2023-05-26
 
大掺量的厂拌热再生沥青路面设计实例研究
2023年05月26日   阅读量:202907

摘 要:

论述了沥青回收的改进工艺,包括采用油浴加热方式、持续加热时间的标准化和空白沥青标定; 提出了考虑沥青黏附与设备误差的集料有效密度测量方法;以体积法设计大掺量的厂拌热再生沥青路面,并进行了使用性能验证,为工程界提供具有可操作性的设计与施工方案。


关键词: 厂拌热再生沥青路面;沥青回收;集料密度;大掺量设计


1 引言


近年来,我国的沥青路面建设有了长足的发展。随着使用年限的增长,相当一部分沥青路面的路用性能已不能满足使用要求,若对其铣刨并废置填埋,则会造成较大的环境污染[1,2]沥青网sinoasphalt.com。沥青路面的再生利用技术可以节约资源并显著降低公路建设成本[3]。厂拌热再生沥青是公认的相对稳定的再生利用技术,能够为工程界提供及时和具有良好性能的道路养护与修复。一般而言,旧沥青混合料的掺量为 10%~30%。应用的范围包括道路路面、机场跑道等[4,5]。


厂拌热再生沥青路面作为多工序的单一工业产品,其质量必定受到多种因素的影响[6,7]:包括旧回收料(又称 RAP 材料、旧沥青混合料,英文全称为 Reclaimed Asphalt Pavement)、新集料、沥青、设计方法、拌合工艺、运输、摊铺、碾压、自然环境等。为了提高厂拌热再生沥青路面的设计与施工质量可靠性,本文指出了沥青回收试验、集料密度试验的具体方法,并设计旧回收料产量比例为 50%的沥青混合料,提出了施工技术要点,具有较为明显的方法创新性和工程实用性。


2 改进的旧沥青回收工艺


在进行厂拌热再生沥青路面设计时,需要明确旧沥青的路用性能,进而为新旧沥青掺配比例和选用新沥青等级提供基础数据。目前,常用的沥青回收试验方法为阿布森法,主要是通过蒸发溶剂(三氯乙烯等)来回收沥青,仪器简单,价格低廉,其主要问题是溶剂不能彻底清除。采用油浴加热代替加热套加热,可以提高清除效率。同时,采用空白沥青标定的方法来明确回收溶剂对沥青性能的影响,比较原状沥青与回收沥青的针入度等指标差异。


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由表 1 可知,与原状沥青相比,回收沥青的针入度偏大、软化点较低、密度减少、黏度降低。说明三氯乙烯溶剂没有完全蒸发。


针对以上问题,改进了试验步骤,适当延长加热时间,检查二氧化碳通气量是否充足。最佳的持续加热时间为 25~30min,沥青质量与溶剂质量比值为 1:6,选取两个不同的试验人员和设备,进行了对比试验。


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由表 2 可知,在持续加热时间为 25min,保证二氧化碳通气量的稳定和持续的条件下,两个试验的结果较为类似,其中,编号为 4 的沥青试验出现了测量误差。可见,该方法是有效可靠的,因此,推荐采用以上方法进行沥青回收试验。


3 集料有效密度试验


沥青路面是由沥青胶浆、集料和空气等组分构成。不同规格的集料级配在一定范围内波动,这就使得目标配合比与生产配合比之间存在差异。换言之,集料的级配波动和质量不稳定是造成沥青路面施工质量控制困难的重要因素之一。同时,旧回收料的来源、沥青含量、原材料质量要比新集料更加复杂,因此,又进一步加大了再生沥青混合料的质量控制难度。


集料有效密度 ρe 是准确设计沥青用量的关键参数,也是沥青混合料体积设计方法的基本指标。所谓的集料有效密度是指在规定的条件下集料的单位有效体积的质量。有效体积为集料的闭口孔隙、未被填充的开口孔隙和实体体积。


本文论述了 1 种集料有效密度测量的改进方法,主要试验步骤为:(1)在 25℃条件下,测量沥青的相对密度;(2)对容器 + 钢制搅拌勺的空中质量和水中质量进行测量,分别记为m1 和 m1';(3)选取有代表性的各档粒径集料 1 200g 左右,称量其烘干后的质量 m,然后,和搅拌勺一起加热至 160℃;(4)取两份沥青,分别加热至 160℃和 120℃;(5)取出装有集料的容器置于加热电炉上,滴入 160℃的沥青 5g,用钢勺搅拌均匀,重复 5 次左右,直到沥青搅拌均匀、无花白料和多余沥青沉积在容器底部,钢勺留置在容器内;(6)在室温条件下将沥青混合料温度降至 120℃,加入大量温度为 120℃的沥青,均匀搅拌 3min,用吹风机将气泡清除干净;(7)冷却至室温,测量沥青混合料试样(沥青 + 集料)+ 容器 + 搅拌钢勺的空气质量 m;(8)在水中恒重 2h,测量沥青混合料试样(沥青 + 集料)+ 容器 + 搅拌钢勺的水中质量 M';集料有效密度的改进计算方法如下:


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式中, ρw 为 25℃条件下水的密度;ρ b 为 25℃条件下沥青相对水的密度。


按下式计算改进后的集料毛体积密度:


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式中,m2 为沥青 + 容器 + 搅拌钢勺的空气中质量;m′2 为沥青+ 容器 + 搅拌钢勺的水中质量。


在上述试验方法中,分次、分温度(160℃和 120℃)加入沥青,是为了确保气体的顺利排出,保证流动性,减少试验步骤,降低系统性误差。试验结果如表 3 所示。

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采用真空法测量的集料有效密度更为接近真实值,能够最大限度地将集料表面和开口孔隙中的空气抽除干净。因此,可将其作为基准值。以 A 混合料为例,其真空法测得的最大理论密度为 2.74 g/cm3,表干法测得的最大理论密度为 2.726g/cm3,相差了 0.014 g/cm3,改进后的密度试验方法测得值为2.736 g/cm3,可见,与真空法实测值更为接近。需要说明的是,改进后的密度试验方法适用于多孔隙或少孔隙的各种集料类型。这样,也就从原理上保证了厂拌热再生沥青混合料设计的科学性与合理性。


 4 大掺量的厂拌热再生沥青路面设计


本文以马歇尔设计方法进行了大掺量(旧回收料)的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计,其设计步骤为:(1)选取有代表性的旧沥青混合料;(2)试验室分析。确定旧沥青混合料的组成与性能,新旧沥青混合料的掺配比例,选择新沥青、新集料,在试验室试配、拌和、压实与性能验证(; 3)确定厂拌热再生沥青混合料的最佳配合比。


沥青为 AH-70(密度为 1.05g/cm3),新集料为石灰岩。1号 ,2 号 ,3 号 ,4 号 和 5 号集料的毛体 积密度分别为2.691g/cm3,2.69g/cm3,2.688g/cm3,2.66g/cm3 和 2.649g/cm3,表4 为集料的筛分试验结果。


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粗铣刨料和细铣刨料的油石比分别为 1.8%和 6.2%,采用改进的有效密度试验方法测量其毛体积密度,对于粗铣刨料,粒径大于 4.75mm 的旧回收料有效密度为 2.71g/cm3,粒径小于 4.75mm 的旧回收料有效密度为 2.714g/cm3。对于细铣刨料,粒径大于 4.75mm 的旧回收料有效密度为 2.723g/cm3,粒径小于 4.75mm 的旧回收料有效密度为 2.729g/cm3。


通过对掺加旧回收料的沥青混合料进行试配,得到表 5的级配,对应的生产配合比为:1 号集料、2 号集料、3 号集料、4号集料、5 号集料、粗铣刨料、细铣刨料的百分比分别为15,11,7,12,5,25,25。油石比为 3.8%。

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对成型后的沥青混合料试样进行体积指标测定,试验结果均能满足技术要求。测得的马歇尔残留稳定度为 89%(技术要求为大于 80%),冻融劈裂试验结果为 86%(技术要求为大于 75%),动稳定度试验结果为 2 132 次 /mm(技术要求为大于 1000 次 /mm)。表 6 是沥青混合料体积性质指标。


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5 结论

本文通过对厂拌热再生沥青路面全过程设计与施工的研究,在对旧沥青回收、集料密度测量进行改进的基础上,进行了旧回收料大掺量的再生沥青混合料设计研究,结论如下:

1)针对沥青回收方法对其性能和新旧沥青混合比例有着重要影响,采用空白沥青标定、规范加热方式与时间,能够提供较为稳定的试验结果。

2)为了准确测量集料的有效密度,采用考虑试验设备的密度测量方法,并给出了计算公式,通过与真空法对比,改进后的密度测量结果与实测值更为接近。

3) 设计了旧回收料掺量比例为 50%的厂拌热再生沥青混合料,明确了相应的级配、油石比、设计控制指标和体积指标,经过性能试验证明,可以满足实际工程要求。


参考文献:

【1】朱成.高比例RAP热再生沥青混合料性能试验研究[D].广州:华南理工大学, 2012.

【2】方杨,刘宇,张国民.高掺量RAP厂拌热再生混合料高温稳定性能研究[J]. 公路, 2013 (4): 99-102.

【3】杨成.RAP掺量对再生沥青及再生沥青混合料性能的影响[J].公路工程, 2016, 41(6): 299-302.

【4】王真,黄文婷,李振,等.温拌再生沥青混合料性能的试验研究[J].科学技术与工程, 2014 (1): 273-276.

【5】马煜缨.纤维加强再生沥青混合料的压实特性研究[J].科学技术与工程, 2014 (8): 256-259.

【6】陈强,吴文亮,王端宜,等.耐久性再生集料半刚性基层沥青路面三阶段结构设计[J].科学技术与工程, 2014 (2): 247-251.

【7】Shirodkar P, Mehta Y, Nolan A, et al. A study to determine the degree of partial blending of reclaimed asphalt pavement (RAP) binder for high RAP hot mix asphalt. Construction and Building Materials, 2011, 25(1): 150-155.


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