沥青路面厂拌热再生RAP高掺量的实现措施研究

1、.沥青路面厂拌热再生RAP高掺量的实现措施研究倪富健，李健，袁芮 (东南大学，江苏南京210096)摘要：厂拌热再生技术能够对旧沥青路面材料(RAP)进行再生利用，目前在我国公路 沥青路面建设与养护中得到了越来越多的关注。然而目前对于高掺量RAP厂拌热再生混合 料的设计、施工及性能评价还缺乏成熟的指南，同时出于对高掺量RAP再生混合料性能的 担忧，再生混合料应用于高等级公路或沥青表面层时RAP的掺量受到了严格的限制，这极 大地制约了高掺量RAP厂拌热再生技术的发展。文章利用回收的高等级公路上面层RAP 材料，在室内进行RAP掺量为50的AC一13厂拌热再生混合料的配合比设计，通过添加 再生剂、

2、温拌剂、SBR胶乳和聚酯纤维来提升再生混合料的性能，并对设计得到的不同再 生混合料进行路用性能的试验评价和对比。研究结果表明，再生剂由于会降低沥青的软化 点，宜采用适当的用量；采用温拌剂可以使再生混合料在130温度下具有良好的压实效 果；SBR胶乳和聚酯纤维可以有效提升再生混合料的抗车辙性能、低温抗裂性能和抗水损 害性能；设计得到的高RAP掺量的再生混合料具有优良的路用性能，可以满足高等级公路 上面层的路用技术要求，成功实现了沥青路面厂拌热再生RAP的高比例掺配。 关键词：厂拌热再生；旧沥青路面材料(RAP)；高掺量；路用性能1概述我国高等级公路尤其是高速公路90以上采用沥青路面。目前越来越多

3、的沥青路面进入养护维 修期，每年都会产生大量的旧沥青路面材料(黜廿)废弃料，如何对这些RAP材料进行处理成为急 需解决的问题。同时，随着我国对环境和矿产资源保护的逐渐重视，砂石等原材料的价格在近些年 来日趋上涨，导致公路养护费用逐渐升高。因此，对RAP材料进行再生利用，既符合我国可持续再 生的发展战略，也具有良好的经济和社会效益，已成为我国公路建设和养护的主题之一。美国早在1915年就开始了废旧沥青路面材料再生利用的试验研究。经过近一个世纪的发展，目 前欧美等发达国家的沥青路面再生技术已经较为成熟，并形成了多项再生技术手册指南和规范【l2J。 在这其中，厂拌热再生技术应用较为广泛，它不仅可用于

4、维修沥青路面的上、中、下面层，而且可 以对基层、路基进行补强，既可利用原路废弃材料重新铺筑路面，也可以将回收材料再生后用于其 他工程，能够最大限度地发挥沥青路面废料的作用。同时，由再生混合料铺筑的沥青路面具有与新 建路面相似的良好路用性能p圳。再生混合料中RAP高掺量是指RAP掺量达到25以上。目前RAP掺量低于25的厂拌热再生 技术已经较为成熟，但是高掺量RAP再生混合料的设计、施工及性能评价还缺乏有效的规范和指南15】。 对于RAP掺量低于25的再生混合料，研究表明其具有不差于新拌沥青混合料的性能，甚至在某些 性能方面要表现得更好；但是对于RAP掺量大于25的再生混合料，对其性能的评价及研

5、究还没有8：得出确切而公认的结论。基于此，美国部分州规定用作上面层的再生混合料中RAP的掺量不允许超 过30【6J。可见，出于对高RAP掺量再生混合料性能的担忧，在将再生混合料应用于高等级公路或 中上沥青面层时RAP的掺量受到了严格的限制，这极大地制约了高RAP掺量厂拌热再生技术的发 展和应用。基于此，本文利用回收的高等级公路上面层RAP材料，在室内进行RAP掺量为50的 AC一13厂拌热再生混合料的设计与性能研究，通过采用多种添加剂来保证和提升再生混合料的压实 性能和路用性能，最终得到具有优良性能的高RAP掺量再生混合料，从而为将其应用于高等级公路 沥青面层的养护维修提供参考和依据。2沥青的

6、再生试验RAP中沥青由于老化的影响变硬变脆，己不能满足沥青路面的施工和使用要求。目前国内外一般使用再生剂来对RAP中的老化沥青进行再生，以使其具有适宜的黏度和性能。采用抽提仪和旋转 蒸发仪回收得到RAP中的沥青，然后加入再生剂对回收沥青进行再生，再生剂的用量分别为沥青质 量的2、3和4。对沥青的性能进行检测，结果如表1所示。表1沥青性能检测结果由表1可见，RAP中沥青由于老化作用，针入度和延度降低，已远不能满足技术要求，同时软 化点和黏度增大。加入再生剂后，老化沥青的针入度和黏度得到恢复，但是延度的恢复效果不理想， 这说明再生沥青的性能与新沥青相比仍有一定的差距。当再生剂的用量为3时，再生沥青

7、的针入度 恢复到较为理想的水平，而再生沥青的软化点随再生剂用量的增大而下降，这将影响混合料的抗车辙性能。因此，再生剂的用量不宜过大，确定再生剂的最佳用量为旧沥青质量的3。 3再生混合料配合比设计31级配本文所用RAP为经冷铣刨回收得到的高等级公路沥青路面上面层混合料。对其进行抽提筛分， 得到油石比为478。RAP和所采用新集料的级配组成如表2所示。由表2可见，由于长期交通荷 载的作用和铣刨回收的影响，RAP中的粗集料出现了细化现象，导致RAP整体级配组成偏细，因此 在进行厂拌热再生时应补充相对较粗的新集料进行调整，以达到再生混合料的设计级配要求。本文 所设计再生混合料的级配类型为AC一13，R

8、AP的掺量为50，则设计得到新集料1撑、2撑、3群和矿 粉的掺配比例为33、4、10和3，最终合成的再生混合料AC一13级配如表3所示。9表2 RAP及新集料筛分试验结果表3 AC13再生沥青混合料设计级配32温拌剂为了防止旧料的过度老化和蓝烟现象，以及保证新集料的性质不受影响，厂拌热再生中旧料和 新集料的加热温度都不宜过高。因此再生混合料的出料温度随旧料掺量的增大而减小，当旧料掺量 达到50时，再生混合料最终的出料温度已低于压实所需温度。因此，本文采用一种高浓度温拌剂 来降低再生混合料所需的压实温度。一般认为，温拌沥青混合料所需的压实温度相比普通热拌沥青 混合料可降低20。C-40。设计温拌

9、剂的用量为再生混合料中沥青总质量的03，温拌剂添加到加 热后的新沥青中拌合均匀，设定旧料、新集料和新沥青的加热温度分别为100、190和170， 得到再生混合料最终的出料温度为130，在此温度下压实成型的马歇尔试件具有合适的空隙率等体积参数。 33最佳油石比新沥青采用PG7622的SBS改性沥青。再生混合料中沥青由再生沥青和新沥青组成，再生沥青 的质量为旧沥青和再生剂质量之和。采用采用马歇尔设计方法来确定再生混合料的最佳油石比。按 照表3中的合成级配，以05为间隔，选取40、45、50、55和60共5个油石比成型马歇尔试件，并进行马歇尔试验测试稳定度和流值，同时测试得到试件的空隙率w、沥青饱和

10、度VFA和矿料间隙率VMA，试验结果如表4所示。表4 AC13再生混合料马歇尔试验结果10再生混合料的目标空隙率为45。由表4中马歇尔试验结果，计算得到再生混合料的最佳油石 比为49。以最佳油石比成型再生混合料进行马歇尔试验验证，试件的空隙率为44，各项指标都 满足设计要求。4再生混合料的路用性能41性能提升措施(1)SBR胶乳。再生剂难以使得旧沥青的性能恢复到原有的水平，因此难以保证高RAP掺量再生混合料的路用 性能能够满足要求。已有研究表明SBR胶乳可以有效的提升RAP的路用脾ISE厶匕目Va71。本文设计再生混合 料中添加SBR胶乳来提升性能，SBR胶乳的用量为旧料质量的02，拌制再生混

11、合料时将SBR胶 乳添；OHN再生后的RAP中拌合均匀。SBR(SryreneButadieneRubber)是丁二烯一苯乙烯橡胶的简称，为玻璃化温度小于一70。C的橡胶类 聚合物，常用于制作SBR改性沥青。SBR中带环状结构的苯乙烯为硬段，起抗流动作用，可以提高 沥青粘结料的高温性能；线型结构的丁二烯为软段，起延伸变形作用，可以提高沥青粘结料的延伸 性能。SBR胶乳是一种阴离子型聚合物分散体，由SBR丁苯橡胶经乳液共聚制得，呈乳白色胶质液 状，具有良好的机械稳定性及可操作性，并具有很高的粘结强度。(2)聚酯纤维。 纤维在沥青混合料中最初使用目的是用于预防路面的反射裂缝81。随着上世纪九十年代

12、SMA沥青混凝土和纤维添加材料的引入，纤维沥青产品在我国逐渐得到了人们的关注。聚酯纤维由于其加 筋作用可以对沥青混合料路用性能有显著的提高，因此得到了广泛的应用【91。旧料由于沥青老化的 影响沥青和集料粘结变差，同时低温抗裂性能降低，因此本文设计在采用SBR胶乳的基础上，进一 步添加聚酯纤维来增强再生混合料的路用性能。根据已有经验，设计聚酯纤维的用量为再生混合料 质量的025，再生混合料的最佳油石比提高到51，聚酯纤维与新集料一起添加，并与再生改性 后的旧料充分拌合。采用马歇尔试验进行验证，结果显示试件的空隙率为45，其它体积参数都满 足设计要求。42再生混合料方案为了评价AC一13厂拌热再生

13、混合料的路用性能，同时分析SBR胶乳和聚酯纤维对于再生混合料 路用性能的提升效果，依据设计得到的配合比组成，在室内成型三种类型的再生混合料进行性能试 验。3种混合料分别为温拌再生混合料、改性温拌再生混合料和改性纤维温拌再生混合料，具体的 材料组成如表5所示，各添Dll齐U的用量如本文前述所示。表5厂拌热再生混合料材料组成方案注：表示采用，k-示未采用。43试验方法在室内拌制3种再生混合料分别进行车辙、动态蠕变、小梁弯曲、半圆弯曲、浸水马歇尔、冻融劈裂试验和浸水飞散试验，以分别评价再生混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和抗水损害 性能。每个试验采用4个平行试件，取平均值作为试验结果。车辙、小梁

14、弯曲、浸水马歇尔和冻融劈裂试验都依据公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTGE202011)中要求的试验规程进行。 下面对动态蠕变试验和半圆弯曲试验进行说明。(1)动态蠕变试验。动态蠕变试验用以评价沥青混合料的高温抗车辙性能，具体过程参照NCHRP(NationalCooperative Highway Research Program)推荐的Simple Performance Test中的重复加载永久变形试验 Do。在试验中可以得到试件累积永久应变曲线，如图2所示。在该图中永久应变曲线由初始阶段、 第2阶段和第3阶段组成。对应于第3阶段产生的重复荷载作用次数被定义为流变次数FN，可以作 为

15、混合料抗车辙性能的评价指标，FN越大，混合料的抗车辙性能越好。采用旋转压实方法成型高100mm，直径100nllTl的试件。试验温度60，轴向压力700kPa， 围压为0，试验中加载周期为1 S，包括01 S的半正弦压力荷载和09 S的间隔。试验终止条件为荷 载作用次数达到10 000次、轴向累积应变达到5或永久应变曲线进入第3阶段。(2)半圆弯曲试验。半圆弯曲试验，英文名称为SemiCircular Bending Test，简称SCB试验，原用于岩石力学性能 的研究【111，被ISRM(The International Society for Rock Mechanics)推荐为测定岩石

16、断裂强度的方法， 后由Krans121等人引入到沥青加铺层的设计中，用于评价加铺层的抗裂性能，随后Mull133等人采用 带切口的半圆试件验评价了橡胶沥青混合料的抗裂性能。半圆弯曲试验装置如图3所示。蘅囊作罔次数图2动态蠕变典型累积永久应变曲线图3 SCB试验装置半圆弯曲试验试件可以采用马歇尔试件、旋转压实试件和车辙板芯样等。本文选用旋转压实方 式成型直径150 mill的圆柱体试件，然后切割得到直径150 ITtnl，高度50 mm的半圆试件。切割时需 保证双面平行，试件不在底部跨中位置切口。两圆棒支点的距离S为12cm，相当于半圆试件的08 倍。试验温度为10，加载速率为50 mmmin，

17、试验中对半圆试件连续加载至破坏，并记录荷载和 位移。Molznaar等人【141给出了半圆试件底部支点距离为试件直径08倍时的应力和模量公式：g=等(1)12M一：184F(2)BV式中：西为试件底部拉应力值；，为竖直方向荷载；D为试件直径；B为试件厚度；矿为试件底部的竖向位移；尬为模量。44试验结果(1)高温抗车辙眭能。再生混合料的车辙和动态蠕变试验结果列于表6中，动态蠕变永久应变曲线如图4所示。表6再生混合料抗车辙性能试验结果图4再生混合料累积永久应变与荷载作用次数对应关系曲线由表6中试验结果可见，3种再生混合料的车辙动稳定度都大于2 800，满足我国高速公路上面 层沥青混合料的技术要求。

18、改性纤维温拌再生混合料的动稳定度和风最大，而车辙总变形量最小， 说明其具有最好的抗车辙性能，改性温拌再生混合料的抗车辙性能次之，而温拌再生混合料的抗车辙性能最差。当温拌再生混合料中添加SBR胶乳后，动稳定度由3 253增长到4 601，FN由3000 增长到5 200，分别提升了414和733，说明SBR胶乳可以显著的提升再生混合料的抗车辙性能。 当改性再生混合料中继续添加聚酯纤维后，动稳定度和FN分别提升了179和192，说明聚酯纤 维可以提升再生混合料的抗车辙性能，但是提升效果不如SBR胶乳显著。(2)低温抗裂性能。 采用弯曲应变能密度的临界值来评价沥青混合料的低温抗裂性能。根据材料损失准

19、则，沥青混合料的材料损伤可以用应变能密度函数dWdV来表示，它的I临界值是沥青混合料断裂时实际单轴应 力应变关系曲线下的面积，如图5所示【1 51。沥青混合料的弯曲应变能密度的临界值越大，其发生破 坏所需能量也就越大，抗裂性能就越好。图5沥青混合料低温弯曲应力应变关系示意图3种再生混合料的低温小梁弯曲试验和半圆弯曲试验结果如表7所示，将混合料的应变能密度通过柱状图进行比较，如图6所示。表7再生混合料低温抗裂性能试验结果图6再生混合料弯曲应变能密度比较图由表7和图6小梁弯曲试验和半圆弯曲试验结果可知，改性纤维温拌再生混合料的弯拉强度、弯拉应变和弯曲应变能密度最大，改性温拌再生混合料次之，而温拌再

20、生混合料最小，这说明SBR 胶乳和纤维都使得再生混合料在低温下的抗弯拉强度和变形能力增强，改性纤维温拌再生混合料具 有最好的低温抗裂性能，改性温拌再生混合料次之，而温拌再生混合料最差。可见，SBR胶乳和聚 酯纤维都能够增强再生混合料的低温抗裂性能。(3)抗水损害试验。 再生混合料的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验的试验结果如图7所示。由图7可知，改性纤维温拌再生混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比最大，而飞散损失最小，说明其具 有最好的抗水损害性能，其次是改性温拌再生混合料，温拌再生混合料的抗水损害性能最差。可见， SBR胶乳和聚酯纤维都能够提升再生混合料的抗水损害性能。比较三种混合料

21、的试验结果，可知SBR 胶乳对再生混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比的提升幅度较大，而聚酯纤维对于降低再生混合料 的飞散损失具有更好的效果。14图7再生混合料抗水损害试验结果5结论本文利用回收的高等级公路上面层RAP材料，在室内进行RAP掺量为50的AC一13厂拌热再 生混合料设计，通过添加再生剂、温拌剂、SBR胶乳和聚酯纤维来保证再生混合料的压实性能和提 升再生混合料的路用性能，并对设计得到的再生混合料进行路用性能的试验评价和对比，得到如下 结论：(1)再生剂可以使老化沥青的针入度和黏度得到恢复，但是对延度的提升效果不理想，同时使 得沥青的软化点降低，因此再生剂的用量应控制在合理的水平。(2)

22、温拌剂降低了再生混合料的压实所需温度，使再生混合料在130下具有良好的压实效果， 解决了高RAP掺量导致混合料出料温度下降所带来的压实问题，也避免了RAP过高加热所带来的 老化问题。(”SBR胶乳和聚酯纤维都可以较好的提升再生混合料的抗车辙性能、低温抗裂性能和抗水损 害性能，同时添加SBR胶乳和聚酯纤维的再生混合料具有最好的路用性能。(4)设计得到的改性温拌再生混合料和改性纤维温拌再生混合料都具有优良的路用性能，满足 我国高速公路沥青上面层的技术要求，成功实现了沥青路面厂拌热再生RAP的高比例掺配，从而使 得高掺量RAP厂拌热再生技术能够应用于高等级公路的建设与维修。参考文献：1】NAPARe

23、cycling practices for HMARUSA：National Asphalt Pavement Association，2002 2】ARRABasic AsphaR Recycling ManualUSA：Asphalt Recycling&Reclaiming Associmion，2001 3】AustroadsAsphalt recycling guideMSydney,Australia，1 9974】Paul H REvaluation ofrecycled projects for performanceM】Baton Rouge：Louisiana Transp

24、ortation Research Center, 199875】RWest，JRWillis，MMarasteanuImproved Mix Design，Evaluation，and Materials Management Practices for Hot Mix Asphalt with High Reclaimed Asphalt Pavement ContentNCHRP Report 752，Fransportation Research Board， Washington，DC，20136】SDiefenderfer,HNairEvaluation of Hi曲RAP Mix

25、ture Production，Construction，and PropertiesPaper No3478，Transportation Research Board，Washington，DC，2014157】Jian Li，Fujian Ni，Yeming Huang，Lei GaoNew Additive for Use in Hot Inplace Recycling to Improve Performance of Reclaimed Asphalt Pavement MixJournal ofthe Transportation Research Board，Washington DC，20148】陈华鑫纤维沥青混凝土路面研究D】硕士学位论文】西安：长安大学，2002 9】封基良纤维沥青混合料增强机理及其性能研究【D】：硕士论文】南京：东南大学，200610Witczak，MW-，Kaloush，KSimple Performance Test For Superpave Mix DesignRTransportation Research Board NCHRP Report 465National Research Cou