張文武 胡茂密 劉 凱 余 樂 何兆益

(山東高速集團(tuán)有限公司1) 濟(jì)南 250098) (重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院2) 重慶 400074) (浙江溫州甬臺(tái)溫高速公路有限公司3) 溫州 325000)

0 引 言

廠拌熱再生技術(shù)具有質(zhì)量可控、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)道路工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1].但仍然存在兩大亟待解決的問題：①熱再生瀝青混合料內(nèi)部新舊瀝青界面融合程度的定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)很少；②新舊瀝青界面再生融合度(DOB)對(duì)熱再生瀝青混合料各項(xiàng)路用性能的影響規(guī)律并不清晰.

關(guān)于界面融合及拌和參數(shù)，趙占立[2]采用示蹤法以直接觀測(cè)的方式從微觀尺度研究新舊瀝青的混合狀態(tài).研究表明：對(duì)平均混合程度的影響顯著性從高到低依次是：拌和溫度、拌和時(shí)間、RAP摻量.陳龍等[3]分別采用熒光顯微鏡(FM)和動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，基于細(xì)微觀試驗(yàn)實(shí)測(cè)手段，對(duì)多因素組合條件下高摻 RAP 瀝青界面再生融合行為特征進(jìn)行量化表征研究.張曉強(qiáng)[4]研究發(fā)現(xiàn)隨著新集料加熱溫度和拌和溫度的增加，舊瀝青再生程度都先提高后下降；適當(dāng)?shù)卦黾痈砂钑r(shí)間能提高舊瀝青再生程度.

通過設(shè)計(jì)三因素兩水平試驗(yàn)方案，提出了表征界面再生融合度的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，并對(duì)不同RAP預(yù)熱溫度、RAP摻量、新集料加熱溫度及拌和時(shí)間條件下的界面再生融合度進(jìn)行計(jì)算，分析了各因素對(duì)界面再生融合度的影響規(guī)律，并采用灰關(guān)聯(lián)分析方法確定了RAP預(yù)熱溫度、新集料加熱溫度及拌和時(shí)間三種拌和參數(shù)對(duì)界面再生融合度的影響程度.利用車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同界面再生融合度下再生瀝青混合料的高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及質(zhì)量檢測(cè)

新瀝青采用中石化東海牌SBS改性瀝青，牌號(hào)為I-D；新集料全部為山東省菏澤市某中心拌和站提供的石灰?guī)r集料.RAP為山東省菏澤市國道G1511日蘭高速菏關(guān)段AC-20中面層SBS改性瀝青回收混合料.所選熱拌再生劑是由課題組研發(fā)的基于減四線抽出油的ZZ再生劑，再生劑摻量為8%.主要試驗(yàn)儀器為TA DHR-2動(dòng)態(tài)剪切流變儀.新舊瀝青的常規(guī)指標(biāo)見表1；新舊集料的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)見表2；再生劑的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3.

表1 新舊瀝青常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2 新舊集料常規(guī)技術(shù)指標(biāo)

表3 再生劑常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2 新舊瀝青界面再生融合度評(píng)價(jià)方法

RAP舊料經(jīng)由大型維特根銑刨機(jī)銑刨后，運(yùn)至特定的料倉貯存，進(jìn)而由破碎篩分一體機(jī)破碎篩分為0～10 mm檔和10～20 mm檔，為滿足后續(xù)試驗(yàn)的需要，將0～10 mm檔RAP舊料用振動(dòng)篩再次篩分為0～5 mm和5～10 mm兩檔.

為避免RAP細(xì)料的殘余黏聚力過大形成假性大粒徑粒團(tuán)從而無法有效分離RAP細(xì)料與新集料的不利情況，經(jīng)多次試驗(yàn)后決定選用4.75 mm作為細(xì)集料與粗集料的分界篩孔，并將0～5 mmRAP舊料再次過篩，舊集料只選取4.75 mm以下粒徑的RAP細(xì)料，新集料只選用9.5 mm以上粒徑的新粗集料.具體試驗(yàn)方案見圖1.

圖1 新舊瀝青界面再生融合度試驗(yàn)方案示意圖

關(guān)于新舊瀝青界面融合效應(yīng)方面的研究，從最早期的RAP“黑石效應(yīng)”理論[5]，逐步發(fā)展到“完全融合”理論[6-8]，最終過渡到目前比較貼合工程實(shí)際的“部分融合”理論，見圖2.

圖2 RAP礦料表面舊瀝青存在狀態(tài)示意圖[9]

因此，基于“部分融合”理論，考慮新舊瀝青融合前后的復(fù)數(shù)剪切模量變化，提出了反映新舊瀝青界面再生融合情況的量化指標(biāo)——新舊瀝青界面再生融合度(DOB)，具體計(jì)算為

式中：G·coarse為拌和過程結(jié)束后，分界篩孔孔徑上方集料表面裹附的調(diào)和再生瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量；G·fine為拌和過程結(jié)束后，分界篩孔孔徑下方集料表面裹附的調(diào)和再生瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量；G·design為當(dāng)RAP完全符合“黑石效應(yīng)”理論，新集料表面裹附的一定數(shù)量的新瀝青和一定數(shù)量的再生劑(根據(jù)比表面積法計(jì)算得到的比例關(guān)系)經(jīng)人工復(fù)配制備的調(diào)和再生瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量.

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 拌和工藝參數(shù)對(duì)融合度的影響

2.1.1試驗(yàn)組設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)三因素兩水平的試驗(yàn)方案，以研究拌和工藝參數(shù)對(duì)新舊瀝青界面再生融合度的影響.將RAP摻量設(shè)定為50%，選取RAP預(yù)熱溫度(100～140 ℃)、新集料加熱溫度(170～200 ℃)，以及拌和時(shí)間(60～120 s)，各試驗(yàn)組見表4.

表4 8個(gè)試驗(yàn)組劃分

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

為準(zhǔn)確分析拌和工藝參數(shù)對(duì)新舊瀝青界面再生融合度的影響程度，本文基于灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)三因素兩水平條件下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，試驗(yàn)結(jié)果及灰關(guān)聯(lián)分析過程見表5～9.

表5 新舊瀝青界面再生融合度試驗(yàn)結(jié)果

表6 原始數(shù)據(jù)無量綱化處理

表7 影響因素差序列

表8 影響因素灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表9 影響因素灰色關(guān)聯(lián)度及排序

分析可知：①根據(jù)表9知灰色關(guān)聯(lián)度排列順序依次為：RAP預(yù)熱溫度、新集料加熱溫度、拌和時(shí)間.可以看出RAP預(yù)熱溫度對(duì)新舊瀝青界面再生融合度的影響程度最大，是主導(dǎo)新舊瀝青產(chǎn)生有效融合的最關(guān)鍵因素，其次是新集料加熱溫度，最后是拌和時(shí)間.②為有效提升新舊瀝青界面再生融合度，首先應(yīng)適當(dāng)提高RAP預(yù)熱溫度、其次合理升高新集料加熱溫度，最后適當(dāng)增加再生混合料拌和時(shí)間.③過高的RAP預(yù)熱溫度和過長的拌和時(shí)間會(huì)加劇舊瀝青的二次老化，也會(huì)導(dǎo)致再生劑受熱揮發(fā)損失，過高的新集料加熱溫度也可能會(huì)劣化新集料本身的力學(xué)性能.因此，建議將RAP預(yù)熱溫度設(shè)定在110～140 ℃，新集料加熱溫度設(shè)定在160～180 ℃，拌和時(shí)間控制在90～110 s.

2.2 RAP摻量對(duì)融合度的影響

2.2.1試驗(yàn)組設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的研究可知，RAP預(yù)熱溫度對(duì)新舊瀝青界面再生融合度的影響程度最為顯著，故本節(jié)試驗(yàn)僅調(diào)整RAP預(yù)熱溫度(100、120、140 ℃)，其他拌和關(guān)鍵工藝工序保持完全相同的方式，具體情況見表10.RAP摻量選用30%、40%、50%，通過理論分析可知，此時(shí)的新舊瀝青界面均呈現(xiàn)部分融合的情況.

表10 三種不同的拌和方式

按照8 μm的瀝青膜厚度和美國瀝青協(xié)會(huì)(AI)提出的礦料表面積系數(shù)，分別計(jì)算得到不同RAP摻量條件下的總瀝青用量和新添瀝青用量.

不同RAP摻量條件下的再生混合料礦料級(jí)配見表11，不同RAP摻量條件下的再生混合料各類瀝青及再生劑用量見表12.

表11 不同RAP摻量再生混合料礦料級(jí)配

表12 不同RAP摻量再生混合料各類瀝青及再生劑用量 單位：%

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

融合度隨RAP摻量的變化規(guī)律見圖3.

圖3 融合度隨RAP摻量的演變和變化規(guī)律

由圖3可知：

1) 在相同的RAP預(yù)熱溫度條件下，新舊瀝青界面再生融合度隨RAP摻量的升高呈現(xiàn)先慢后快的下降態(tài)勢(shì)，當(dāng)RAP摻量提高至40%,再生融合度出現(xiàn)突變.分析原因是隨著再生混合料中RAP摻量的提高，RAP舊礦料表面裹附的舊瀝青脫離原有舊礦料殘余黏聚力的束縛所需要吸收的能量也越多，而相同拌和工藝參數(shù)使再生混合料能夠吸收到的能量是相等的，故高摻量再生混合料的融合度比低摻量再生混合料低.

2) 當(dāng)RAP摻量為大比例舊料摻量的下限值(30%)時(shí)，RAP預(yù)熱溫度升高至現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的最高值140 ℃時(shí)，再生混合料的界面再生融合度為91.6%，未達(dá)到再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的新舊瀝青產(chǎn)生100%融合效應(yīng)的基本假定.因此，基于該假定進(jìn)行的再生混合料配合比設(shè)計(jì)不是十分合理，導(dǎo)致再生瀝青路面各項(xiàng)路用性能無法達(dá)到預(yù)期效果.

3) 將三種RAP摻量對(duì)應(yīng)的三種部分融合情形進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，RAP預(yù)熱溫度提高時(shí)，尤其是越接近規(guī)范規(guī)定的上限溫度值140 ℃時(shí)，三種部分融合情形下的界面再生融合度差異顯著縮??；若在140 ℃的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高RAP預(yù)熱溫度，三者界面再生融合度很可能會(huì)更加趨近.但考慮過高的RAP預(yù)熱溫度會(huì)加劇舊瀝青的二次老化，因此不能為了提高融合度而過分地提高RAP預(yù)熱溫度.

2.3 融合度對(duì)再生混合料路用性能的影響

2.3.1試驗(yàn)組設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所選的再生混合料的RAP摻量分別為30%、40%、50%；采用完全相同的礦料級(jí)配，即將AC-20型瀝青混凝土的礦料級(jí)配中值作為試驗(yàn)測(cè)試的目標(biāo)級(jí)配；選擇常規(guī)的馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法確定出 30%、40%及 50%RAP 摻配比重下的再生混合料最佳瀝青用量分別為4.5%、4.5%、4.4%(瀝青用量為新瀝青、舊瀝青、再生劑三者的總和).

在三種部分融合的試驗(yàn)組的基礎(chǔ)上增加了一種完全融合的試驗(yàn)組：先將RAP中的舊瀝青抽提出來，再與新瀝青、再生劑充分?jǐn)嚢杈鶆蛐纬赏耆诤系脑偕鷱?fù)合瀝青，再與RAP舊礦料、新集料拌和形成再生混合料.完全融合試驗(yàn)組的RAP 舊礦料預(yù)熱溫度設(shè)為 120 ℃，其余拌和參數(shù)與三種部分融合試驗(yàn)組相同.

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.2.1 高溫性能

利用全自動(dòng)車轍試驗(yàn)機(jī)展開高溫抗車轍性能試驗(yàn)，不同 RAP摻量下的再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨界面再生融合度變化的演變規(guī)律見圖4、不同拌和工藝參數(shù)條件下的再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨 RAP 摻量的演變規(guī)律見圖5.

圖4 不同RAP摻量下動(dòng)穩(wěn)定度隨融合度的變化圖

圖5 不同拌和工藝參數(shù)下動(dòng)穩(wěn)定度隨RAP摻量的變化圖

由圖4～5可知：

1) 隨著界面再生融合度的增加，再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度不斷降低，RAP摻量越大下降趨勢(shì)越顯著，高溫性能劣化越明顯，但動(dòng)穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求.分析原因是界面再生融合度越高，RAP舊礦料表面裹附的舊瀝青脫離舊礦料轉(zhuǎn)化成活性瀝青的比例更大，而活性瀝青含量提高導(dǎo)致再生混合料內(nèi)部礦料顆粒之間潤滑效應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化，從而使動(dòng)穩(wěn)定度降低.

2) 當(dāng)未達(dá)到完全融合時(shí)，再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨RAP摻量的增加而呈先慢后快的遞增趨勢(shì).分析原因是RAP摻量增加使/再生混合料中老化瀝青的含量增加而新添瀝青含量減少，與新添瀝青相比，老化瀝青的勁度模量和黏度特性更高，因此再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度越大.

3) 當(dāng)達(dá)到完全融合時(shí)，隨著RAP摻量的增加，再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度卻變化不大.分析原因是完全融合時(shí)，RAP舊礦料表面裹附的舊瀝青全部轉(zhuǎn)化為活性瀝青，而不同RAP摻量下集料級(jí)配不變，因此其動(dòng)穩(wěn)定度變化不大.

2.3.2.1 低溫性能

利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，不同RAP摻配比例下再生混合料最大彎拉應(yīng)變及彎拉強(qiáng)度隨界面再生融合度變化的演變規(guī)律見圖6.

圖6 不同RAP摻量下最大彎拉應(yīng)變和彎拉強(qiáng)度隨融合度的變化圖

由圖6可知：

1) 再生混合料的最大彎拉應(yīng)變隨界面再生融合度的提高而增大，且RAP摻量越大增大趨勢(shì)越明顯；而彎拉強(qiáng)度隨界面再生融合度的提高而降低，且RAP摻量越大降低趨勢(shì)越明顯.分析原因是界面再生融合度越大，RAP舊礦料表面的舊瀝青轉(zhuǎn)化為活性瀝青的比例就越大，再生混合料中的瀝青越接近于新瀝青，所以其韌性越大而強(qiáng)度越低.

2) 當(dāng)RAP摻量提高至50%時(shí)，三種部分融合的再生混合料的最大彎拉應(yīng)變均小于現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范對(duì)冬冷區(qū)規(guī)定的最大彎拉應(yīng)變下限值.因此，對(duì)于RAP摻量高于40%的再生混合料，通過優(yōu)化拌和工藝參數(shù)等方法提高融合度來提高其低溫性能是有效的.

3) 觀察曲線末端可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)界面再生融合程度達(dá)到完全融合時(shí)，不同 RAP 摻量下的再生混合料的最大彎拉應(yīng)變和彎拉強(qiáng)度基本趨于一致.

2.3.2.1 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)再生混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同RAP摻量下再生混合料殘留穩(wěn)定度比與殘留強(qiáng)度比隨界面再生融合度變化的演變規(guī)律圖見圖7.

圖7 不同RAP摻量下殘留穩(wěn)定度比和強(qiáng)度比隨融合度的變化圖

由圖7可知：

1) 再生混合料的殘留穩(wěn)定度比和殘留強(qiáng)度比均隨界面再生融合度的提高而升高，且RAP摻量越大升高趨勢(shì)越明顯.分析原因是界面再生融合度的提高使再生混合料內(nèi)部活性瀝青比例增大，瀝青黏結(jié)強(qiáng)度提升，最終使殘留穩(wěn)定比和殘留強(qiáng)度比增加.

2) 當(dāng)RAP摻量提高至50%時(shí)，三種部分融合的再生混合料殘留穩(wěn)定度比和殘留強(qiáng)度比均不滿足現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范對(duì)濕潤區(qū)規(guī)定的下限值.因此，對(duì)于RAP摻量高于40%的再生混合料，必須采取優(yōu)化拌和工藝參數(shù)等方法提高融合度以提高其水穩(wěn)定性.

3) 觀察曲線末端可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)界面再生融合程度達(dá)到完全融合時(shí)，不同RAP摻量下的再生混合料的殘留穩(wěn)定度比和殘留強(qiáng)度比基本趨于一致.

3 結(jié) 論

1) RAP預(yù)熱溫度對(duì)新舊瀝青界面再生融合度的影響程度最大，其次是新集料加熱溫度，最后是拌和時(shí)間；為有效提升再生融合度，最佳處理方式是適當(dāng)提高RAP預(yù)熱溫度.

2) 新舊瀝青界面再生融合度隨RAP摻量的升高呈現(xiàn)先慢后快的下降態(tài)勢(shì)，當(dāng)RAP摻量提高至40%，再生融合度出現(xiàn)突變.當(dāng)RAP摻量為大比例舊料摻量的下限值30%時(shí)，RAP預(yù)熱溫度升高至現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的最高值140℃，再生混合料的界面再生融合度為91.6%，未達(dá)到再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定的新舊瀝青產(chǎn)生100%融合效應(yīng)的基本假定.

3) 將三種RAP摻量對(duì)應(yīng)的部分融合情形進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，RAP預(yù)熱溫度提高時(shí)，尤其是越接近規(guī)范規(guī)定的上限溫度值140 ℃時(shí)，三種部分融合情形下的界面再生融合度差異顯著縮小.

4) 隨著界面再生融合度的增加，再生瀝青混合料的高溫抗車轍性能不斷降低，低溫抗裂性和水穩(wěn)定性不斷提高，且RAP摻量越大變化趨勢(shì)越明顯.四種融合情況下各種RAP摻量的再生混合料的高溫性能均滿足規(guī)范要求；當(dāng)RAP摻量為30%或40%時(shí)，四種融合情況下再生混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求.

5) 當(dāng)RAP摻量為50%時(shí)，三種部分融合情況下的再生混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均不滿足規(guī)范要求，而完全融合情況則滿足規(guī)范要求.因此，對(duì)于RAP摻量高于40%的再生混合料，可以優(yōu)化拌和工藝參數(shù)等方法提高融合度，提升其低溫性能和水穩(wěn)定性.

6) 當(dāng)界面再生融合程度達(dá)到完全融合時(shí)，隨著RAP摻量的增加，再生混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損壞性能變化不大.