瀝青路面回收料結(jié)團(tuán)特性的評價指標(biāo)

杜 茜，李曉琴，秦敬平，詹 賀

(1.棗莊學(xué)院 城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

結(jié)團(tuán)性和變異性是瀝青混合回收料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的兩大主要特性，再生瀝青混合料的性能在很大程度上受RAP變異性的影響[1]。RAP結(jié)團(tuán)導(dǎo)致材料的變異性增加，降低再生瀝青混合料的RAP摻量。研究表明，RAP結(jié)團(tuán)會造成RAP假粒徑嚴(yán)重、級配變異性大，進(jìn)而產(chǎn)生高摻量RAP再生級配不穩(wěn)定問題，增大了熱再生混合料組成設(shè)計(jì)的難度。當(dāng)使用較高含量的RAP時，新舊瀝青的相容性降低，RAP材料的變異性增加[2]。RAP的變異性受原路面交通荷載、不同路面瀝青老化程度、材料組成、級配特性、銑刨設(shè)備、銑刨溫度、路面濕度和路面層數(shù)等諸多因素的影響[3-5]。舊瀝青路面經(jīng)過銑刨后，老化瀝青砂漿附著在RAP集料表面，導(dǎo)致大量含有老化瀝青、礦粉和細(xì)集料的顆粒聚集形成RAP團(tuán)粒。RAP結(jié)團(tuán)不僅會增加再生瀝青混合料的變異性，還會降低混合料的低溫性能、疲勞性能和水穩(wěn)定性[6-7]。

在RAP材料的結(jié)團(tuán)特性評價方法研究方面，文獻(xiàn)[8-9]提出了抽提損失率(PL)和穩(wěn)定指數(shù)(w)來定量評價RAP的結(jié)團(tuán)和穩(wěn)定程度，并采用集料圖像測量系統(tǒng)(AIMS)建立了RAP表觀形貌與結(jié)團(tuán)程度的關(guān)系，研究表明棱角度和球度可以有效反映RAP的結(jié)團(tuán)程度。Bressi等[10-11]采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)、環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)和能量色散X射線光譜儀(EDX)驗(yàn)證了再生瀝青混合料中RAP的結(jié)團(tuán)特征，分析了溫度對RAP結(jié)團(tuán)程度的影響，認(rèn)為復(fù)數(shù)模量指標(biāo)可以用來研究RAP的結(jié)團(tuán)程度。Zaumanis等[12]提出了塊指數(shù)、分解指數(shù)和填料增加指數(shù)3個指標(biāo)來評估RAP的破碎和篩分效果，通過實(shí)體工程驗(yàn)證了所提評價指標(biāo)在RAP評價領(lǐng)域的應(yīng)用價值。然而這些RAP評價方法并未在國內(nèi)普及，仍以經(jīng)驗(yàn)性為主評價RAP材料的結(jié)團(tuán)程度。

針對現(xiàn)有RAP結(jié)團(tuán)程度評價指標(biāo)缺乏、評價方法可靠度不高、無法在實(shí)際工程生產(chǎn)中快速應(yīng)用的難題，基于不同粒徑RAP的抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果，采用結(jié)團(tuán)顆粒比表面積、RAP抽提細(xì)化度、細(xì)度模數(shù)比、結(jié)團(tuán)率等指標(biāo)綜合評價RAP結(jié)團(tuán)程度，并分析各個指標(biāo)的適用性，以期為RAP的破碎篩分效果評價提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

考慮不同因素對RAP結(jié)團(tuán)程度的影響，包括RAP來源、級配類型和銑刨速度等因素，對不同類型RAP進(jìn)行編號，分別記為RAP 1#、RAP 2#、RAP 3#、RAP 4#，原材料具體信息見表1。其中RAP 1#、RAP 2#分別對應(yīng)不同的加工工藝，RAP 3#、RAP 4#為不同級配類型、不同銑刨速度的RAP料。

表1 不同來源的RAP原材料信息

1.2 試驗(yàn)方法

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011中T2705試驗(yàn)方法對RAP材料進(jìn)行抽提篩分試驗(yàn)，RAP抽提前后的級配通過率見表1。

2 結(jié)果與討論

鑒于目前RAP結(jié)團(tuán)試驗(yàn)過程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本高，評價方法不能較好普及的問題，采用級配細(xì)化度、結(jié)團(tuán)率、細(xì)度模數(shù)比等指標(biāo)定量評價各檔RAP的結(jié)團(tuán)程度。這3個指標(biāo)是表征顆粒材料基本組成的指標(biāo)，較為清晰反映RAP結(jié)團(tuán)顆粒的組成狀態(tài)，可量化RAP的結(jié)團(tuán)率。通過分析各個評價指標(biāo)的適用性，構(gòu)建了RAP結(jié)團(tuán)綜合評價體系。

2.1 RAP抽提細(xì)化度

RAP 1#抽提前后的級配通過率如圖1所示。由圖1可知抽提前RAP的級配整體偏粗，已偏離SMA-13瀝青混合料的級配范圍。抽提后的RAP集料雖發(fā)生明顯的細(xì)化作用，但仍靠近SMA-13的級配曲線上下限，具有較強(qiáng)的可回收利用價值。

圖1 RAP 1#抽提前后集料通過率

針對RAP抽提后級配細(xì)化的現(xiàn)象，采用RAP抽提細(xì)化度表征RAP的整體細(xì)化程度。RAP抽提細(xì)化度定義為RAP抽提前后級配曲線所圍成的面積之和。在同等粒徑范圍對比條件下，不同RAP抽提前后圍成的面積ds越大，表明RAP的結(jié)團(tuán)程度越大。相應(yīng)的計(jì)算式為：

(1)

式中：ds為RAP抽提細(xì)化度；αi為篩孔權(quán)重，篩孔邊長為4.75、2.36和0.075 mm取2.0，其余篩孔邊長取1.0；PDi為RAP抽提前，在第i檔的級配通過率，%；Pdi為RAP抽提后，在第i檔的級配通過率，%；PDi-1為RAP抽提前，在第i-1檔的級配通過率，%；Pdi-1為RAP抽提后，在第i-1檔的級配通過率，%。

采用式(1)計(jì)算四種RAP料的抽提前后細(xì)化度，結(jié)果見表2。

表2 四種RAP料抽提細(xì)化度

從表2可以看出，不同RAP料的抽提細(xì)化度存在較大差異。從SMA-13混合料來看，除了RAP 2#以外，RAP 1#、RAP 3#的抽提細(xì)化度均在270～300，表明不同來源RAP料的結(jié)團(tuán)程度存在差異，在存儲堆放過程中將會引起RAP整體變異性的增加。AC-20的抽提細(xì)化度在240～270，說明級配細(xì)化程度低于SMA-13。這與AC、SMA的級配組成和粒徑密切相關(guān)，SMA-13瀝青混合料具有粗集料、礦粉和瀝青含量多的特點(diǎn)，冷銑刨后部分瀝青膠漿結(jié)團(tuán)顆粒緊密黏附在粗集料表面，引起抽提細(xì)化度偏大。

從不同銑刨速度的RAP抽提細(xì)化度來看，隨著銑刨速度的增加，RAP的抽提細(xì)化度增加，這說明冷銑刨速度對RAP的結(jié)團(tuán)程度具有一定的影響，結(jié)團(tuán)程度隨銑刨速度的加快而增加。此外，已有研究表明，冷銑刨速度增加，原路面集料的細(xì)化程度越大，因此根據(jù)RAP級配細(xì)化度的試驗(yàn)結(jié)果，建議通過控制合適的銑刨速度來降低RAP的結(jié)團(tuán)程度和細(xì)化程度[13]。

RAP 1#和RAP 2#分成三檔后，各檔RAP的級配細(xì)化度均降低，RAP 2#中各檔RAP的級配細(xì)化度均低于RAP 1#，說明RAP 2#材料的結(jié)團(tuán)程度整體偏低。相比于分檔前的RAP，分檔后不同粒徑的RAP在抽提前后所圍成的面積較小，導(dǎo)致各檔RAP的抽提細(xì)化度普遍偏低。RAP抽提細(xì)化度隨集料粒徑的降低而下降，意味著粒徑較小的RAP料結(jié)團(tuán)程度較低。該指標(biāo)不適用于評價同一來源的不同粒徑RAP的結(jié)團(tuán)程度，僅適用于對比不同來源相同粒徑范圍RAP的結(jié)團(tuán)程度。

2.2 細(xì)度模數(shù)比

細(xì)度模數(shù)通常應(yīng)用于水泥混凝土中，用以評價砂的粗細(xì)程度，根據(jù)細(xì)度模數(shù)計(jì)算結(jié)果可將砂分為粗砂、中砂和細(xì)砂三類[6]。與RAP抽提細(xì)化度的概念相類似，認(rèn)為RAP在抽提后發(fā)生了細(xì)化。根據(jù)RAP抽提前后的級配曲線分別計(jì)算出RAP和RAP集料的細(xì)度模數(shù)，采用RAP抽提前后的細(xì)度模數(shù)比(FMR)來定量評價RAP的結(jié)團(tuán)程度[13-15]。

細(xì)度模數(shù)的表達(dá)式為：

(2)

FMR=fA/fR

(3)

式中：f為細(xì)度模數(shù)；fA為RAP抽提后集料的細(xì)度模數(shù)；fR為RAP的細(xì)度模數(shù)；U1、U2、U3，……為各篩孔的累計(jì)篩余百分?jǐn)?shù)，U1為最大的篩孔；FMR為細(xì)度模數(shù)比。

細(xì)度模數(shù)的物理意義為在RAP的粒徑范圍內(nèi)各個篩孔的累計(jì)篩余平均值，細(xì)度模數(shù)f越大表明RAP越粗，越小則表明越細(xì)。一般來說，RAP的整體級配偏粗，細(xì)度模數(shù)要高于RAP集料。FMR的范圍為0～1，F(xiàn)MR越接近1，表明抽提前后兩個級配的差異較小，RAP的結(jié)團(tuán)程度越低；如果FMR越靠近0，則表明RAP的結(jié)團(tuán)程度較大。選取與2.1節(jié)中相同的原材料計(jì)算細(xì)度模數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 不同RAP的細(xì)度模數(shù)

從表3可以看出，RAP 1#和RAP 2#經(jīng)過分檔后，F(xiàn)MR均有所增加，這意味著分檔在一定程度上降低了RAP的結(jié)團(tuán)程度。從不同粒徑的RAP細(xì)度模數(shù)比結(jié)果來看，基本遵循RAP粒徑增加，細(xì)度模數(shù)比下降，結(jié)團(tuán)率降低的趨勢。

凌宏杰等[6]根據(jù)不同RAP細(xì)度模數(shù)比的試驗(yàn)結(jié)果，提出了高速公路就地冷再生用RAP的最小細(xì)度模數(shù)比為0.75，當(dāng)RAP的FMR低于0.75時，則意味著RAP的結(jié)團(tuán)程度較大，需要進(jìn)行二次破碎篩分處理。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所有未進(jìn)行破碎篩分RAP的FMR均低于0.75，說明未經(jīng)破碎篩分處理的RAP均具有較大的結(jié)團(tuán)程度，需要經(jīng)二次破碎處理后方可進(jìn)行使用。

細(xì)度模數(shù)指標(biāo)可以反映各檔RAP粗料的結(jié)團(tuán)程度，不適宜評價RAP細(xì)料的結(jié)團(tuán)程度，RAP細(xì)料大多是由瀝青膠砂包裹的細(xì)集料和礦粉組成，其結(jié)團(tuán)程度均較大。RAP細(xì)料的粒徑范圍較窄，計(jì)算細(xì)度模數(shù)值比RAP粗料偏小，導(dǎo)致RAP抽提前后細(xì)度模數(shù)相差不大。該指標(biāo)認(rèn)為RAP細(xì)料的FMR偏大，結(jié)團(tuán)程度較小，與實(shí)際情況相反。但是，可以將細(xì)度模數(shù)比FMR作為銑刨后RAP料是否需要進(jìn)行破碎篩分的控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)RAP的FMR低于規(guī)定的臨界值時，需要采取措施降低RAP的結(jié)團(tuán)程度。

2.3 結(jié)團(tuán)率

采用結(jié)團(tuán)率定量分析RAP的結(jié)團(tuán)程度，RAP結(jié)團(tuán)率L是指每檔RAP在抽提前后的通過率損失率，計(jì)算為：

L=PRAP-PRAP

(4)

式中：L為RAP結(jié)團(tuán)率；PRAP為RAP集料的通過率；PRAP為RAP的通過率。通過率損失率越大，說明RAP材料結(jié)團(tuán)情況越嚴(yán)重。

2.3.1 RAP結(jié)團(tuán)顆粒組成

為了解RAP的結(jié)團(tuán)特性，將RAP 1#和RAP 2#分為5組不同粒徑的樣品：16～13.2、13.2～9.5、9.5～4.75、4.75～2.36和2.36～1.18 mm。各檔RAP集料的通過率見圖2。

圖2 不同粒徑RAP集料級配通過率

從圖2可以看出，RAP的通過率總是在其粒徑小一檔或者兩檔處發(fā)生較大變化，這意味著某一篩孔處RAP結(jié)團(tuán)是由下一篩孔或者兩檔較細(xì)篩孔粒徑的集料結(jié)團(tuán)造成的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)論，計(jì)算RAP集料相鄰兩個篩孔通過率的差值，相鄰篩孔通過率差值越大，并且差值大的篩孔數(shù)量越多，表明RAP的結(jié)團(tuán)主要是由該篩孔處的集料團(tuán)聚引起。圖3列出了不同粒徑RAP在各個篩孔處的通過率差值，當(dāng)RAP的粒徑高于4.75 mm時，小于其粒徑的兩檔集料通過率變化較大；當(dāng)RAP粒徑低于4.75 mm時，小于其粒徑的三檔集料的通過率變化較大，說明影響RAP細(xì)料結(jié)團(tuán)的粒徑較多，這可能是引起RAP細(xì)料變異性增加的主要原因。

圖3 不同粒徑RAP集料相鄰級配通過率差值

將不同粒徑RAP相鄰級配通過率的差值與較小的篩孔進(jìn)行指數(shù)擬合，見圖4，擬合參數(shù)見表4。

圖4 不同粒徑RAP集料相鄰級配通過率差值-集料粒徑指數(shù)擬合

表4 指數(shù)擬合函數(shù)的相關(guān)參數(shù)

由表4可以看出，除了RAP 1#的4.75～2.36 mm和2.36～1.18 mm將不同粒徑RAP相鄰級配通過率的差值與較小的篩孔的指數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)較低以外，其余擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.85以上，具有較好的相關(guān)性，說明提出的RAP結(jié)團(tuán)是由小于其粒徑兩檔或兩檔以上集料團(tuán)聚引起的結(jié)論是合理的。相關(guān)系數(shù)較低的RAP分界線在粒徑為4.75 mm處，當(dāng)粒徑大于4.75 mm時，通過率差值與篩孔尺寸具有較好的相關(guān)關(guān)系，說明RAP粗料的結(jié)團(tuán)顆粒組成較為單一，結(jié)團(tuán)顆粒主要是由低于其兩檔粒徑的集料組成。然而RAP粒徑小于4.75 mm時，結(jié)團(tuán)顆粒組成較為復(fù)雜，結(jié)團(tuán)顆粒主要是由低于其兩檔甚至三檔粒徑的集料和礦粉組成，其變異程度受多因素影響。由此可以得到RAP粗料和RAP細(xì)料的結(jié)團(tuán)組成成分不同，為了盡量保證再生瀝青混合料的均勻性，建議以4.75 mm為臨界點(diǎn)，將RAP粗料和RAP細(xì)料分開使用。

2.3.2 各檔RAP的結(jié)團(tuán)率

篩分后的RAP在13.2、9.5、4.75、2.36和1.18 mm等篩孔處的通過率為0，將各檔RAP進(jìn)行抽提篩分測定級配通過率和油石比，抽提后RAP集料在上述篩孔處的通過率即為該檔RAP的結(jié)團(tuán)率。根據(jù)式(4)計(jì)算得到不同粒徑RAP的結(jié)團(tuán)率見圖5，RAP結(jié)團(tuán)率指標(biāo)可以直觀反映RAP結(jié)團(tuán)主要集中的粒徑范圍。粒徑范圍低于4.75 mmRAP細(xì)料的結(jié)團(tuán)程度均較高，驗(yàn)證了將4.75 mm作為RAP分級的臨界篩孔是合理的。

圖5 不同粒徑RAP的結(jié)團(tuán)率

結(jié)團(tuán)率不僅可以定量評價某檔、某粒徑范圍RAP的結(jié)團(tuán)程度，而且試驗(yàn)操作較為便捷，評價結(jié)果準(zhǔn)確高效?？梢詮牟煌瑱n位RAP結(jié)團(tuán)程度均衡化調(diào)整各檔RAP的摻配比例。

2.4 RAP結(jié)團(tuán)程度評價方法總結(jié)

以上試驗(yàn)方法均是基于抽提篩分試驗(yàn)進(jìn)行的，各個方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，但在一定范圍內(nèi)可以評價RAP的結(jié)團(tuán)特性，適用性總結(jié)見表5。

表5 RAP結(jié)團(tuán)程度評價方法適用性匯總

根據(jù)以上的分析，提出RAP結(jié)團(tuán)特性評價的流程圖如圖6所示。

圖6 RAP結(jié)團(tuán)特性評價流程圖

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有瀝青路面回收料結(jié)團(tuán)程度評價指標(biāo)缺乏、評價方法可靠度不高、無法在實(shí)際工程中有效應(yīng)用的難題，基于不同粒徑RAP的抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果，采用RAP抽提細(xì)化度、細(xì)度模數(shù)比、結(jié)團(tuán)率3個指標(biāo)綜合評價了RAP結(jié)團(tuán)程度，得出以下結(jié)論。

(1)提出了集RAP抽提細(xì)化度、細(xì)度模數(shù)比FMR、結(jié)團(tuán)率為一體的RAP結(jié)團(tuán)程度評價方法，即采用RAP抽提細(xì)化度、細(xì)度模數(shù)比FMR、結(jié)團(tuán)率指標(biāo)等方法評價了RAP的結(jié)團(tuán)程度，結(jié)果表明各個方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，但可以在一定級配范圍內(nèi)評價RAP的結(jié)團(tuán)特性；

(2)RAP的結(jié)團(tuán)程度隨粒徑的增大而降低，通過降低銑刨速度有利于降低RAP的結(jié)團(tuán)率；

(3)建議將4.75 mm作為RAP粗細(xì)分級的臨界篩孔，采用細(xì)度模數(shù)比作為初始RAP進(jìn)行破碎篩分的依據(jù)，采用結(jié)團(tuán)率評價各檔RAP的結(jié)團(tuán)程度。