RAP掺量对再生沥青混合料路用性能的影响研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-01-12作者简介：王建威（1989），江苏连云港人，工程师，从事公路工程建设管理工作。0 引言近年来，随着国家大力提倡节能环保，旧沥青混合料的再生利用已成为国内外学者和工程技术人员重点关注的研究方向1。但并未形成系统性的理论来指导再生沥青混合料的设计和施工，使得我国RAP回收利用率仅为 20%30%，处于偏低状态，增加能源消耗的同时，也产生了大量温室气体和建筑垃圾。因此，进一步研究再生沥青混合料的路用性能具有十分重要的工程意义。1 沥青路面老化机理及RAP处理关键技术1.1 沥青路面老化机理式沥青路面在运营期间所处的外界环境复杂，在太阳辐射、气温变化、风及反复车辆荷载作用下，不可避免地出现各种物理和化学老化，逐渐改变其路用性能，降低路面服务水平。沥青混合料的物理老化主要发生在两个阶段：第一，沥青混合料在拌和期间因温度过高而老化；第二，在公路运营期间，沥青混合料中的集料矿物吸收沥青组分中的轻组分。化学老化属不可逆反应，主要是因为沥青混合料在紫外线、氧气、热作用下，沥青组分大分子由线形变为T形，支链由层状变为交联所引起2。沥青路面老化后的宏观表现为：沥青针入度变小、软化点升高、延度降低，粗集料部分转变为细集料，细集料细化为矿粉，矿粉含量明显增加。上述现象均可能导致沥青混合料回收料（RAP）的物理力学性能变异性显著变化。1.2 RAP处理关键技术1.2.1 RAP破碎筛分RAP材料破碎后，会形成粒径大小不等的颗粒，经筛分后方可用于再生沥青混合料的配合比设计。需注意，在筛分机械中，筛孔能通过某种粒度颗粒的筛子称为极限筛，不能通过某种粒度颗粒的筛子称为保留筛。当极限筛和保留筛的筛孔尺寸相差不大时，所筛分的产品为“窄级产品”，粒度整体均匀性好。1.2.2 基准料配置为减小 RAP 材料性能的变异性，提高其掺配率，需根据再生混合料的目标级配，将筛分后的材料按一定粒径比例混合成基准料。基准料与目标级配组合越接近，所需掺加的新料越少，越能节省资源消耗。基准料配置方法如下3：抽提回收的旧料，确定最大公称粒径；按最大公称粒径，将 RAP 材料分成 04.75，4.7513.2、13.216、1619、1926.5等档次（分档越多，再生料的均匀性越好），并对超粒径的RAP材料重新破碎筛分；基准料合成、检验。2 再生沥青混合料配合比设计2.1 工程概况本文依托某国道项目研究了RAP掺量对再生混合料路用性能的影响。该国道建设标准为一级公路，全长33.6 km，路线起讫桩号为K0+000K33+600，设计速度为80 km/h，设计荷载为公路I级，主线为双向4车道，路基横断面宽度25.5 m（中间带宽3.0 m，行车道宽223.75 m，右侧硬路肩宽23 m，土路肩宽20.75 m），沥青路面结构厚 74 cm（4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm AC-25+18 cm 5%水稳碎石基层+18 cm 5%水稳碎石基层+18 cm 4%水稳碎石基层）。项目所处区域属温带季风气候，年平均气温约15.5，雨水较充足，年平均降雨量在1 055 mm，主要集中在710月份。经过多年运营，路面开始出现裂缝、车辙、凹陷等RAP掺量对再生沥青混合料路用性能的影响研究王建威（连云港市公路事业发展中心，江苏 连云港 222200）摘要：为提升沥青路面建设水平，推动公路工程向经济绿色集约型发展，分析了沥青路面RAP回收处理的关键技术和配合比设计方法，随后依托某国道项目，研究了RAP掺量对再生沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性的具体影响规律。供同行参考。关键词：RAP掺量；工程实例；配合比设计；路用性能中图分类号：U412文献标识码：B17总654期2023年第24期（8月 下）病害，影响行车安全和舒适度。为充分利用现有资源，减少工程造价，经各方协商，拟铣刨旧路面，采用就地再生沥青混合料重铺，RAP材料掺量分别取20%、30%、40%（根据混合料路用性能确定最佳掺量）。再生剂是调节沥青组分的重要材料，应选择耐挥发性能好、不易氧化、与沥青配伍性好的材料。本项目选择某科技公司生产的再生剂，掺量5%，运动黏度、闪点、饱和分、芳香分等指标均满足规范。2.2 再生混合料配合比设计2.2.1 最佳油石比OAC再生沥青混合料的最佳油石比设计采用马歇尔试验法，分别针对不同RAP掺量的再生沥青开展试验，级配组合采用AC-13C。油石比以4.0%为起点，按0.5%的间隔向上取5 组油石比制备马歇尔试件，根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）来测定不同油石比下试件的各项物理力学参数。本节以RAP掺量为30%的混合料试验为例开展分析，试验结果见表1：表1 不同油石比下马歇尔试验结果（RAP掺量30%）试验项目流值/mm稳定度/kN沥青饱和度/%矿料间隙率/%空隙率/%理论最大相对密度毛体积相对密度油石比/%4.02.316.464.217.46.32.4352.3304.52.616.273.317.05.62.4302.3365.02.915.676.116.74.12.4252.3335.54.313.479.016.83.72.4272.3256.04.713.180.217.13.92.4222.323根据 公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）附录B，令毛体积相对密度最大值、稳定度最大值、空隙率中值、沥青饱和度中值对应的沥青用量分别为 a1、a2、a3、a4，4者平均值为 OAC1；取平均值作为 OAC1；以各项指标均满足规范的沥青用量范围 OAcminOA cmax的平均值作为OAC2。则沥青混合料的最佳油石比OAC=0.5（OAC1+OAC2）。根据表 2 中的试验数据可知：a1=4.5%、a2=4.0%、a3=5.0%、a4=5.0%，OAC1=4.625%，OAC2=0.5（4.6%+4.7%）=4.65%，最 佳 油 石 比 为 OAC=0.5（OAC1+OAC2）=4.64%。同理可知，RAP掺量为20%时最佳油石比为4.58%，RAP掺量为40%时最佳油石比为4.76%。即随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的最佳油石比逐渐提高。2.2.2 配合比检验根据项目经验，计算出的最佳油石比直接作为再生沥青混合料的油石比可能导致其油量偏多，在运输期间产生流淌或离析等现象4。笔者建议采用谢伦堡沥青析漏试验来控制新沥青混合料的沥青最大用量，计算沥青析漏损失m。试验至少应平行试验3次，取平均值作为最终试验结果。经计算，沥青析漏损失为0.06%，满足规范要求，这说明按最佳油石比设计再生沥青混合料是可行的。3 RAP掺量对再生沥青混合料路用性能的影响规律3.1 高温稳定性能沥青混合料的高温性能主要体现在其流变性，比如夏季平均气温达30以上，沥青路面吸收热量后路表温度可达50。如果沥青混合料的高温稳定性不足，胶结料会变软变黏。在车辆荷载循环作用下，沥青路面易出现流动变形。3.1.1 试验方案设计再生沥青混合料的高温性能可利用车辙试验动稳定度 DS 来评价，本文共制作 RAP 掺量为 20%、30%、40%的试件共9 个（一组掺量3个试件）。试验温度取601，施加荷载780 N，轮压为0.70.05 MPa，板状试件尺寸为长300 mm、宽300 mm、厚50 mm，利用实心橡胶轮胎在试件表面循环行走（行走距离 23010mm、21次往返）1 h或最大变形达到25 mm5。计算再生沥青混合料动稳定度的时间原则上为试验开始后4560min，计算公式见式（1）：DDS=(t2-t1)Nd2-d1C2C1式（1）中：d1、d2为对应于时间t1、t2的变形量，单位mm，t1、t2分别取 45 min、60 min；N为试验轮往返碾压速度，单位次/min，42 次/min；C1为试验机类型系数；C2为试件系数。3.1.2 试验结果分析不同RAP掺量下再生沥青混合料动稳定度计算结果见图1：图1 再生沥青混合料高温稳定性变化由图1可知：随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的动稳定度逐渐增加，但增加速率并不是固定不变的。当RAP从0%增加至40%时，动稳定度提升幅度分别为 17.1%、4.6%、1.2%。当 RAP 掺量超过 30%后，混合料的动稳定度增加趋势不明显，说明RAP材料中的黏度相对较大。老化沥青与新沥青融合后，使得再18交通世界TRANSPOWORLD生沥青混合料整体抗压强度提高，高温稳定性能改善。同时，RAP掺量也不宜过高，否则经济性较差。3.2 低温抗裂性能开裂也是沥青路面的主要病害之一，尤其在北方寒冷地区，冬季温度低，昼夜温差大，沥青路面内部会出现较大温度应力。当温度应力超过再生沥青混合料自身的抗拉强度时，路面会开裂破坏。3.2.1 试验方案设计再生沥青混合料的低温抗裂性能可通过弯曲应变试验来评价，试件个数同上。试验温度取-15，用切割法支座棱柱体试件，试件尺寸长250 mm、宽30 mm、高35 mm。压力机以50 mm/min的加载速率在跨径中央施以集中荷载，直至试件破坏。试件的最大弯拉应变计算见式（2）：=6hdL2（2）式（2）中：h、d、L分别为试件高度、宽度、长度。3.2.2 试验结果分析不同RAP掺量下再生沥青混合料最大弯拉应变计算结果见图2：图2 再生沥青混合料低温抗裂性变化由计算结果可知，再生沥青混合料的最大弯拉应变会随着其RAP掺量的增加而不断降低（RAP中的老化沥青硬度更大），且两者基本呈线性负相关趋势。同时，通过函数绘图软件origin2021内置的一元一次方程进行拟合，相关系数R2=0.97，拟合精度满足工程需求，最终得到再生沥青混合料最大弯拉应变y和RAP掺量x的关系满足：y=-7.63x+3693.9。3.3 水稳定性能浸水马歇尔试验与马歇尔试验方法基本相同，区别在于浸水马歇尔试验的试件需在60 的恒温水槽中保温48h，再测定稳定度。不同RAP掺量下再生沥青混合料马歇尔残留稳定度见图3：由图3的试验结果：再生沥青混合料的马歇尔残留稳定度随着RAP掺量增加而降低，且降低速率先慢后快（RAP掺量=20%为临界点）。即RAP掺量越高，再生沥青混合料的水稳定性越差。RAP掺量为0%、20%、30%、40%时，马歇尔残留稳定度分别为0.87、0.858、0.835、0.813，降低幅度分别为1.5%、2.7%、2.7%。说明再生沥青混合料中的RAP掺入比例不宜过大，否则可能使得其水稳定性严重损失。4 结论本文主要研究了沥青路面RAP处理关键技术、配合比设计方法等，并以某国道项目为研究对象，探讨了RAP掺量对再生沥青混合料路用性能的影响，主要得到以下结论：为提升RAP的利用率，可根据再生混合料的目标级配将筛分后的RAP事先配置成基准料；再生沥青混合料的最佳油石比可通过试配法确定，并随着RAP掺量的增加而增加；随着RAP掺量的提高，再生沥青混合料的高温稳定性提高、低温抗裂性和水稳定性降低。综合考虑技术性和经济性，RAP最佳掺量建议取30%，研究成果可为类似的公路项目建设提供一定的理论参考。参考文献：1 朱金标，何伟，郭亮亮，等.高掺量RAP冷再生沥青混合料路用性能研究J.公路交通技术，2022，38（5）：14-19，30.2 杨耀辉，汲平，李立平，等.大掺量RAP温再生沥青混合料设计及路用性能研究J.石油沥青，2022，36（3）：24-29.3 张晋媛.富油RAP热再生沥青混合料路用性能研究J.石家庄铁道大学学报（自然科学版），2022，35（1）：120-126.4 江名飞.高RAP掺量下温拌再生沥青混合料性能研究J.工程建设与设计，2022（3）：156-159.5 黄伯承.40%掺量RAP厂拌热再生沥青混合料设计及路用性能J.贵州大学学报（自然科学版），2021，38（6）：109-114.图3 再生沥青混合料水稳定性变化19