魏 强1,商博明2,蔡乾东2,徐培华3
(1.甘肃省酒泉公路管理局,甘肃酒泉 735000;2.陕西长大博源公路养护科技有限公司,陕西西安 710075; 3.长安大学公路学院,陕西西安 710064)
摘 要：为了研究自主开发的回收沥青混合料改性剂MaR的性能,对嘉安高速铣刨回收料沥青混合料进行了热再生改性试验研究。将添加改性剂的回收料制备成试件,并进行车辙试验、浸水马歇尔试验、低温劈裂强度试验以及冻融劈裂强度试验。试验结果表明:回收沥青混合料改性剂MaR使用方便,且使用改性剂的再生沥青混合料各项指标较未改性的混合料均有一定程度的改善,即MaR改性剂能够有效提升回收沥青混合料的综合性能。
关键词：热再生;混合料改性;试验研究;MaR
嘉安高速(嘉峪关至安西)嘉峪关至玉门镇段是连(云港)霍(尔果斯)主干线(G30)在甘肃境内的重要路段,又是“西部大开发”八条大通道之一——西宁至库尔勒公路的组成部分。经过8年的通车运营,其部分路段出现较为严重的路面病害,为有效改善路面行驶质量,加强路面服务水平,部分路段进行了铣刨维修,因此产生大量的铣刨回收材料(RAP)。随着养护工程的不断开展,如何处置数以万吨的铣刨材料成为必须面对的问题。
为了对嘉安高速沥青路面回收材料进行有效利用,提高再生沥青混合料使用性能,方便施工,项目组基于沥青混合料改性技术的思想,与陕西长大博源公路养护科技有限公司共同合作,进行了热再生沥青混合料改性剂产品的研发。本次试验主要对该产品的使用效果进行分析,为热再生沥青混合料改性剂的推广及再生沥青混合料的有效利用提供技术参考。
沥青混合料改性技术是在普通沥青混合料生产工艺的基础上,将沥青混合料改性剂直接加入拌和楼中,无需增加机械设备,不改变传统的生产工艺,只通过物理及化学作用达到改善沥青混合料性能的目的[1-2]。
1.1 化学作用机理
1.1.1 吸附固结作用
改性剂的橡塑高分子聚合物在一定温度下吸收沥青中的轻质油分而溶胀变形,同时在拌和楼机械搅拌力作用下发生拉丝、搭接、缠绕,与沥青胶浆一起裹覆于矿料之间,形成特殊的橡塑合金网络结构,并将所吸附的轻质油分固结在网络结构中,使沥青混合料高温不易变形、低温不易脆裂,达到固结稳定的作用。
1.1.2 增黏改性作用
改性剂中的纳米级材料及部分助剂可溶解在沥青胶浆中,提高沥青的软化点、延度,降低温度敏感性,从而达到改善沥青性能的作用;橡塑高分子聚合物吸收沥青胶浆中的轻质油分溶胀而不溶解,间接增加沥青的稠度和黏结性,提高沥青混合料的高温稳定性、黏结力和劲度模量,起到改善沥青混合料性能的作用。
1.2 物理作用机理
1.2.1 加筋增强作用
改性剂的橡塑高分子聚合物在沥青混合料中发生溶胀而不溶解,并在拌和楼内高速剪切力的作用下拉丝,在沥青混合料内形成搭桥、纤维加筋作用,提高沥青混合料的耐久性能、耐疲劳性能,延长沥青路面的使用寿命。
1.2.2 嵌挤填充作用
改性剂添加到沥青混合料中,橡塑聚合物溶胀后处于软化状态,在碾压作用下填充到沥青混合料的孔隙中,起到嵌挤、填充作用,提高沥青混合料的水稳性和高温稳定性。
目前,沥青混合料改性技术多用于新拌沥青混合料中,回收沥青混合料多采用液态改性剂进行拌和。然而,液态改性剂一方面不便于施工,另一方面在恢复回收材料中沥青老化性能时影响了沥青混合料整体的高温性能[3-6]。
2.1 混合料改性剂
为提高再生沥青混合料的高温抗车辙、低温抗裂性能,改善抗水损坏性能,项目组采用橡胶、树脂高分子聚合物以及纳米级材料和助剂混炼复合制成橡塑复合型改性剂产品MaR,用于改善回收沥青混合料性能,延长再生沥青路面的耐久性。沥青混合料改性剂MaR的物理技术指标见表1,本次试验MaR的掺量为混合料质量的0.3%。
表1 MaR物理技术指标
物理指标水分含量/%密度/(g·cm-3)软化温度/℃技术要求≤0.3≤1.0 135~155
2.2 沥青路面回收材料
为避免其他材料因素对试验结果产生影响,本次试验原材料选择嘉安高速沥青路面铣刨回收料,且不添加新集料[7-13]。参照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41—2008)、《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)、《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)等对回收料进行抽提试验,结果如表2、3所示。
表2 嘉安高速铣刨回收沥青路面材料的性能试验结果
检测项目结果技术要求含水量/% 0.26沥青含量/% 4.9粗集料的压碎值/% 14.7粗集料针片状颗粒含量/% 9.8细集料的砂当量/% 62 >55细集料棱角性/% 32.5 25℃针入度/0.1 mm 31 >20 RAP中沥青的性质15℃延度(5 cm·min-1)/cm 6.7软化点/℃70.2
表3 RAP各档筛孔通过率
筛孔尺寸/mm 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075通过率/% 100 96.6 91.7 81.6 61.7 45.6 36.6 26.9 17.6 9.0 6.0
2.3 沥青
试验用沥青材料为中海90#基质沥青,用量为2.0%,其技术指标见表4。
表4 中海90#基质沥青技术指标
检测项目规范指标检测结果针入度(25℃,100 g,5 s)/0.1 mm 80~100 92针入度指数-1.5~1.0 -1.35 10℃延度(5 cm·min-1)/cm≥45 >150 15℃延度(5 cm·min-1)/cm≥100 >150蜡含量(蒸馏法)/%≤2.2 1.96软化点/℃≥45 45.5动力黏度60℃/(Pa·s)≥140 153闪点(COC)/℃≥245 284溶解度/%≥99.5 99.9密度(15℃)/(g·cm-3)实测记录1.008质量变化/%≤±0.8 -0.081 TFOT或RTFOT后针入度比(25℃)/%≥57 67延度(10℃)/cm≥8 20延度(15℃)/cm≥20 >160
3.1 材料准备
将试验用回收材料在110℃±5℃的烘箱中预热4 h备用,基质沥青加热到150℃~160℃备用, MaR改性剂常温备用,拌和锅预热至160℃[14-15]。
3.2 MaR改性沥青混合料的拌和
首先将回收材料倒入预热到设定温度的拌锅中,然后加入基质沥青拌和40~60 s,拌和温度控制在155℃~160℃,加MaR改性剂拌和40~60 s,即可成型试件。
改性沥青混合料由于添加了MaR改性剂,细集料与沥青形成的胶浆材料均匀裹覆在粗集料表面,形成相对较厚的沥青薄膜,有利于提高沥青胶浆与集料的黏附性及沥青混合料的低温抗裂性能。
通过室内试验对AC-16型改性热再生沥青混合料的高温、水稳、低温劈裂等性能进行验证,并与未使用改性剂的热再生沥青混合料进行对比。
4.1 车辙试验
车辙试验采用300 mm×300 mm×50 mm试件,试验温度为60℃,荷载为0.7 MPa,试验结果如表5所示。
由表5可以看出,2组再生混合料抗车辙性能均能够满足规范要求,相较于未使用改性剂的热再生混合料,使用改性剂的再生混合料的抗车辙性能提高了44%。
表5 AC-16再生沥青混合料车辙试验结果
混合料类型规范要求动稳定度/ (次·mm-1)动稳定度检测结果/ (次·mm-1)普通再生AC-16 2 946改性再生AC-16≥800 4 242
4.2 浸水马歇尔试验
采用Φ101.6 mm×63.5 mm的试件进行60℃下0.5 h及48 h浸水马歇尔试验,试验结果如表6所示。
表6 热再生试件浸水马歇尔试验结果
混合料类型0.5 h稳定度/ kN 48 h稳定度/ kN浸水残留稳定度规范要求/%浸水残留稳定度/%普通再生AC-16 8.58 7.41 86.4≥75改性再生AC-16 10.12 8.97 88.6
由表6可以看出:2组再生混合料浸水残留稳定度均能够满足规范要求且相差不大;但在稳定度方面,相较于未使用改性剂的热再生混合料,使用改性剂的混合料的0.5 h及48 h稳定度分别提高了18%、21%。
4.3 低温劈裂强度试验
在10℃±0.5℃下进行沥青混合料的劈裂试验以评价再生沥青混合料的低温抗裂性能,结果如表7所示。
表7 热再生沥青混合料低温劈裂试验结果
混合料类型劈裂抗拉强度/MPa普通再生AC-16 2.95改性再生AC-16 3.81
由表7可以看出,使用改性剂的热再生沥青混合料,其低温劈裂抗拉强度较未使用改性剂的热再生混合料提高了29%。
4.4 冻融劈裂强度试验
冻融劈裂强度试验采用Φ101.6 mm×63.5 mm的马歇尔试件,双面击实50次,试验结果如表8所示。
由表8可以看出,2组再生混合料冻融劈裂残留强度比均满足规范要求,使用改性剂的热再生混合料的冻融劈裂强度比不仅高于规范要求18.4%,且较未使用改性剂的热再生混合料提高了19%。
表8 热再生沥青混合料冻融劈裂试验结果
混合料类型冻融劈裂残留强度比/%规范要求检测结果普通再生AC-16≥70 74.3改性再生AC-16 88.4
本次试验采用MaR改性剂进行热再生混合料改性研究,由各项试验结果可以看出以下几点。
(1)MaR固态改性剂使用方便、无污染,便于施工投放。
(2)MaR改性AC-16再生沥青混合料动稳定度、残留稳定度、低温抗裂及冻融劈裂等指标均满足规范要求。
(3)使用改性剂的再生沥青混合料各项指标较未改性的混合料均有一定程度的改善,即添加改性剂的混合料的综合性能得到了提升。
因此,在沥青路面回收材料拌和过程中,将固体改性剂产品直接添加到拌和楼中,能使其通过对沥青混合料的吸附固结、增黏改性、加筋增强和嵌挤填充等作用,提高沥青混合料的高温稳定性,改善沥青混合料低温柔韧性及抗水损害性能,增强再生沥青路面耐久性能,延长沥青路面使用寿命;同时,与先生产改性沥青、再生产改性沥青混合料的技术相比,具有明显的性能、经济、环保及应用优势。
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[责任编辑:杜卫华]
Experimental Analysis of RAP Modification for Jiayuguan-Anxi Expressway
WEI Qiang1,SHANG Bo-ming2,CAI Qian-dong2,XU Pei-hua3
(1.Jiuquan Highway Administration of Gansu Province,Jiuquan 735000,Gansu,China; 2.Shaanxi Changda Boyuan Highway Maintenance Technology Co.,Ltd.,Xiƴan 710075,Shaanxi,China; 3.School of Highway,Changƴan University,Xiƴan 710064,Shaanxi,China)
Abstract：In order to study the performance of MaR,a self-developed modifier for reclaimed asphalt pavement(also known as RAP),experimental study on the hot recycling and modification of RAP was conducted on the materials reclaimed from the milling of Jiayuguan-Anxi Expressway.The recovered material to which the modifier was added was prepared as a specimen,and the rutting test,Marshall stability test,low-temperature splitting strength test and freeze-thaw cycles were carried out.The results indicate that the MaR is easy to use,and the indicators of the asphalt mixture modified with MaR has a certain degree of improvement compared with that of the original mixture,which means the MaR modifier can effectively improve the comprehensive performance of the reclaimed asphalt pavement.
Key words：hot recycling;mixture modification;experimental study;MaR
中图分类号：U418.6
文献标志码：B
文章编号：1000-033X(2017)07-0050-04
收稿日期：2016-12-28
基金项目：甘肃省科技厅科技项目(2016Y0316)
作者简介：魏 强(1964-),男,山东营口人,高级工程师,研究方向为公路养护与管理。
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