2023-04-20
 
RAP 沥青混合料混合热再生技术的应用
2023年04月20日   阅读量:145631

摘 要:

以郑州市某国省道干线公路大修工程为例,通过混合热再生技术的研究与应用,总结相关技术要点,倡导该技术在公路养护中的推广应用。结果表明:为了提高检测精度,将燃烧炉法改为脂质提取法(T0724—1993),检测结果的绝对误差可控制在 0.3%以内。含有再生沥青混合料(RAP)的试样比含有新团聚体的试样具有更高的模量,使用低渗透级的 30 号沥青黏结剂生产含 RAP 的高模量沥青混合料可行沥青网sinoasphalt.com。旧沥青渗透度在20(0.1 mm)以下的 RAP 材料,可在旧沥青严重老化后加入再生剂进行改性,但再生沥青仍然勉强满足要求,混合沥青渗透度可保持在 70(1/10 mm),马歇尔指数与新材料基本相同。不含再生剂的 RAP 混合料虽然马歇尔稳定性有所提高,但冻融劈裂强度大大降低,水稳定性过低,不适合用作高等级公路的路面材料。


关键词: 厂拌热回收;沥青混合料;沥青路面


2008 年,交通部颁布实施了《沥青路面回收利用技术规范》。国家“十二五”规划明确提出实施循环生产方式,要求“大力推进工业固体废物、建筑道路废物、农林废物的循环利用,工业固体废物综合利用率达到 72%”[1-3]。“十三五”规划对环境保护提出了更高要求。厂拌热再生技术利用旧沥青路面碾磨废料生产再生混合料,级配稳定,质量可控,性能基本符合新混合料标准,是一种绿色、经济、环保的公路养护技术[4-5]。


含有 RAP 的热拌沥青混合物的性能与用原始材料制成的混合物品质相近。国内文献研究包括从混合设计到含有 RAP 的沥青混合料性能等多个方面,并研究了在新沥青混合料中增加 RAP 含量的影响[6-7]。无论是在新路面建设还是现有路面修复中,高模量沥青混合料的应用越来越受到关注。高模量沥青混合料的研究始于法国,并在欧洲得到广泛应用。根据法国 NFP-140 标准,高模量沥青混合料在 15 ℃的试验条件下,一般要求动态模量在 14 000 MPa 以上[8-10]。因为 RAP 中的老化黏合剂类似于高模量沥青黏合剂,含有 RAP 的高模量沥青混合料经评估可节省材料资源、建筑成本和能源。研究表明,制备具有良好机械性能的高 RAP 含量的高模量沥青混合料,但需要注意抗热裂性和抗疲劳 性[11-13]。当控制剂量时,添加 RAP 不会损害高模量沥青混合料的机械性能。使用不高于 30%的 RAP可以获得良好的低温抗裂性和抗疲劳性,添加高模量剂可以减轻 RAP 对混合物的负面影响[14]。添加5%再生沥青瓦(RAS)和 25% RAP 可以显着提高动态模量值。然而,也有学者指出黏合剂和 RAP 来源之间存在差异,必须在逐个混合物的基础上进行评估,以确保混合物的性能[15-16]。


郑州市某国省道干线公路是双向 6 车道的沥青混凝土路面。该工程将在竣工 13 年后,开始对路面进行大修。道路大修计划是将原沥青路面碾压 13 cm,然后再铺回 18 cm 厚的沥青路面[17-18]。本文将再生 RAP 材料应用于该公路的沥青混凝土路面施工并考察了相关性能指标,为再生 RAP 材料推广应用提供参考。


1 材料与方法


1.1 RAP 材料

由于车辆在沥青路面上的反复装载以及碾磨和回收过程中的破碎,RAP 的级配与原沥青混合料的设计级配有显著差异。RAP 颗粒的团聚是影响再生混合物性能的最重要因素之一。本研究中 RAP 购自江苏公路工程养护有限公司,经进一步粉碎后进行试验。沥青提取后每种尺寸的 RAP 等级用于配合比设计。利用碾磨机对旧路面的 RAP 材料进行分层取样,并提取 RAP 材料中的沥青和集料进行试验,结果见表 1。表 1 以及本文所涉及各材料含量百分比皆为体积分数。


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RAP 材料中的沥青含量较高。除软化点外,三大沥青指标均不符合要求,表明沥青老化程度严重,但最大粒径和砂当量可满足要求。因此,为了有效利用 RAP 材料,在采用全厚度磨矿法回收 RAP 材料时,必须先对 RAP 材料进行粉碎筛分,然后再进行工厂混合热再生。


1.2 新沥青


RAP 材料中的沥青老化较严重,新加入的沥青应为高档沥青。结合大修工程特点,新沥青应选用A 级 90#沥青。通过新老沥青混合比试验,当新沥青占混合沥青总量的 20%~28%时,混合沥青达到 A级 70#沥青指标要求。


1.3 新骨料


对于骨料级配,采用 EME 方法控制临界筛尺寸。图 1 显示了我国 AC-20(致密级配沥青混凝 土- 20)的推荐级配带和法国 EME-20 的控制点。图 1 中 EME-20 总体上优于 AC-20。EME-20 的控制点位于 AC-20 的上渐变带和中渐变带之间。可以根据 AC-20 推荐的渐变生成组合渐变,该渐变也将满足 EME-20 控制点。考虑到我国一般采用中位级配作为设计级配,而 AC-20 中位一般满足EME-20 级配控制点的要求,本研究选择 AC-20 中位级作为设计级配。使用传统和改进的再生方法制备具有 20%、40%、60% 和 70% 不同 RAP 含量的样品,进行测试以评估最佳 RAP 含量并验证混合顺序的效果。


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1.4 再生剂


参照中国法规对再生剂技术指标的要求,本项目选用 FENICE-9 型再生剂,技术指标如表 2 所示。


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1.5 工厂混合热再生设备


常用的拌沥青路面回收设备一般有 3 种类型,即连续热拌、间接热拌和平行热拌。由于项目规模较大,为保证生产效率和工程质量,选用 ACP-4000并联加热搅拌设备。


2 结果与讨论


2.1 老化沥青的提取方法


为了获得 RAP 材料中的沥青,最初采用的是离心分离法(T0727—2011),但该试验方法获得的提取 物 浓 度 很 低 。优 化 后 , 采 用 回 流 提 取 法 (T 0727—1993)获得较高浓度的提取物。用离心机去除提取物中的矿物质,采用旋转蒸发法去除溶剂(三氯乙烯),得到老化沥青。


2.2 再生剂用量


根据老化沥青的渗透性,在老化沥青中加入一定量的再生剂,测定了沥青的渗透性。然后根据“再生剂剂量-渗透半对数关系表”计算出合适的再生剂用量,并根据计算结果进行剂量的增减。然后对再生沥青的贯入度、延性、软化点等指标进行反复测试,使各项指标均达到规范要求。本文再生沥青混合料采用 A 级 70#沥青,再生沥青渗透度需调整至70(+0.1 mm),对比数据见表 3。


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2.3 再生 RAP 混合物分析


再生 RAP 混合料配合比设计的关键指标是沥青含量、矿物级配和理论最大相对密度[19]。理论最大相对密度由真空法(T0711—2011)确定,沥青含量和矿物级配是根据离心分离法(T0722—1993)进行的,但考虑到实际操作过程中矿粉回收困难,采用燃烧炉法进行测量。经过多次试验,发现矿物级配的偏差在 1%~3%,沥青含量的相对误差在0.05% ~ 0.03%范围内波动。为了提高检测精度,将燃烧炉法改为脂质提取法(T0724—1993),检测结果的绝对误差控制在 0.3%以内。


2.4 动态模量


对 RAP 值分别为 0、40%和 60%的试件进行动态模量测试,每个RAP百分比制备和测试4个样品。在 15 ℃、10 Hz 下的平均测试结果见表 4。在 15 ℃、10 Hz 时的动态模量远远高于法国 NFP-140 标准定义的 14 000 MPa。含有 RAP 的试样比含有所有新团聚体的试样具有更高的模量[20]。这表明,使用低渗透级的 30 号沥青黏结剂生产含 RAP 的高模量沥青混合料是可行的。


图 2 显示了具有不同 RAP 含量的试样在15 ℃参考温度下的动态模量。在高温下,原始混合料的模量低于含有 RAP 的混合料,而在低温下差异不大。这表明添加 RAP 增加了混合物在高温下的动态模量。对于 40% RAP 混合物,改进方法在低温下产生的模量低于传统方法,而在高温下差异不明显。改进方法阻碍了 40% RAP 的低温模量增加,降低了混合物的温度敏感性。然而,对于 60% RAP混合物,改进的方法在低温下比传统方法产生更高的模量,而在高温下比传统方法略低。这表明随着RAP 含量的增加,修改混合顺序的效果降低。随着RAP 含量的增加,骨料级配的方差增加,这将对混合料性能产生负面影响。


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2.5 再生 RAP 混合物配合比设计


在进行 RAP 混合骨料级配试验后,可通过目标配合比设计和 Marshal 试验确定再生混合料的标准配合比、最佳油石比和生产配合比。沥青用量应为新沥青、旧沥青和再生剂的总量。通过本项目多套室内试配试验,最终确定了 2 种再生率混合比,分别为 20%和 50%。测试数据如表 5 所示。


试验数据表明,添加新沥青但未添加再生剂的混合沥青的渗透率显着下降。添加再生剂后,混合沥青的渗透度可保持在 70(1/10 mm)左右。添加再生剂的 RAP 混合物的马歇尔指数与新材料基本相同。不含再生剂的 RAP 混合料虽然马歇尔稳定性有所提高,但冻融劈裂强度大大降低,水稳定性过低,不适合用作高等级公路的路面材料。

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3 结束语

混合热再生技术是一种绿色、经济、环保的公路养护技术,再生 RAP 材料可以满足新拌沥青材料的技术要求。本文主要得到以下结论:

1)经过多次试验,发现矿物级配的偏差在 1% ~3%,沥青含量的相对误差在 0.05%~0.03%范围内波动。为了提高检测精度,将燃烧炉法改为脂质提取法(T0724—1993),检测结果的绝对误差控制在 0.3%以内。

2)含有 RAP 的试样比含有所有新团聚体的试样具有更高的模量。使用低渗透级的 30 号沥青黏结剂生产含 RAP 的高模量沥青混合料可行。旧沥青针入度在 20(0.1 mm)以下的 RAP 材料,虽然可以在旧沥青严重老化后加入再生剂进行改性,但再生沥青仍然勉强满足要求。

3)添加再生剂后,混合沥青的渗透度可保持在70(1/10 mm)。添加再生剂的 RAP 混合物的马歇尔指数与新材料基本相同。不含再生剂的 RAP 混合料虽然马歇尔稳定性有所提高,但冻融劈裂强度大大降低,水稳定性过低,不适合用作高等级公路的路面材料。


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本文首发于《当代化工》。原创作者:李红英 1,周建国 2,1. 郑州市公路事业发展中心,河南 郑州 450052;2. 西安建筑科技大学材料科学与工程学院,陕西 西安 710200。

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