chǎn)過程中嚴格控制再生劑添加、RAP加熱溫度與拌合溫度，保證混合料質(zhì)量，使廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料成功應(yīng)用于高等級路面上面層，再生路面質(zhì)量優(yōu)異。

2 材料試驗

2.1 新集料與填料

粗集料采用廣西友信輝綠巖，其規(guī)格為9.5～13.2(輝1#)、4.75～9.5(輝2#)、2.36～4.75 mm(輝3#)；細集料采用廣西磊石石灰?guī)r，規(guī)格為0～2.36 mm(石4#)；填料采用石灰?guī)r礦粉與普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標與篩分結(jié)果見表1與表2。

表1 新集料與填料技術(shù)指標Table 1 The technical indexes of new aggregates and fillers類別壓碎值/%洛杉磯磨耗損失/%與瀝青的黏附性/級表觀相對密度輝1#輝2#輝3#石4#水泥礦粉試驗結(jié)果13.87.452.9402.9422.9412.7073.1462.729技術(shù)要求≤20≤245 ≥2.6≥2.5類別吸水率/%針片狀顆粒含量/%輝1#輝2#輝3#石4#輝1#輝2#細集料砂當量/%細集料棱角性/s試驗結(jié)果0.70.91.10.92.43.57845技術(shù)要求 ≤2.0≤10≤15≥65≥30

表2 集料篩分結(jié)果Table 2 The results of aggregate screening材料通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075輝1#10089.83.950.40.40.40.40.40.40.1輝2#10010097.97.00.80.40.40.40.40.1輝3#10010010078.75.62.52.52.52.50.3石4#10010010099.978.259.142.427.120.915.4水泥10010010010010010010010010097.5礦粉10010010010010010010010097.692.0

2.2 新瀝青

新瀝青采用殼牌SBS改性瀝青，其SBS摻量為4.5%～5%，技術(shù)指標見表3。

2.3 RAP

本依托工程舊路面上面層膠結(jié)料為SBS改性瀝青，中、下面層膠結(jié)料為70#重交瀝青，為控制RAP變異性和保證RAP性能的穩(wěn)定，將上面層改性RAP與中、下面層重交RAP分開銑刨回收與堆放。將上面層改性RAP破碎篩分成22～32(RAP1#)、11～22(RAP2#)、6～11(RAP 3#)與0～6 mm(RAP 4#)4檔規(guī)格。為更好地進行再生SMA-13瀝青混合料的級配合成與質(zhì)量控制，僅采用RAP3#進行廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料研究與應(yīng)用，RAP3#的抽提篩分結(jié)果與其相關(guān)性能試驗見表4與表5。由表5可得RAP3#的礦料指標滿足上面層材料技術(shù)要求。

表3 SBS改性瀝青技術(shù)指標Table 3 The technical indexes of SBS modified asphalt試驗項 目25 ℃針入度/0.1 mm針入度指數(shù)PI5 ℃延度/cm25 ℃彈性恢復(fù)/%軟化點/℃135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)閃點/℃25 ℃相對密度TFOT試驗后質(zhì)量變化/%針入度比/%5℃延度/cm技術(shù)要求40-55≥0≥20≥90≥70≤3≥230實測-1.0～+1.0≥65≥15試驗結(jié)果480.772596.088.02.453011.03-0.0779.317

表4 RAP材料抽提試驗結(jié)果Table 4 The results of rap material extraction test規(guī)格油石比/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075RAP3#3.710010085.228.222.718.614.711.59.67.7

表5 RAP礦料技術(shù)指標Table 5 The technical indexes of rap ore類別RAP3#中的礦料壓碎值/%表觀相對密度吸水率/%試驗結(jié)果18.12.724 0.65技術(shù)要求≤20≥2.6≤2

2.4 再生劑

采用湖南云中再生科技RA-YZ02滲透型再生劑，其具有很強的滲透性，附在舊瀝青表面時能對舊瀝青滲透再生，技術(shù)指標見表6。由表6可得該再生劑芳香分含量高，可有效補充老化瀝青中缺失的輕質(zhì)組分，使得瀝青由老化后的凝膠型向再生后的溶膠-凝膠型轉(zhuǎn)變。

表6 RA-YZ02型再生劑技術(shù)指標Table 6 The technical indexes of RA-YZ02 regenerant類別60 ℃黏度/cSt閃點/℃飽和分含量/%芳香分含量/%薄膜烘箱試驗前后黏度比薄膜烘箱試驗前后質(zhì)量變化/%15 ℃密度/(g·cm-3)質(zhì)量指標176-900≥220≤30實測記錄≤3≤4,≥-4實測記錄試驗方法T0619T0633T0618T0618T0619T0609T0603實測結(jié)果305.822419511.18-1.701.017

3 舊瀝青再生

SBS改性瀝青老化主要包括兩個方面：一方面是其SBS改性劑的老化降解，其聚丁二烯嵌段上的C=C雙鍵在老化過程中部分發(fā)生斷裂或氧化；另一方面是其基質(zhì)瀝青氧化硬化，輕質(zhì)組分減少，瀝青分子量增大。針對改性舊瀝青再生，再生劑無法修復(fù)其斷裂的C=C雙鍵，其再生的目的是將改性舊瀝青中的基質(zhì)瀝青4組分比例調(diào)和到新瀝青的標準，使再生后的針入度指標達到新瀝青的指標要求，并在生產(chǎn)過程中新瀝青與再生瀝青融合再生，使融合再生后的瀝青指標滿足規(guī)范要求[8-13]。本試驗中采用的殼牌SBS改性瀝青，其具有高SBS改性劑摻量與高技術(shù)指標參數(shù)等特點，適合于改性瀝青再生應(yīng)用。舊瀝青再生試驗見表7。由表7可得回收后的舊瀝青針入度指標為25(0.1mm)，舊瀝青老化嚴重，但RAP仍具有很好的再生價值；考慮到再生劑在生產(chǎn)過程中的損耗，其最佳摻量采用舊瀝青質(zhì)量的10%。

表7 舊瀝青再生試驗Table 7 The old asphalt recycling test不同再生劑摻量/%25 ℃針入度/(0.1 mm)軟化點/℃02566.043462.064060.084558.0105056.0改性瀝青4888.0

4 廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計

本試驗中SMA-13瀝青混合料級配范圍來源于“一環(huán)西拓舊路改造設(shè)計文件”。參考全新料SMA-13瀝青混合料確定的合成級配4.75 mm篩網(wǎng)通過率為25%，由于RAP3#中的礦料表觀相對密度與輝綠巖相比差異大，對25%RAP礦料摻量下再生SMA-13瀝青混合料進配合比設(shè)計時，其合成級配4.75 mm通過率分別取25%與27%進行級配合成，合成級配曲線見圖1。

圖1 再生SMA-13合成級配曲線圖

再生SMA-13瀝青混合料中RAP礦料摻量為25%，由表4可得RAP3#油石比為3.7%，因此混合料油石比中舊瀝青為0.93%，再生劑為0.09%[14]。根據(jù)確定的全新料SMA-13瀝青混合料油石比與SMA-13應(yīng)用經(jīng)驗，再生SMA-13瀝青混合料油石比采用6.0%進行馬歇爾指標試驗，其中混合料油石比中新瀝青為4.98%，纖維為外摻0.4%，馬歇爾試驗技術(shù)指標試驗結(jié)果見表8。由表8可得再生SMA-13瀝青混合料采用級配二，即合成級配4.75 mm篩網(wǎng)通過率通過率為27%，油石比為6.0%時，其各項指標滿足技術(shù)要求，并由此可得SMA-13瀝青混合料中礦料合成表觀相對密度對其合成級配的影響，隨著礦料合成表觀相對密度的降低，合成級配4.75 mm篩網(wǎng)通過率需適當提高，以滿足體積指標要求。將新瀝青與再生瀝青按4.9∶1比例摻配后再生瀝青技術(shù)指標見表9。由表9可得新舊瀝青融合再生后的技術(shù)指標滿足設(shè)計要求。

表8 馬歇爾技術(shù)指標結(jié)果Table 8 The index results of marshall technical再生SMA-13油石比/%最大理論相對密度空隙率/%穩(wěn)定度/kN毛體積相對密度飽和度/%礦料間隙率/%級配一6.02.5754.9 9.162.45072.017.4級配二6.02.5714.010.482.46876.116.7技術(shù)要求—3.0～4.5≥6.0—75～85≥16.5

表9 新瀝青與再生瀝青融合再生瀝青技術(shù)指標結(jié)果Table 9 The asphalt technical index results of new asphalt and recycled asphalt fusion recycled試驗項目針入度25 ℃/(0.1 mm)軟化點/℃延度/cm舊瀝青2566.01再生瀝青(再生劑摻量10%)5056.013融合再生瀝青(油石比6.0%)5074.022技術(shù)要求40-55≥70≥20

5 路用性能驗證

采用級配二進行廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料路用性能試驗，并與全新料SMA-13瀝青混合料路用性能進行對比分析，結(jié)果見表10，由表10可得再生SMA-13瀝青混合料路用性能優(yōu)異，其高溫抗車轍性能、抗水損穩(wěn)定性能與全新料SMA-13瀝青混合料性能指標基本接近，其低溫抗裂能力略低于全新料SMA-13瀝青混合料，由于南方主要以高溫多雨天氣為主，屬于冬溫區(qū)，亦滿足其技術(shù)要求，驗證了再生SMA-13瀝青混合料在路面上面層應(yīng)用的可行性。

表10 路用性能試驗結(jié)果Table 10 The test results of road performance試驗項目動穩(wěn)定度/(次·mm-1)殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強度比/%低溫破壞應(yīng)變/με析漏/%飛散損失/%全新料SMA-1311 98192.493.43 3840.053.0再生SMA-1311 25591.793.92 7570.033.8技術(shù)要求≥5 000≥85≥80≥2 500≤0.1≤15

6 廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料工程應(yīng)用

依托于佛山一環(huán)西拓舊路改造項目，在白金線右幅k38+260-k39+260上進行上面層廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料工程應(yīng)用。廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料在生產(chǎn)過程中主要對再生劑添加、RAP加熱溫度和拌合溫度等進行監(jiān)控，以保證其生產(chǎn)質(zhì)量；在施工過程中參考全新料SMA-13施工工藝，并將其攤鋪、碾壓溫度提高5 ℃～10 ℃，以保證其施工質(zhì)量。

6.1 再生劑添加

將再生劑噴灑裝置呈半圓形安裝在再生加熱滾筒與再生儲料倉連接處，見圖2，并根據(jù)RAP每1h進料量在操作系統(tǒng)中輸入相應(yīng)再生劑每1 h噴灑量，保證再生劑按所需摻量噴灑。RAP從再生加熱滾筒尾部落入再生儲料倉時再生劑均勻地噴灑在RAP表面，提高了再生劑與舊瀝青的接觸時間，使再生劑在RAP進入攪拌缸前能對舊瀝青具有初步的滲透融合再生作用，并能在一定程度上提高再生劑的有效利用率。再生劑泵送系統(tǒng)匹配的再生劑黏度范圍為300～500 cSt，由表6可得再生劑噴灑溫度采用50 ℃～60 ℃。

圖2 再生劑噴灑位置簡圖

6.2 RAP加熱溫度

RAP經(jīng)再生加熱滾筒加熱過程中舊瀝青存在二次老化現(xiàn)象，其加熱溫度不宜過高，過低則影響再生劑再生效果、新舊瀝青融合效果和混合料拌合溫度等，通過提高新料溫度來保持混合料拌合溫度，拌合過程中會加深瀝青的老化，見表11。當RAP的加熱溫度控制在140 ℃左右時，其舊瀝青二次老化比較輕微，亦可滿足再生劑、舊瀝青與新瀝青能充分混融，在礦料表面形成均勻的瀝青薄膜，保證拌合溫度。

表11 RAP加熱溫度試驗結(jié)果Table 11 The test results of RAP heating temperatureRAP加熱溫度/℃RAP中再生瀝青針入度/(0.1 mm)新料加熱溫度/℃混合料中瀝青針入度/(0.1 mm)混合料拌合溫度/℃12048230451404720546180～1851604419043

6.3 SMA-13再生路面效果

SMA-13再生路面基本不滲水，芯樣密實，見圖3，構(gòu)造深度基本處于1.0～1.1，見圖4與圖5，壓實度在99%以上，見圖6。綜上可得，SMA-13再生路面質(zhì)量優(yōu)異，廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料完全可應(yīng)用于路面上面層，可大范圍推廣應(yīng)用。

圖3 再生路面芯樣

圖4 再生路面構(gòu)造深度檢測

圖5 再生路面構(gòu)造深度檢測結(jié)果

圖6 再生路面壓實度檢測結(jié)果

6.4 經(jīng)濟效益分析

廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料生產(chǎn)成本、施工成本與全新料SMA-13瀝青混合料基本一致，其經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在材料成本上的減少，見表12，可節(jié)省材料成本70元/t。該示范路段共實施廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料1 500 t，回收RAP367.5 t，共節(jié)省材料成本10.5萬元，經(jīng)濟效益與社會效益顯著。

表12 經(jīng)濟效益分析Table 12 The analysis of economic benefit材料類型材料價格/(元·t-1)再生SMA-13/tSMA-13/t輝綠巖216.20.5270.726石灰?guī)r136.70.1040.123礦粉1600.0570.075RAP300.245—改性瀝青4 2800.047 10.057再生劑15 0000.000 9—水泥5000.0190.019成本/(元·t-1)—369.2439.2

7 總結(jié)

本文中對RAP 進行了性能分析，并對再生劑與其對舊瀝青再生效果、廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料配比設(shè)計、路用性能、工程應(yīng)用效果與其經(jīng)濟效益進行了研究，得到如下結(jié)論。

a.RAP中舊瀝青也嚴重老化，但其性能指標仍滿足再生的要求，具有很大的再生價值。

b.與全新料SMA-13瀝青混合料路用性能相比，2種混合料高溫性能與水穩(wěn)定性能基本接近，其低溫抗裂能力略低于全新料SMA-13瀝青混合料，由于南方主要以高溫多雨天氣為主，屬于冬溫區(qū)，亦滿足其技術(shù)要求，驗證了再生SMA-13瀝青混合料在路面上面層應(yīng)用的可行性。

c.重點介紹廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料生產(chǎn)過程中再生劑噴灑位置與溫度、RAP的加熱溫度和混合料拌合溫度。

d.依托于佛山一環(huán)西拓舊路改造項目，成功在白金線右幅k38+260～k39+260上進行了上面層廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料工程應(yīng)用，SMA-13再生路面質(zhì)量優(yōu)異。通過事實證明，廠拌熱再生SMA-13瀝青混合料完全可應(yīng)用于高等級路面上面層，經(jīng)濟效益與社會效益顯著，可大范圍推廣應(yīng)用。