2021-11-25
 
厂拌热再生SMA沥青混合料配合比设计及性能研究
2021年11月25日   阅读量:41300

摘 要

本文以两种RAP掺量的SMA-13再生沥青混合料为例,对厂拌热再生SMA-13的配合比设计过程及关键点进行详细说明,并通过室内试验对两种掺量的再生沥青混合料进行路用性能验证。试验结果表明,经过合理的配合比设计,30%、40%RAP掺量的再生沥青混合料路用性能均满足规范要求,可用于高速公路养护工程中。


关键词 厂拌热再生 | SMA再生混合料 | 配合比设计 | 路用性能

目前,江苏省大量的沥青路面已进入大、中修期,每年翻挖、铣刨下来的沥青路面材料(以下简称“RAP料”)达十万吨以上,如何再生利用这些资源是对推进公路循环经济发展的重大考验沥青网sinoasphalt.com。厂拌热再生是一种将铣刨的RAP料与新沥青、新集料掺配并重新拌合铺筑的技术,其施工工艺基本与新沥青路面相同。由于厂拌热再生技术适用性广,经过正确的设计及施工再生混合料性能通常能够相当于甚至优于传统的热拌沥青混合料,因此厂拌热再生技术具有广泛的应用前景。


然而,目前厂拌热再生技术主要应用于干线公路的养护工程,而在高速公路的养护方面应用较少,这与外界对于厂拌热再生沥青混合料低温性能等路用性能的担忧有关。厂拌热再生技术在高速公路养护工程中进行推广应用,必须要解决RAP掺量提高带来的再生沥青混合料混合料质量控制问题。本文从厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法出发,规范再生沥青混合料配合比设计流程,并对再生沥青混合料的路用性能进行验证,以论证该技术在高速公路养护工程中应用的可行性。

原材料

RAP料

配合比设计采用的RAP料为江苏宿淮盐高速使用年限达11年的上面层SMA-13铣刨料,通过破碎筛分分为0~5mm、5~12mm、12~22mm三档,RAP料的性能指标如表1所示。

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RAP料中的旧沥青有明显的老化现象,5℃下的延度基本为0,因此在RAP料掺入再生沥青混合料时需对旧沥青进行再生。在配合比设计时,需对RAP料进行级配及沥青含量的测定,试验结果如表2所示。

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在进行RAP料的级配及沥青含量测定时,应至少进行3次平行试验,RAP级配及沥青含量的波动性不可过大。

新沥青

新沥青采用江苏天诺沥青厂生产的SBS改性沥青,新沥青技术指标如表3所示。

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新集料

新集料采用玄武岩,集料粒径分别为5~10mm、10~15mm、0~3mm,粗细集料性能指标如表4、表5所示。

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再生剂

再生剂需与旧沥青具有良好的相容性,且具备一定恢复旧沥青的能力,本次设计选用的南京苏博特公司生产的RA-102型再生剂,技术指标如表6所示。

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填料及纤维

填料采用石灰岩矿粉,纤维为木质素纤维,其中填料技术指标如表7所示。

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RAP最大允许掺量的确定

再生沥青混合料的RAP掺量是决定再生沥青混合料经济社会效益的关键因素之一,实际确定RAP最大允许掺量时应考虑以下三个因素:旧沥青的可恢复性、再生沥青混合料的级配可调性及混合料出料温度。

旧沥青可恢复性

由上述中RAP的性能可知,RAP中旧沥青的5℃延度基本为零。因此,对于旧沥青的性能恢复的判断可通过延度的恢复程度来确定。制备再生沥青样品,再生剂掺量为2%、3%、4%,旧沥青掺量为30%、40%、50%,如图1所示。

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对不同掺量的再生沥青进行5℃延度性能验证,试验结果如表8所示。

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如表8所示,再生沥青的延度可以通过再生剂掺量提高而得到改善,在3%的再生剂掺量下,30%、40%旧沥青的掺量再生沥青的延度均满足要求;当再生剂掺量为4%时,50%掺量的再生沥青性能也可满足要求。因此,就旧沥青的可恢复程度而言,RAP掺量可达50%以上。

再生混合料级配可调性

为满足再生沥青混合料的级配要求,RAP掺量应满足以下公式(1)要求。

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为保证再生沥青混合料级配具有一定的可调性,Pi取目标级配某档的通过率时得出的RAP掺量为理论最大掺量。Pi以设计混合料类型级配下限在某档的通过率为准时确定的RAP掺量为推荐RAP最大掺量。以前文RAP料为例,目标混合料类型为SMA-13,12~22mm、5~12mm、0~5mm三档比例为3:5:2,根据级配可调性所确定的RAP掺量如表9所示。

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由表9可知,在满足再生沥青混合料目标级配的情况下,RAP最大掺量为55.8%;在保证再生沥青混合料级配有一定可调性的情况下,RAP的最大掺量为44.4%。

混合料出料温度控制

再生沥青混合料的最大掺量必须满足在该掺量下其混合料出料温度仍满足要求,否则RAP掺量应予以降低。再生混合料的出料温度与传统热拌混合料出料温度相当。为防止RAP进一步二次老化,各材料的推荐温度加热区间表如表10所示。

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当在某掺量下再生沥青混合料的各材料不在加热温度区间时,如RAP加热温度、集料加热温度过高时,建议降低RAP掺量。工程实践表明,在该温度区间内,RAP掺量一般不超过50%。

再生混合料配合比设计

考虑前文对于RAP掺量的分析,本文拟对30%、40%RAP掺量的再生沥青混合料进行配合比设计,混合料类型为SMA-13再生沥青混合料。再生沥青混合料的配合比设计流程与普通热拌混合料基本相同[6],但需考虑其中的RAP料带来的影响。本节拟对再生沥青混合料新沥青用量计算及混合料最大理论密度的计算方法进行研究,并确定混合料的最佳油石比。

新沥青用量确定

再生沥青混合料的胶结料包括RAP料中的旧沥青、新沥青、再生剂三部分,新沥青用量计算时需减去再生剂及旧沥青部分,新沥青用量的计算公式如(2)所示。

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混合料最大理论密度的确定

由于再生沥青混合料中所用沥青均为改性沥青,因此推荐采用计算法确定再生沥青混合料的最大理论密度,计算公式如公式(3)所示。

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由于再生沥青混合料中旧料经抽提回收后极易变得不亲水,因此直接测量集料密度会出现密度偏小的现象。旧集料粒径越小,密度偏小的趋势越明显。因此建议在对旧集料进行密度测量前进行充分洗涤处理,消除抽提回收对于测量带来的误差。

最佳油石比的确定

(1)混合料级配设计

再生沥青混合料级配设计中,其目标级配可根据SMA-13工程经验确定。根据目标级配组成,可调节各档新集料及RAP料的比例,使再生混合料级配与目标级配一致。为方便后续混合料性能对比,本文将统一旧料掺量30%与40%的再生沥青混合料的目标级配,目标级配如表11所示。

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目前级配确定后,两种RAP掺量下的各档材料比例如表12所示。

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(2)混合料马歇尔试验结果

参考普通热拌SMA-13沥青混合料的油石比约在6%左右,而本文所选再生沥青SMA-13沥青混合料级配偏粗,因此选取5.6%、5.8%、6.0%三组油石比进行混合料的制备。根据前文旧沥青性能恢复分析结果,再生剂掺量均设为3%。


SMA-13沥青混合料的最佳油石比只需选取空隙率为4%的沥青混合料即可,两种RAP掺量下再生沥青混合料的空隙率如表13所示。

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如表12所示,RAP掺量为30%与40%的再生沥青混合料的最佳油石比均为5.8%。目标设计级配相同时,尽管不同掺量的再生沥青混合料压实特性存在一定区别,但总体基本相当。


(3)混合料性能验证

在最佳油石比下,对沥青混合料的体积性能进行验证,结果如下:

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如表14所示,再生沥青混合料的性能均满足规范技术要求,本配合比设计方法设计效果良好。

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再生沥青混合料路用性能研究

在再生沥青混合料配合比设计的基础上,本文对两种RAP掺量的再生沥青混合料进行路用性能验证,主要验证性能包括高温性能、低温性能、水稳性能等,试验结果如表15所示。

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试验表明,再生沥青混合料的高温性能随RAP掺量的增加而提高,但低温性能与水稳性能均随RAP的增加而降低。但是总体而言,在30%、40%的RAP掺量下,再生沥青混合料的各项路用性能均能满足相关技术要求。RAP料经厂拌再生后已具有良好的路用性能,具备重新应用于高速公路工程中的性能条件。


结语

本文对两种不同RAP掺量的厂拌再生SMA-13沥青混合料进行配合比设计及性能验证,所得到的结论主要有以下几点:


(1)RAP掺量的确定需综合考虑旧沥青可恢复程度、再生混合料级配可调性、混合料出料温度三个因素,取三种因素对应极限掺量的最小值作为RAP最大允许掺量。


(2)再生SMA沥青混合料的配合比设计基本流程与普通热拌沥青混合料相同,但在新沥青用量与混合料最大理论密度的确定上存在差异。混合料最大理论密度推荐采用计算法,集料在密度测定前需经过充分洗涤处理。


(3)不同RAP掺量下的SMA再生沥青混合料压实特性相差不大,目标级配一定时,30%与40%RAP掺量的混合料最佳油石比一致,且空隙率相当。


(4)再生SMA沥青混合料的低温及水稳定性能随RAP掺量的提高而降低,但经过合理的配合比设计,40%掺量下的再生SMA沥青混合料路用性能可满足规范要求。

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