高掺量 RAP 厂拌热再生技术研究

摘要：高性能再生剂可在短时间内调和老化沥青的成分，改变老化沥青的流动性。该技术采用振动筛控制铣刨料配比，通过精确控制的热再生拌和楼生产出热再生混合料，保证混合料的技术性能。通过改良的摊铺碾压工艺和施工质量控制方法，控制热再生混合料的铺筑效果。高掺量RAP厂拌热再生技术的推广应用可大量应用沥青铣刨料，解决铣刨料无处堆放的问题，还避免了石料开采和沥青加工过程引起的环境污染。该技术适用于公路养护、新建及改扩建工程，特别适用于沥青铣刨料多的状况。关键词：道路工程；路面材料；沥青老化；热再生；拌和楼1.技术概况公路养护工作每年都会产生大量的废旧沥青铣刨料RAP，而受限于废旧沥青老化及铣刨料级配差等原因，废旧沥青铣刨料的利用率和利用价值一直不高。应用于冷再生时，铣刨料中的沥青完全不发挥作用，浪费了大量的沥青资源；而应用于热再生时，包括厂拌热再生和就地热再生，因为铣刨料中沥青老化的问题，铣刨料的掺量一直不高，且普遍存在高等级公路铣刨料应用于低等级公路的情况，这就导致铣刨料本身的价值不能充分发挥。因此，有必要研究提高沥青路面热再生工程中铣刨料的掺量，并将高等级公路的铣刨料应用于高等级公路的建设工程中。基于现阶段技术，提高铣刨料掺量关键在于严格控制铣刨料的级配及激活废旧沥青，而激活废旧沥青的关键在于新型再生剂。现在市场上的再生剂产品质量参差不齐，普遍存在对废旧沥青改性效果欠佳及耐老化性能差的问题。山东省滨州公路工程总公司积极调研国内的废旧沥青再生剂材料，联合山东大学、北京路养科技有限公司等单位推广应用了高性能再生剂材料，在充分保证厂拌热再生混合料技术性能的前提下，显著提高了铣刨料掺量。2.技术原理沥青老化后，沥青中的轻质油份变少，沥青的针入度、延度等指标大幅度下降。经过深入调研比选，本项目选中了一种高性能的废旧沥青再生剂，该再生剂是轻质油分和特种高分子溶剂的混合物，可在短时间内调和老化沥青的成分，改变老化沥青的流动性，在混合料拌和过程中实现废旧沥青的重新裹覆。在生产过程中，安装了沥青铣刨料二次破碎设备及振动筛分机械，可分档筛分成三档铣刨料，有效控制了铣刨料的级配。同时，为保证厂拌热再生的材料生产量和再生混合料稳定性，新构筑了沥青拌和楼，加装了专用再生滚筒、计量装置、再生料斗及相关管道等，可实现两档铣刨料以任意比例同时添加进拌和楼，并通过再生剂专用储存罐、管道和计量秤，在铣刨料加热后，将再生剂首先与铣刨料混合，随后经再生的铣刨料落入拌和仓，与较高温度下的新集料、新沥青进行二次拌和，实现混合料的充分拌和。高掺量RAP厂拌热再生技术实施方案的流程主要包括：施工准备、配合比设计及性能验证、再生混合料生产、运输、摊铺、碾压、施工质量控制等。2.1施工准备沥青老化后，沥青中的轻质油分变少，沥青的针入度、延度等指标大幅度下降。经过深入调研比选，本项目选中了一种高性能的废旧沥青再生剂，该再生剂是轻质油分和特种高分子溶剂的混合物，可在短时间内调和老化沥青的成分，改变老化沥青的流动性，在混合料拌和过程中实现废旧沥青的重新裹覆。在生产过程中，安装了沥青铣刨料二次破碎设备及振动筛分机械，可分档筛分成三档铣刨料，有效控制了铣刨料的级配。同时，为保证厂拌热再生的材料生产量和再生混合料稳定性，新构筑了沥青拌和楼，加装了专用再生滚筒、计量装置、再生料斗及相关管道等，可实现两档铣刨料以任意比例同时添加进拌和楼，并通过再生剂专用储存罐、管道和计量秤，在铣刨料加热后，将再生剂首先与铣刨料混合，随后经再生的铣刨料落入拌和仓，与较高温度下的新集料、新沥青进行二次拌和，实现混合料的充分拌和。2.2配合比设计及性能验证1）目标配合比设计根据铣刨料中废旧沥青的老化程度，确定再生剂的用量，保证再生沥青的技术指标满足表1要求，再生剂用量为废旧沥青量的5%~10%。表1再生沥青技术要求按照《公路沥青路面再生技术规范》的要求，在实验室拌和热再生混合料添加了再生剂后，铣刨料掺量可取40%~60%，材料配合比确定后，对设计配合比下的热再生沥青混合料进行性能检测，确保满足热拌沥青混合料的技术要求，具体要求见表2。表2再生混合料技术要求2）生产配合比设计对间歇式拌和机，应按规定方法取样测试各热料仓的材料级配，确定各热料仓的配合比，供拌和机控制室使用。同时选择适宜的筛孔尺寸和安装角度，尽量使各热料仓的供料大体平衡。并取目标配合比设计的最佳新沥青用量OAC、OAC±0.3%等三个沥青用量进行马歇尔试验和试拌，通过室内试验及从拌和机取样试验综合确定生产配合比的最佳沥青用量，由此确定的最佳沥青用量与目标配合比设计的结果的差值不宜超过±0.2%。3）生产配合比验证拌和机按生产配合比结果进行试拌、铺筑试验段，并取样进行马歇尔试验，同时从路上钻取芯样观察空隙率的大小，由此确定生产用的标准配合比。标准配合比的矿料合成级配中，至少应包括0.075mm、2.36mm、4.75mm及公称最大粒径筛孔的通过率接近优选的工程设计级配范围的中值，并避免在0.3~0.6mm处出现“驼峰”。2.3再生混合料生产根据需要的混合料公称粒径，确定新集料及铣刨料的粒径范围，分别上料至储料漏斗。检查沥青及再生剂管路是否通畅，计量装置是否准确，拌和楼（见图1）各环节控制信号是否可正常使用。图1带有再生系统的拌和楼混合料生产时，铣刨料经由皮带传送至再生滚筒，加热至110℃，加热后落入再生料储料仓，进行铣刨料称量，此时，再生剂经计量后在铣刨料下落口喷洒。再生剂与铣刨料初步混合后进入拌和仓，与下落的新集料混合搅拌，搅拌既定时间后，喷洒新沥青，进行搅拌并出料，干拌时间比全新热拌沥青混合料延长5~10s，总拌和时间延长15s左右。根据铣刨料的掺量不同，提高新集料的加热温度，但最高不宜超过200℃。保证出料温度比同类型的全新沥青混合料高5~15℃。2.4运输热再生混合料宜采用较大吨位的运料车运输，但不得超载运输或急刹车、急弯掉头等情况致使透层和封层造成损伤。运料车的运力应稍有富余，施工过程中摊辅机前方应有运料车等候。对高速公路、一级公路，宜待等候的运料车多于5辆后开始摊铺。运料车每次使用前后必须清扫干净，在车厢板上涂一薄层防止沥青黏结的隔离剂或防黏剂，但不得有余液积聚在车厢底部。从拌和机向运料车上装料时，应多次挪动汽车位置，平衡装料，以减少混合料离析。运料车运输混合料宜用苫布覆盖保温、防雨、防污染。运料车进入摊铺现场时，轮胎上不得沾有泥土等可能污染路面的脏物，否则宜设水池洗净轮胎后方可进入工程现场。沥青混合料在摊铺地点凭运料单接收，若混合料不符合施工温度要求或已经结成团块、遭雨淋等情况不得铺筑。摊铺过程中运料车应在摊辅机前100~300mm处停住，空挡等候，由摊辅机推动前进开始缓缓卸料，避免撞击摊辅机。在有条件时，运料车可将混合料卸入转运车经二次拌和后向摊铺机连续均匀地供料。运料车每次卸料必须倒净，如有剩余，应及时清除，防止硬结。2.5摊铺一台摊铺机的铺筑宽度不宜超过6m（双车道）~7.5m（3车道以上），通常宜采用两台或更多台数的摊铺机前后错开10~20m成梯队方式同步摊铺，两幅之间应有30~60mm左右宽度的搭接，并躲开车道轮迹带，上下层的搭接位置宜错开200mm以上。摊铺机开工前应提前0.5~1h预热，熨平板温度不低于100℃。铺筑过程中应使熨平板的振捣或夯锤压实装置具有适宜的振动频率和振幅，以提高路面的初始压实度。熨平板加宽连接应仔细调节至摊铺的混合料没有明显的离析痕迹。摊铺机必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，不得随意变换速度或中途停顿，以提高平整度，减少混合料的离析。摊铺速度宜控制在1~3m/min。当发现混合料出现明显的离析、波浪、裂缝、拖痕时，应分析原因，予以消除。摊铺机的螺旋布料器应相应于摊铺速度调整到保持一个稳定的速度均衡地转动，两侧应保持有不少于送料器2/3高度的混合料，以减少在摊铺过程中混合料的离析。用机械摊铺的混合料，不宜用人工反复修整。当不得不用人工进行局部找补或更换混合料时，需仔细进行，特别严重的缺陷应整层铲除。图2厂拌热再生混合料摊铺2.6碾压压实是沥青路面施工的最重要的一个工序，有效的压实才能保证路面的压实度，有充足的压实度才能保证沥青混合料的各项性能，尤其是抗车辙性能，以保证路面的长期使用性能。碾压过程的主要控制因素包括各碾压环节的温度控制及压路机的吨位和组合方式等。沥青路面的碾压机械主要包括双钢轮压路机和轮胎压路机，其中混合料的压实度及表面光滑程度主要通过双钢轮压路机实现，混合料中集料的重新排列嵌挤则是通过轮胎压路机实现。厂拌热再生混合料的碾压一般情况需要两种碾压机械组合使用，具体要求如下。（1）碾压机械及碾压顺序应通过试验段的试压来确定，在不产生推移、裂缝的前提下，应尽量在高温条件下完成碾压，在高温下碾压有利于保证压实度。（2）热再生混合料的推荐碾压机械及顺序为：首先采用双钢轮压路机振动碾压2~4遍，然后采用轮胎压路机碾压2~3遍，最后用双钢轮压路机静压1~2遍收光。（3）碾压过程中出现推移现象，应检查矿料级配、沥青用量、黏结层、集料清洁程度、沥青质量等，如果是以上因素导致，应马上处理。（4）在排除第（3）条中各种原因后，若仍出现推移现象，应减缓碾压速度、降低压路机的振动频率或关闭振动。（5）若碾压中出现细微裂缝，应立即停止双钢轮压路机，改用轮胎压路机碾压，直到裂缝消失后再用双钢轮压路机静压收光，切忌在开裂部位用钢轮压路机反复碾压。3.技术创新点在技术实施过程中，山东省滨州公路工程总公司针对铣刨料筛分，再生混合料生产、运输、摊铺、碾压等环节的安全隐患进行了全面排查，制定了严格系统的安全制度，并备有应急预案，是安全可靠的技术。该技术的创新点有：（1）采用了高性能的废旧沥青再生剂，混合料性能全面提升。（2）实现了RAP高掺量，铣刨料掺量可达到40%~60%。（3）布设了铣刨料分档筛分振动筛，装配了精确计量的再生系统，保证再生混合料的性能和产量。目前，该技术在滨州市的国道G205、省道S246及大量市政道路、县乡公路中得到应用，应用效果良好。在滨州市的主要工程建设中，道路应用所占的比例达到30%以上。4.技术效益分析4.1节能低碳效益该技术的推广应用大量减少了石料的开发，节约了大量石料和沥青资源，此外，还避免了石料开采和沥青加工过程的环境污染。节能低碳主要体现在节约石料、节约沥青两个方面。参考相关研究，石料开采的能源消耗标准取3kgce/t，运输过程的能耗取1.5kgce/t，即每吨石料的能耗取4.5kgce/t，每年滨州市产生铣刨料约10万吨，若全部利用，则仅考虑集料加工耗能环节，每年可节约标准煤4.5×100000/1000=450吨。滨州市每年产生铣刨料约10万吨，铣刨料的平均沥青用量为5%，若铣刨料全部利用，则可节约沥青100000×0.05=5000吨。沥青参照原油的能耗标准计算，则每年可节约标准煤5000×1.4286=7143吨。总计节约能耗约7600吨标准煤。折算为二氧化碳排放为7600×1.9003=14442吨。4.2经济效益根据铣刨料中废旧沥青的老化程度不同，再生剂添加量为废旧沥青的5%~10%，主要的计算参数假定如下：铣刨料掺量50%，铣刨料中旧沥青含量4.0%，再生混合料总沥青用量4.0%，再生剂掺量为废旧沥青的8%，混合料密度2.4t/m3，沥青每吨4000元，新集料每吨130元，高性能再生剂按照每吨14000元计算。则每吨再生混合料采用的再生剂为：14000×0.96×0.5×0.04×0.08=21.5（元）新沥青用量为：0.04－0.96×0.5×0.04×1.08=1.9%新沥青成本为：0.021×4000=77（元）新集料成本为：1