厂拌热再生沥青混合料拌合质量影响因素研究

厂拌热再生沥青混合料拌合质量影响因素研究

 楼树桢  吴宏富  宁英杰

浙江交工集团股份有限公司  浙江 杭州 310000

摘 要：为获得厂拌热再生沥青混合料拌合生产过程的质量关键控制要点，本文开展了再生沥青稳定碎石混合料（RATB-25）的配合比设计试验和拌合关键工艺参数的试验研究，探讨了拌合工序、RAP预热温度及RATB-25拌合时间对RAP分散程度、新旧沥青混溶、RATB-25空隙率以及路用性能的影响。试验发现，RAP预热温度升高，有利于RAP分散、新旧沥青混溶以及RATB-25路用性能，综合考虑建议采用RAP预热温度为120~140℃；拌合时间延长，新旧沥青混溶程度增强，RATB-25空隙率降低、路用性能提高，建议综合考虑再生混合料路用性能及生产效率，确定最佳的拌合时间。

关键词：沥青路面厂拌热再生；沥青混合料回收料（RAP）；拌合生产；新旧沥青混溶；路用性能

1 概述

公路沥青路面铣刨和开挖产生大量的废旧材料，将沥青混合料回收料（RAP）进行资源化利用，可补充道路建设中材料资源的缺口，具有巨大的环境效益、经济效益和社会效益。目前，RAP掺配比例＜20%的厂拌热再生技术已相对成熟，但道路建设的原材料供应、工程造价和环境方面的压力均对RAP掺量提出了进一步提高的要求。其中，再生技术方案和施工生产工艺是影响再生沥青混合料中RAP掺量及其路用性能的关键因素。由于RAP中老化沥青､旧集料的材料特性，使得高掺量RAP热再生混合料设计生产难度加大，混合料部分性能也受到不利影响。

厂拌热再生理论基础研究已较多，再生沥青混合料组成设计中各个环节处理是否得当､方法是否合理完善，将直接决定热再生混合料最终的性能水平，进而成为限制RAP最大利用率的重要控制因素之一[1]，有必要以实际生产设备及工艺为基础，探讨厂拌热再生拌合生产关键技术。本文从选择合理再生技术方案及提高新旧沥青混溶状态等方面，对厂拌热再生开展相关的关键技术研究，以期提高RAP再生利用率及增强再生效果，保障热再生混合料设计性能。

2 试验材料

2.1 原材料

RAP取自福建省某高速改扩建工程，原沥青路面服役年限为8年左右，经破碎、筛分预处理分为0～8、8～15、15～25mm三档。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中T 0722—1993、T 0727—2011试验方法分别对三档RAP进行抽提及回收沥青，并分别对回收得到的旧集料及旧沥青进行性能检测，试验结果分别见表1和表2。石灰岩集料取自平寨村吃水坑石料场，分为四档，其性能检测结果见表1。RAP旧集料与石灰岩集料相比，同粒径范围的石灰岩集料吸水率略小、针片状含量相当、压碎值略大。

RAP中旧沥青的针入度满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG T 5521-2019）中RAP厂拌热再生的技术要求（针入度≥20/0.1mm）。试验新沥青采用重交70#道路石油沥青，各项技术性能检测结果见表2，符合规定要求。试验矿粉由龙岩市全鸿建材有限公司生产，各项技术指标均符合规范要求。为保证再生混合料抗水损坏性能，采用重庆伍圣建材有限公司生产抗剥落剂（型号AR-I）。

图1  RAP和石灰岩集料的矿料级配

表1  RAP旧集料及石灰岩集料性能检测结果

表2  RAP旧沥青及新沥青性能检测结果

2.3 目标配合比设计

针对某高速公路沥青稳定碎石上基层，以ATB-25为试验混合料。设计RAP掺量为30%，考虑到RAP掺量并不高，且RAP中旧沥青的老化程度并不高（表2），参照以往工程经验及ATB-25目标配合比实际应用情况，估算热再生ATB-25（简称为RATB-5）的总沥青用量Pb为4.0%，根据三档RAP中旧沥青含量，并参照JTG T 5521-2019新沥青用量计算方法（Pnb=Pb-Pob2×n/100），计算得到RATB-25新沥青用量Pnb为2.5%。经三组合成矿料级配对比以及最佳沥青用量确定，得到RATB-25的目标配合比见表3，最佳沥青用量时的马歇尔试验结果及水稳定性指标见表4。表中数据表明，RAP掺量30%时的RATB-25各项指标均满足规范要求。

表3  再生混合料RATB-25目标配合比

表4  再生混合料RATB-25马歇尔试验结果

3 再生混合料拌合关键工艺分析

3.1 拌合工序

3.1.1 试验方法

再生混合料各材料合理的添加工序是其生产过程中的关键，拌合过程中RAP、新集料、新沥青、再生剂（必要时）等添加顺序的改变直接影响到最终的拌合效果。再生混合料制备过程中，老化沥青以薄膜形式粘附在旧集料表面，新沥青（再生剂）借助机械搅拌及扩散作用与老化沥青进行混溶。影响老化沥青与新沥青混溶状态的工艺条件有拌合次序、拌合温度和拌和时间等，新老沥青的混溶程度将显著影响再生效果。借助新旧沥青的混溶程度的评价指标可对合理的拌和工序开展分析对比。

参考文献[2]中的方法进行新旧沥青融合程度DOB（degree of blending）的试验方法，通过比较部分混溶与完全混溶（DOB=100%）两种混溶状态的再生混合料的新沥青用量来确定设计沥青用量，以此计算实际 DOB，见公式（1）。

                       式 (1)

式中：DOB为新旧沥青混溶程度，%；M1为 RAP 中旧沥青的质量，g；M2为混合料再生时所需自由沥青总质量，g；M3为混合料混溶时所需新沥青质量，g。

3.1.2 试验方案

按照RAP、新沥青、新集料、矿粉掺加次序和拌合时间的不同，设计三种拌合工艺，其他汇总于表5。以2.3节RATB-25目标配合比为试验材料，对三种拌合工艺条件下得到的RATB-25进行新老沥青混溶模拟试验。

表5 室内试验室拌合工艺试验方案

3.1.3 试验结果与分析

不同拌合工艺下新旧沥青融合程度DOB测试结果见表6。采用拌合工艺2的再生混合料新旧沥青融合程度DOB高于工艺1、3，这表明先掺加新沥青与 RAP拌合有利于提高RATB-25中新老沥青的混溶程度。工艺1中，由于新集料的提前掺加，新集料表面也裹附新沥青，与RAP表面旧沥青混溶的新沥青减少，即新集料干扰了新沥青对老沥青的混溶效果。对于工艺3，虽各种整体拌合时间与工艺1、2相近，但新集料、矿粉与新沥青的混合减弱了新老沥青混溶。

需要注意的是，采用先掺加新沥青、后掺加新集料的拌合次序（工艺2），虽然在一定程度上提高了新老沥青的混溶程度，但不利于再生混合料中再生沥青对集料颗粒裹覆的均匀性[3]，从而结合再生设备实际情况，不宜采用先掺加新沥青、后掺加新集料的拌合次序。另外，三种工艺条件下DOB均小于100%，表明新旧沥青之间不能达到完全混溶状态，即RAP表面裹附的老沥青与新沥青仅发生部分渗透，因此实际总沥青用量要比设计总沥青用量低，从而导致实际生产过程中再生混合料性能与目标性能标准有一定差异。

表6  拌合工艺参数对再生混合料DOB的影响

3.2 RAP加热温度

3.2.1 对分散程度的影响

RAP中颗粒易结成团块，再生混合料拌合过程中RAP经加热分散，粗颗料（粒径>2.36 mm）会部分转化成细颗粒（<2.36 mm），因此厂拌热再生工艺生产中将 RAP 中的颗粒分散开需达到一定的温度。若达不到这个温度的下限，RAP 不能充分分散，颗粒始终以团块形式存在，新集料、新沥青无法与 RAP 形成真正意义上的拌合，从而影响再生混合料的路用性能。

为量化RAP的分散程度，考虑到RAP抽提后的矿料通过率Psh比新拌混合料的要高，采用公式（2）计算结团度指标ds[4]。

                式（2）

式中：Pr为温度T时RAP各个筛孔通过率，%；Px为抽提后矿料与新沥青拌合的混合料在160℃拌合温度下各个筛孔通过率，%。

以2.3节RATB-25目标配合比为试验材料，参考文献[4]中试验方法进行不同RAP预热温度下RAP分散度的试验，得到RAP加温温度对结团度指标ds的影响，见图2。可见，随着RAP预热温度的升高，RAP 结团度逐渐下降，当RAP预热温度超过100℃后

ds快速下降，表明温度升高、RAP颗粒团块打开的程度越大，细颗粒RAP增多；RAP预热温度达到120℃时 RAP的分散程度已较充分，这时再提高温度，其分散性变化已不大。以上分析表明，拌合过程中，在搅拌机的机械作用以及高温作用，温度越高，团聚RAP颗粒间胶结料的粘聚力下降，并逐渐趋于分散。RAP分散性改善将有助于再生混合料矿料级配的均匀性，并保证再生混合料的整体力学强度和路用性能。

图2  加热温度对RAP分散程度的影响

3.2.2 对新旧沥青混溶程度的影响

以2.3节RATB-25为试验材料，按照3.1.1试验方法及表5中工艺一，通过改变RAP预热温度拌制RATB-25，得到RAP加热温度对新旧沥青融合度DOB的影响，结果见图3。由图可见，DOB随RAP预热温度升高而增大，以120℃为界，RAP预热温度从80℃升高到120℃时，DOB增长了33%，而RAP预热温度从120℃升高到160℃时，DOB仅增长了8.1%，可见RAP预热温度对新旧沥青的混溶并不是持续增长的，考虑RAP中老沥青二次老化以及加热工效等方面，存在最佳的RAP预热温度以保证新旧沥青的混溶。

机理方面，温度较低时，RAP 中的部分老化沥青不会参与新混合料的融合，而是仅裹敷在集料表面，新沥青和旧沥青没有完全融合，甚至部分没有融化的旧沥青会阻碍新沥青与旧集料的接触。随着RAP预热温度升高，沥青分子层面的运动越激烈，越有利于新旧沥青界面分子的相互渗透。另外，上节试验结果也表面，拌和过程中产生的机械力以及颗粒之间的相互作用将会破坏团聚颗粒，增加 RAP表面老化沥青与新沥青、新集料之间的接触面积，从而促进RATB-25中新旧沥青分散以及融合的均匀性。

图3  加热温度对新旧沥青混溶DOB的影响

3.2.3 对路用性能的影响

进一步按照JTG E20-2011中的试验方法，通过变化RAP预热温度，得到其对RATB-25水稳定性能、高温稳定性能及低温抗裂性能的影响，见图4。随着RAP加热温度的升高，RATB-25的各项路用性能指标均有升高，但升高幅度有所差异，当由80℃升高至160℃时，冻融劈裂强度比TSR、动稳定度DS及最大破坏应变εmax分别提高了19.6%、17.8%、60.4%，可见，RAP预热温度对RATB的低温抗裂性能提升效果最为明显，对水稳定性和高温稳定性的影响相当。另外，从水稳定性和高温稳定性的结果来看，当RAP预热温度达到120~140℃后，两者的提升效果已不大。

（1）水稳定性 （2）高温稳定性

（3）低温抗裂性

图4  加热温度对RAP分散程度的影响

3.3 拌合时间

3.3.1 对新旧沥青混溶程度的影响

以2.3节RATB-25为试验材料，按照3.1.1试验方法及表5中工艺一，通过改变RAP与新集料的拌合时间、新沥青和矿粉的拌合时间拌制RATB-25（两次拌合时间相同），得到拌合时间对新旧沥青融合度DOB的影响，结果见图5。

图中数据表明，拌合时间的延长将有利于再生沥青混合料中新旧沥青间的充分融合。可见，RAP在与新沥青、 新集料拌和过程中，物理搅拌作用促进RAP中老化沥青的分离，RAP中的老沥青与新沥青之间由部分融合向完全融合的方向转变，且随着融合程度的增加，新旧沥青之间的融合效率在逐渐降低，即搅拌时间超过180s，DOB增长已明显放缓。拌合时间对新旧沥青融合的影响可进一步分为三个阶段：①初始阶段（拌合开始~150s），RAP与新沥青、新集料之间初步相互接触，并发生部分新沥青与RAP表面液体老化沥青相互迁移行为；②混合阶段（150s~180s左右），新沥青与RAP中老化沥青均匀覆盖在新集料、RAP集料表面，新沥青与RAP表层老化沥青胶浆间的迁移充分完成；③混溶阶段（180s之后），因新老沥青间分子质量的差异，新老沥青界面在化学微观作用力下发生分子层面的相互迁移，形成均质再生沥青[5]。

另外，与3.2.2节试验结果相比可见，拌合时间和RAP预热温度均有利于新旧沥青的混溶，两者具有相似效果。因此，在再生混合料实际拌合生产时，可结合实际需求考虑选用最为适合的拌合参数，以保证新旧沥青的混溶。

图5  拌合时间对新旧沥青混溶程度的影响

3.3.2 对空隙率的影响

在厂拌热再生技术中，RAP的掺加会导致再生混合料的空隙率较大，压实较为困难。再生沥青混合料最关键的体积参数是空隙率，其对再生混合料的水稳定性能、抗裂性能及疲劳性能均有重要影响[6]。本节开展拌合时间对RATB-25空隙率的影响试验，结果见图6。可见，拌合时间延长，RATB-25的空隙率下降。拌合初始阶段，RAP掺加后新旧料之间的融合不够充分，拌和不均匀，再生混合料的空隙率偏大，并可能导致水损坏的发生。拌合时间超过180s后，RAP沥青能较好地软化并分散，与新沥青、新集料等材料之间的融合更充分，拌和更均匀，空隙被填充挤密。

图6  拌合时间对

RATB-25空隙率的影响

3.3.3 对路用性能的影响

进一步按照JTG E20-2011中的试验方法，通过变化RATB-25拌合时间得到其水稳定性能、高温稳定性能及低温抗裂性能的变化，见图7。随着拌合时间延长，RATB-25的各项路用性能指标均有升高，但升高幅度有所差异，当由120s升高至240s时，冻融劈裂强度比TSR、动稳定度DS及最大破坏应变εmax分别提高了20.6%、35.2%、28.6%，可见拌合时间对RATB-25的高温稳定性能、低温抗裂性能提升效果较为明显。从水稳定性和高温稳定性的结果来看，当拌合时间超过210s后两者的提升效果已不大。另外，对比拌合时间、RAP预热温度对路用性能的提升幅度（3.2.3节），试验RAP预热温度的提升效果更为明显。

（1）水稳定性 （2）高温稳定性

（3）低温抗裂性

图7  拌合时间对RATB-25路用性能的影响

综上，拌合时间对可以促进新沥青对旧沥青的软化和对沥青质的分解，促进新旧料、新沥青之间的充分融合，从而提高再生混合料的拌和均匀性和密实性，拌合时间不足将导致产生花白料[7]，影响再生混合料的路用性能。有研究表明，再生混合料拌合时间与RAP掺量呈正相关，为保证各材料间热量充分传递和各添加剂发挥最佳作用，高RAP掺量下混合料的拌合时间应适当延长[8]。但同时，拌合时间增加会影响生产效率，在生产过程中，应该在保证材料充分拌和时间的基础上，平衡好生产效率与再生混合料性能的关系，确定最佳的拌和时间。

3.4 生产配合比

3.4.1生产配合比设计

由于拌和设备在二次筛分过程中带有除尘功能，降低了<0.075mm通过率含量，所以RATB-25生产配合比设计中适当增加矿粉用量，见表7。按照目标配合比的各种集料用量（不加沥青和矿粉）进行试拌，对各出料仓取样进行筛分（水洗法）试验，并测定其表观相对密度及毛体积相对密度。对各仓集料筛分试验结果与RAP中集料的筛分结果进行级配合成（表8），生产合成级配的通过率和目标配合比合成级配通过率比较吻合。

表7  再生混合料生产配合比

表8  再生混合料生产矿料级配与目标矿料级配的比较

根据目标配合比最佳总沥青用量4.0%±0.3%三种沥青用量（即3.7%、4.0%、4.3%沥青含量），取沥青拌和楼热筛集料进行室内马歇尔试验，结果见表9，各项指标符合设计要求。

表9  再生混合料马歇尔试验结果

3.4.2 生产配比复核检验

施工前应对拌和设备进行反复调试，确保按照冷集料比例输送，并对二次筛分的各档料进行合成。首先确定热料仓筛网尺寸及电机转速，结果见表10，沥青拌和楼热料仓对应不同筛孔尺寸范围，三档RAP对应的筛孔尺寸分别为（15-25）mm、（8-15）mm、（0-8）mm。在无异常状态下，不得更改热仓跟RAP料仓尺寸。然后，根据调好的热料仓比例，考虑上机试拌等大规模生产需要，在沥青拌和楼进行试拌生产（沥青加热温度160℃，集料加热温度180℃、RAP加热温度130℃），拌和后目测混合料油膜分布比较理想，矿料粗细均匀，取样进行马歇尔、沥青用量、级配等试验，确认合成级配接近于设计级配（表11）。最后，施工过程中拌和楼应严格按照配合比生产，使用间歇式拌合设备，新加入的集料加热烘干后，通过热料仓筛分、计量进入间歇式拌缸，先干拌5~10s，然后与在再生机中加热至130℃经过计量RAP拌合10~15s，加入新沥青和矿粉，湿拌40~45s，最后拌合均匀出料。沥青加热温度160℃，集料加热温度180℃，RAP加热温度130℃，实际拌和温度控制在163℃左右，高于195℃为废弃温度。

表10  冷料仓转速匹配设置

表11  再生混合料生产矿料级配与目标矿料级配的比较

4结论

（1）RAP 预热温度将影响到其分散程度、新旧沥青融合以及路用指标等，这些因素之间互相关联，且这种影响涵盖了分子层面、微观层面、宏观性能方面。通过RAP 在不同加热温度下上述指标变化的分析，可得出试验 RAP 合理的加热温度区间为120~140℃。

（2）延长再生混合料的拌和时间可提高新旧沥青的融合性、降低RATB-25的空隙率、提高RATB-25的路用性能，建议拌合时间控制在180~210s。拌和时间延长将会显著降低厂拌热再生沥青混合料的生产效率， 增加生产成本和生产过程中的能耗与碳排放，需要综合考虑性能、经济、 环境方面以确定合理的拌和时间。

（3）本文仅针对RAP掺量30%的RATB-25进行了关键生产工艺的分析，随着RAP掺量需求的增加，有必要引入再生剂对更高RAP掺量的再生混合料开展研究。

参考文献：

[1]王雪莲,胡林,黄晓明.沥青路面厂拌热再生工艺关键技术研究[J].中外公路, 2019, 39(01):210-214.

[2]宁升华. 旧沥青路面材料的回收设备及混溶状态影响因素研究[D].湘潭大学,2020.

[3]祁文洋,赵建新. 再生混合料中新老沥青的混溶行为研究[C]//浙江省土木建筑学会.第26届华东六省一市土木建筑工程建造技术交流会论文集（下册）.《施工技术》杂志社,2020:255-259.

[4]王飔奇,黄晓明,胡林.厂拌热再生路面回收料加热温度区间分析[J].现代交通技术, 2015, 12(05):5-8.

[5]陈铁军.热再生沥青混合料RAP分散情况的多尺度分析[J].公路交通科技,2022,39(12):17-26.

[6]《中国公路学报》编辑部.中国路面工程学术研究综述·2020[J].中国公路学报,2020,33(10):1-66.

[7]韩骜. 热再生沥青混合料中新旧沥青融合过程表征解析与预测研究[D].华南理工大学,2022.

[8]刘凯. RAP沥青界面再生融合度对厂拌热再生沥青混合料性能的影响研究[D].重庆交通大学,2020.

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