RAP级配特征及对冷再生沥青混合料的影响

时间：2024-12-27

杨松翰，李响，张崇康

（1.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150006；2.辽宁省高速公路运营管理有限公司金普分公司，辽宁大连 116000）

0 引言

路面材料再生虽然解决了建设周期长、资源消耗大、废料无法处置等一系列问题，但因为铣刨旧料的性质对于再生混合料的性能影响较大，且存在较大的变异性，即使从同一路段的不同的标段、同一标段的不同车道回收的RAP，其矿料级配、油石比和沥青性能也存在一定差异，对于RAP的研究国内外多以沥青和骨料作为切入点，并对相应指标进行评价［1，2］。而RAP的铣刨、破碎等是导致变异性的主要原因，通过不同的RAP取样方法，以不同RAP作为研究对象具有较大意义［3-5］。Simonas Tamaliūnas［6］从沥青拌合厂入手，分析处理RAP方法的原理模型以及加热模型。杨建萍等［7］从回收旧料的团粒结构性等角度展开研究，建立了回收料的团粒结构性指标、级配的变异性指标等评价模型；刘亮等［8］采用三氯乙烯“剥离法”对RAP表面特性进行分层分析。随着研究的推进，许多研究学者将再生技术与沥青混合料的温拌技术进行结合，可达到降低热再生施工温度的同时节约施工成本的目的［9-11］，但RAP掺量、级配对于混合料性能具有显著影响［12，13］。文中基于RAP铣刨料结团现象和级配变化，针对RAP本身的性质，对粗、细两档的RAP进行性能分析并测定其不同档位的结团程度，将路面回收料划分为三类，通过抽提试验、击实试验观察级配变化，探究粗细RAP性质和结团状况，从结团料的角度揭示RAP的本质。通过RAP掺量、粗细比例等变量分析其对乳化冷再生混合料性能的影响，旨在控制废旧沥青回收料级配及沥青含量的变异性。

1 RAP结团料的分类

1.1 结团料分类

根据结团料的结构状态及物理性能，将粗RAP（4.75～26.5mm）以及细RAP（9.5～13.2mm）划分成未结团料、纯细料粘结、部分细料粘结料三类。图1为3种RAP铣刨料实拍图。

图1 3种RAP铣刨料实拍

未结团料实质上是单块集料外部裹覆一层旧沥青膜，具有一定的强度和刚度，同时还具备抗磨耗、抗冲击的性能。

纯细料粘结的是由许多粒径相近的细集料粘结形成的团体，其性质与细料间的旧粘结沥青相关。若旧粘结沥青粘结力较强，其宏观受力状态与同体积同粒径的独立完整碎石相同；若旧沥青粘结能力较差，宏观整体力学性能较差，相当于一个强度极其差的同体积碎石。

部分细料粘结料是不同大小的石料被沥青黏附而成的整体。当旧沥青的粘结强度足够时，其表现与同体积的完整独立碎石无异；当旧沥青粘结能力较差时，受力时小石料易脱离，而大石料仍然会发挥其部分作用，这种石料在压实得当的情况下仍然有较好的强度与路用性能。

1.2 结团料分布

将取自3个拌合站的RAP进行筛分，记录未结团料、纯细料粘结以及部分细料粘结料的占比情况。

表1、表2为两档RAP中未结团料、纯细料粘结以及部分细料粘结料的占比情况。其中粗RAP中的结团料占比较高，细RAP中的结团料占比较少。对于粒径范围9.5～13.2、13.2～16，粗RAP中的结团料占比分别为27%、43%，而细RAP为15%、18%，相差较大，其原因可能是在对细RAP进行刨铣破碎时，细RAP相较于粗RAP进行了多次破碎，因而级配较小，结团料破碎更彻底，所以结团料相对较少。

表1 粗RAP结团料占比情况

表2 细RAP结团料占比情况

粗RAP中部分粘结占比呈起伏变化，筛孔13.2时为最小值，表明在不同大小集料发生粘结时，中等大小的集料更容易与相对更大或者更小的集料粘结，而变成更大粒径的RAP，而小粒径的料不易与相邻筛孔的集料组成部分纯细粘结，而是与跟自己有一定跨度的料组成部分细料粘结料，或与自己相似的料构成纯细粘结。细RAP中13.2mm筛孔的部分粘结较多，原因是部分粘结是由不同大小粒径集料组成的，而细RAP本身较细，部分粘结必然是因为细RAP中的大粒径料粘结了细料。

2 RAP抽提前后级配变化

粗、细RAP抽提筛分后得到各筛孔通过率，最后绘制成级配曲线图。

图2 粗RAP抽提前后级配变化曲线

图3 细RAP抽提前后级配变化曲线

对于粗RAP，抽提后的曲线整体在抽提之前的上方，筛孔尺寸为16mm以上的部分通过率变化较小，说明抽提之后RAP集料发生细化。

根据抽提前后级配变化曲线可以看出，粗RAP集料在抽提后整体的通过率提高，这是由于粗RAP集料中不仅包括不同粒径的集料还有一定数量的结团料（旧沥青将粒径相对较小的集料结合成团），经过抽提后分散为更小粒径的集料。接近最小或最大粒径时结团料存在变少，故抽提变化率变化减小。其中0.3～16mm范围内为结团料存在的高频区。RAP集料中的结团料是因为铣刨料中的老化沥青将细集料黏结成团，使得破碎不够充分而存在的。

3 RAP击实前后级配变化

试验采用马歇尔试验模拟路面压实（双面击实75次），测定RAP集料在真实荷载作用下的承载能力，击实后直接进行筛分，将筛分数据整理成级配曲线图。

根据粗RAP级配变化曲线的形式，级配曲线整体向左迁移，说明在击实之后，部分集料发生破碎，其破碎原因主要可以归纳为两类，一种是RAP集料本身破碎、另一种是粘结料的被打开。

图4 粗RAP击实前后级配变化曲线

图5 细RAP击实前后级配变化曲线

粗RAP的粒径较大，在未掺加其他级配的集料时，没有细集料填充空隙，空隙之间集料支撑较少，形成的结构为骨架空隙型，因此在外界荷载作用时，并没有较好的卸力支撑点，对于棱角比较分明的石料或本身老化强度较差的石料，容易造成石料本身破碎，使得集料细化。对于结团料，由于其本身之间的粘结沥青强度不够，粘结面即为受力薄弱面，当荷载作用时，粘结面即变成卸力面，使大块粘结料变成小块同样可以使集料细化。

对于细RAP，由于集料本身细小，在经过前几次击实时，其结构偏向于形成悬浮密实型，当后期荷载作用时，对于每一个石料来说，各个方向均有较好的支撑。对于表层石料，下方包裹密实可以将表层受到的力很好的通过各个方向传递下去，受力均匀不会出现应力集中点，因此集料不会轻易破碎；对于内部石料，其各个方向均有完整石料支撑，空隙之间有细小的集料填充，可以更好的将外加荷载从各个方向均匀完整地传递出去，因此在马歇尔击实试验过后，细RAP的级配改变很小，曲线贴合效果较好，几乎不会造成太大的影响。在0.15～0.6mm档位之间出现细料增加的现象，对于级配的整体的改变并不大，其原因是表层集料的棱角被破坏，以及局部来不及形成密实结构的部分细小石料被冲击破坏，使集料细小化。

4 RAP对乳化冷再生混合料马歇尔稳定度的影响

设计3种粗粒式级配GP1～GP8，其中GP5、GP7较粗，GP6、GP8较细，GP1-4则是处于中间的状态，确定最佳含水率、最大干密度和对应含水率的最佳乳化沥青用量，如表3、表4、图6所示。

表3 不同级配的最佳含水率及对应最大干密度

表4 乳化沥青冷再生混合料配合比 %

图6 乳化沥青冷再生混合料合成级配

4.1 RAP掺量对乳化沥青冷再生混合料马歇尔稳定度影响

基于级配GP1～GP4（粗、细RAP总掺量分别为20%、40%、60%、80%，粗RAP与细RAP掺配比例为1：1）测定马歇尔稳定度，并对RAP掺量与稳定度进行线性拟合得到图7，其中回归公式y=25.93-0.18225x，判定系数R2=0.9636。

通过图7可知随着RAP掺量的逐级增加，马歇尔稳定度逐级降低，线性相关性较强，具有显著的拟合效果。当RAP掺量小于40%，或大于60%时，RAP掺量对于马歇尔稳定度的影响一般，不会造成过多差别，稳定度下降峰值主要集中在40%～60%之间。

图7 RAP掺量-稳定度拟合曲线

4.2 粗、细RAP掺配比对乳化沥青冷再生混合料马歇尔稳定度影响

为探究粗RAP与细RAP掺配比对于集料的影响，减少RAP整体掺量对于混合料的影响，将混合料中RAP掺量定为60%，粗RAP：细RAP定为60：0、45：15、30：30、15：45、0：60，从而确定RAP中哪种集料对于混合料的性能起到主导作用。

图8 不同粗RAP掺量对应马歇尔稳定度

各级配均在最佳的条件下进行试验，当粗RAP与细RAP掺量同为30%时，数值最小，粗RAP掺量为45%、细RAP为15%时马歇尔稳定度最高，为17.06kN。当粗细RAP比例为60：0、30：30、15：45、0：60时，马歇尔稳定度相差不大，不超过1kN，均小于粗RAP掺量为45%时的性能。总的来看，发生此试验结果的原因可能是因为当RAP掺量为45%时，与其他集料组成的级配具有更好的骨架结构，因而强度更大。但整体来说，将RAP总量定于60%时，整体起伏变化不大，若忽略级配所形成的骨架结构，则RAP总掺量对于混合料的影响强于粗、细RAP掺量的单独影响。