0 前言

我国高等级公路绝大部分采用沥青路面结构, 随着使用时间的增加, 会出现功能性病害和结构性病害。全国范围内路面大修每年将产生数万吨的废旧沥青混合料^[1-3], 一方面, 废旧沥青混合料的堆放需要占用大量的土地资源, 而且容易造成严重的环境污染^[4-5]; 另一方面, 很多地区适用于铺设高等级沥青路面的玄武岩、辉绿岩、安山岩等石料为稀缺资源, 存在着过度开发问题^[6-7]。沥青路面再生技术通过重复利用废旧沥青混合料(主要为矿料和沥青)达到节约资源和保护生态环境的目的。因此, 国外包括美国、西欧、日本等发达国家很早就开始了沥青路面再生技术研究, 旧沥青路面材料的再生利用率已达75%~100%, 以厂拌热再生技术应用最为普遍^[8-9]。国内随着环保、可持续发展等理念的持续影响, 厂拌热再生沥青混合料的应用也越来越广泛^[10-13]。

厂拌热再生沥青混合料一般由质量比例为20%~30%的回收沥青路面材料(reclaimded asphalt pavement, RAP)与新沥青、新矿料等组成^[14-15]。受到现有技术条件限制, 再生过程中新旧沥青的混融状态、作用机理一直存在较大争议, 国内外研究人员利用傅里叶红外电镜、掺加荧光粉剂、“当量直径”等方法进行了持续研究^[16-18], 但热再生过程中新旧矿料的迁移变化尚未引起足够重视。马涛等人^[19]设计了室内拌和筛分试验, 评价了不同条件下现场热再生沥青混合料的级配变化。工程实践表明，RAP中的粗细矿料颗粒通过旧沥青紧密粘结、裹覆在一起, 在拌和过程中, RAP中被沥青裹覆的细颗粒旧矿料与粗颗粒旧矿料无法完全脱离, 亦无法与新矿料均匀拌和, 使得热再生沥青混合料的实际矿料级配出现波动, 与预期的设计级配不符。该结果会导致成型的热再生沥青路面密实度较差, 渗水系数偏大, 容易出现早期病害, 进而影响道路的使用寿命^[20-21]。

本研究设计了一种测定与分析热再生过程中RAP中旧矿料颗粒运动变化的试验方法, 并通过试验分析了RAP掺量、拌和时间、沥青用量等条件下不同粒径旧矿料颗粒的迁移状态与迁移规律。

1 试验方法设计

准确测定拌和过程中RAP中不同粒径旧矿料颗粒的状态变化, 需要解决以下三个关键问题:

首先, 需要明确拌和之前RAP中不同粒径矿料的分布, 即矿料级配。由于来源较为复杂, 不同路段、铣刨工艺、层位、加工方式等生产的RAP的矿料级配、沥青含量会有很大不同^[22-23], 如何制备性状均匀或相近的RAP料是关键问题之一。

其次, 热再生混合料使用的新矿料和RAP中的旧矿料性质十分接近, 新旧矿料一旦经加热、充分拌和制成热再生沥青混合料后, 新旧矿料无法区分, 更加难以分离, 使得观察和测定旧矿料颗粒拌和前后的状态难以实现, 因此, 需要找出快速、准确分离新旧矿料的方法。

最后, 测定RAP中旧矿料颗粒拌和前后的迁移变化, 需要分析RAP中旧矿料颗粒在热再生过程中的迁移状态与普通矿料颗粒在沥青混合料拌和过程中的状态差异, 并提出相关的评价指标。

为解决上述问题, 本研究在大量室内试验的基础上, 设计了一种新的试验方法, 基本技术方案如下:

(1) 使用同一批次、相同标号的沥青与相同材质、固定合成级配的矿料, 利用室内拌和机拌制沥青混合料, 并按照T0734-2000热拌沥青混合料加速老化方法对其进行老化, 作为RAP料使用。

(2) 采用磁铁矿集料作为新集料, 磁铁矿集料是由磁铁矿石经破碎、筛分制成, 具有极强的磁性, 可被磁铁吸引。将RAP、新集料、新沥青加入拌和锅中进行充分拌和、再生, 待再生沥青混合料冷却后, 可用磁铁将裹敷沥青、粘结旧矿料颗粒的新集料与旧矿料分离。

(3) 经抽提、筛分(也可采用燃烧炉法), 可测定粘结在新集料表面的旧矿料颗粒(即从RAP中脱离并迁移至新矿料表面的旧矿料)的规格与质量m_i1。

(4) 将与上述步骤相同质量的新集料、制备RAP的矿料与沥青、新沥青加入拌和锅进行充分拌和, 待冷却后, 再利用磁铁分离出新集料, 经抽提、筛分(也可采用燃烧炉法), 测定粘结在新集料表面的矿料颗粒规格与质量m_i2。

(5) 由于在普通沥青混合料拌和过程中, 先将不同规格矿料拌和均匀后, 再加入沥青拌和, 粗集料表面粘结细颗粒矿料的状态可视为理想的基准分布状态, 不同规格细颗粒矿料的质量为基准值, 则评价热再生过程中不同规格细颗粒旧矿料的迁移程度可用λ_i表示, 则

$ {\lambda _i} = \frac{{{m_{i1}}}}{{{m_{i2}}}} \times 100\% 。$

(1)

2 试验 2.1 试验材料

试验沥青采用齐鲁牌70#道路石油沥青, 制备RAP料采用的集料为石灰岩机制砂, 矿粉填料为石灰岩磨细矿粉。

(1) RAP的模拟制备

考虑实体工程中RAP的级配特点, 确定室内RAP的合成级配, 如表 1所示。

为合理确定沥青用量, 以矿料的油膜厚度(沥青膜有效厚度)为指标, 计算拌制RAP所需的沥青质量。先测定和计算矿料的合成毛体积密度ρ_sb, 按照式(2)计算矿料的比表面积^[23],

$ {\rm{SA}} = {\rm{F}}{{\rm{A}}_i} \times {P_i}。$

(2)

式中:SA为集料的比表面积, m²/kg; FA_i为各种粒径集料的表面积系数^[23]; P_i为各种粒径的通过百分率, %。

再以预估RAP的最佳沥青用量拌制混合料, 用真空法测定其最大理论密度ρ_t, 计算矿料的合成有效密度ρ_se、有效沥青含量P_be, 计算拌制RAP需加入的沥青质量

$ {m_{\rm{b}}} = \frac{{{\rm{DA}} \times {\rm{SA}} \times {\rho _{\rm{b}}}}}{{{\omega _{{\rm{be}}}}}} \cdot {m_{\rm{s}}}, $

(3)

式中: DA为集料的比表面积, m²/kg; DA为沥青膜有效厚度, μm; ρ_b为沥青密度(25 ℃/25 ℃); ω_be为有效沥青的质量分数, %; m_s为矿料质量, kg。

以油膜厚度为6 μm计算沥青用量, 拌制沥青混合料后, 按照规范的规定进行长期老化, 老化后即可得到室内模拟制备的RAP料(见图 1)。对RAP料进行抽提试验, 利用旋转蒸发器回收沥青, 测定其技术指标, 老化前后沥青的技术指标检测结果如表 2所示。

(2) 新集料

新集料选取安徽铜陵地区某磁铁矿石母材, 经破碎、筛分后得到的磁铁矿集料(如图 2所示), 规格为4.75~9.5 mm, 经试验检测, 磁铁矿集料的各项技术指标(如表 3所示)均符合部颁规范中规定的沥青面层用粗集料质量要求; 相比普通集料, 其密度较大, 且具有强度高、质地坚硬、耐磨耗等特点^[24-25], 磁铁矿集料可以被永久磁铁吸引。为消除集料表面粘附粉尘等的影响, 先进行水洗后烘干。

(3) 新沥青

拌制热再生沥青混合料过程中, 还需要加入部分新沥青, 其规格同上。依据式(2)(3), 按照所有矿料(旧矿料与新集料)油膜厚度为8 μm计算沥青的总质量, 扣除RAP中已加入的沥青质量, 即可得出拌和过程中需要加入的新沥青质量。

2.2 试验方案

为分析不同因素对旧矿料颗粒迁移状态的影响, 选择RAP掺量、拌和时间、沥青用量3个影响因素, 设置不同的因素水平, 具体如表 4所示。在不同试验条件下分别制备热再生沥青混合料、普通沥青混合料, 测定其相关指标。

2.3 试验过程

试验过程主要包括以下测试步骤:

(1) 按照2 000 g左右沥青混合料的总质量, 计算RAP、新集料、沥青等质量并称取矿料; 将RAP料放入烘箱中(温度设定为110~120 ℃)加热, 新集料(磁铁矿集料)在(170±5)℃烘箱中加热。

(2) 将新集料、RAP料倒入拌锅中拌和90 s, 再加入沥青拌和90 s, 累计拌和时间为180 s, 拌和温度为150 ℃。其他拌和时间条件下, 加入沥青前后的拌和时间均为总时间的1/2。

(3) 把再生沥青混合料倒入铁盘中, 待冷却至70 ℃时, 将其分散并用磁铁迅速将裹敷沥青的新集料吸出(如图 3所示), 与其他矿料分离。

(4) 对新集料进行抽提试验, 分离出矿料与沥青, 测定不同规格矿料的质量m_i1。

(5) 按照上述条件, 制作第二份试样进行平行试验, 取其平均值作为试验结果。

(6) 按照热再生沥青混合料的配比制作普通沥青混合料, 计算集料、矿粉及沥青的质量, 备料。将集料、沥青加入拌和锅中拌和90 s, 再加入矿粉拌和90 s, 累计拌和时间为180 s, 拌和温度为150 ℃。其他拌和时间条件下, 加入矿粉前后的拌和时间均为总时间的1/2。按照步骤(3~5), 计算得出不同规格矿料的质量m_i2。

(7) 按照式(1)计算热再生过程中不同规格细颗粒旧矿料的迁移程度λ_i。

3 试验结果分析 3.1 不同RAP掺量的迁移程度

相同拌和时间(180 s)、油膜厚度(8 μm), 3种不同RAP掺量(20%、30%、40%)条件下, 不同规格细颗粒旧矿料对迁移程度的影响如图 4所示。

试验结果表明, 与普通沥青混合料相比, 在相同的条件(合成级配、拌和时间、拌和温度、沥青用量等)下, 热再生沥青混合料中粗颗粒表面粘结裹覆的细颗粒矿料明显偏少, RAP中的细颗粒(≤1.18 mm)矿料未能完全脱离旧矿料自由迁移, 其迁移程度约为55%~75%;RAP掺量对旧矿料颗粒的迁移程度没有显著影响。

3.2 不同拌和时间的迁移程度

相同RAP掺量(30%)、油膜厚度(8 μm), 4种不同拌和时间(180、240、300、360 s)条件下, 不同规格细颗粒旧矿料对迁移程度的影响如图 5所示。试验结果表明, 随着拌和时间的增加, 旧矿料颗粒的迁移程度逐渐增加, 但拌和时间增加至一定程度时, 该趋势变缓; 适当增加热再生沥青混合料的拌和时间, 可以促进旧矿料颗粒脱离RAP中的细矿料颗粒自由迁移, 使实际级配与设计级配更相符。

3.3 不同油膜厚度的迁移程度

相同RAP掺量(30%)、相同拌和时间(180 s), 4种不同油膜厚度(6、7、8、9 μm)条件下, 不同规格细颗粒旧矿料对迁移程度的影响如图 6所示。试验结果表明, 随着沥青用量的增加, 不同规格旧矿料颗粒的迁移程度逐渐变大, 分析其原因, 是由于RAP中旧沥青老化后变的黏稠, 而加入的新沥青通过与之融合, 能够降低其黏稠度, 提高流动性, 从而促进旧矿料颗粒的迁移, 加入的新沥青越多, 该作用越明显。但在试验过程中, 按照9 μm油膜厚度拌制的沥青混合料出现少量泛油, 已不具备继续增加沥青用量的条件。

3.4 不同影响因素的方差分析

依据上述试验数据, 利用统计软件SPSS分析各因素对迁移程度影响的重要程度, 结果如表 5所示。

由表 5可知, RAP掺量对应F值的显著性概率为0.47, 大于0.05, 说明该因素对迁移程度的影响不显著, 而拌和时间、油膜厚度在一定范围内对迁移程度具有显著影响。

4 结论

(1) 正常生产状态下, 热再生沥青混合料在拌和过程中, RAP中的细颗粒旧矿料(≤1.18 mm)与其他旧矿料不能完全脱离, 因此不能全部自由的进行迁移并达到均匀拌和, 与普通矿料相比, 其迁移程度约为55%~75%, 将导致混合料的实际级配与设计级配不符。

(2) RAP掺量对旧矿料颗粒的迁移程度影响不大, 拌和时间与沥青用量是影响迁移程度的重要因素; 随着拌和时间的增加, 旧矿料颗粒的迁移程度逐渐变大, 但无法做到完全自由迁移; 热再生过程中, 沥青用量的增加有利于旧矿料颗粒的迁移。因此, 在热再生沥青混合料生产中, 适当延长拌和时间, 加入新沥青和(或)再生剂对旧沥青进行软化、调和, 适量增加沥青用量能够促进旧矿料颗粒的自由迁移, 提高混合料的均匀性。

(3) 设计的室内试验通过磁铁将新旧矿料分离, 进而测定旧矿料颗粒的迁移程度, 分析和评价各种因素对其迁移行为的影响, 行之有效。

(4) 本研究属国内首次利用室内试验量化热再生过程中旧矿料颗粒的迁移程度, 下一步将继续深入研究该迁移程度对合成级配的影响以及基于实测迁移程度的级配优化设计, 以便最大程度上消除旧矿料颗粒迁移行为的不利影响。