厂拌热再生过程中旧沥青转移程度评价方法研究

熊剑平+李杨+喻峥嵘

摘 要：为了研究沥青回收料（RAP）在厂拌热再生过程中旧沥青转移程度的室内评价方法，基于旧沥青再生率指标提出了旧沥青转移量的测定方法，并通过设计旧沥青转移程度试验，采用正交试验设计法对比分析了RAP预热温度、拌和时间、拌和温度等拌和参数对旧沥青再生率的影响程度。结果表明：搅拌时间对旧沥青再生率的影响最大，RAP预热温度次之，搅拌温度最小；协调控制几个拌和因素，可最大程度地提高旧沥青的再生率。

关键词：厂拌热再生；转移程度；再生率；拌和参数

中图分类号：U414.03 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2016）05-0035-04

Abstract： In order to study the evaluation method of transfer degree of the reclaimed asphalt pavement （RAP） in the process of plant mix regeneration， a method for existing asphalt transfer measurement was proposed based on regeneration rate. The impact of preheating temperature of RAP， mixing time and mixing temperature on the regeneration rate was evaluated by orthogonal test. The results show that the mixing time exerts the most influence on regeneration rate， followed by RAP preheating temperature and mixing temperature. The regeneration rate could be improved as high as possible when the influencing factors are coordinated.

Key words： plant mix regeneration； transfer degree； regeneration rate； mixing parameter

0 引 言

在沥青回收料（RAP）的厂拌热再生过程中，新旧沥青接触后将发生扩散和融合，使得旧沥青因得以补充软沥青质而软化，旧沥青在某种程度上起到了一定的胶结料作用，但新旧沥青之间的融合并没有达到100%[1]。NCHRP（美国公路合作研究组织）的研究报告指出，再生混合料中RAP表面形成了具有2层膜的复合结构，外层是新旧沥青混溶形成的调和沥青，而内层仍是一部分未渗透混溶的老化沥青。

沥青是一种成分十分复杂的混合物，与其他物质扩散、混溶的过程很难准确观测。老化沥青以一层沥青膜的形式裹覆在RAP外层，如果新旧沥青混溶不完全，会导致RAP外的沥青膜较厚，而新集料外的沥青膜较薄，从而影响到再生混合料的稳定性和耐久性。

国内外已有学者开展了有关新旧沥青之间转移特征的研究。Druta利用CT扫描技术分析了新旧沥青的扩散和混溶，分别向新旧沥青中添加25%的金属粉末，所拍摄的图片清晰地显示出旧沥青部分与新沥青部分发生了混溶。Navaro将新沥青和RAP材料在不同拌和温度和拌和时间下制备再生沥青混合料，采用紫外/环境光显微图像自动分析法和分阶段溶剂抽提法研究新旧沥青的混溶。李进等人在研究再生剂与老化沥青之间的渗透过程时，采用修正的Flory-Huggins方程计算混合自由能，并由此对再生剂渗透到老化沥青中的程度进行判断[2]。杨毅文等人在研究老化沥青与新沥青、再生剂的混溶机理时，以对流传质理论的分析为基础，提出了一种能够模拟实际再生工艺条件的老化沥青再生率检测方法[3]。

目前，国内外对于RAP厂拌热再生过程中旧沥青转移特征的研究，大多基于对新旧沥青混溶现象的验证，对实际生产时拌和参数对旧沥青转移程度影响的研究很少。本文结合国内外现有研究成果，提出室内测定旧沥青转移量的试验方法，并通过正交试验设计，分析RAP预热温度、拌和时间、拌和温度这3个关键拌和参数对旧沥青再生率的影响，从而验证旧沥青再生率对评价旧沥青转移特征的合理性，为实际工程应用提供参考。

1 原材料

试验采用粒径分别为9.5 mm和2.36 mm的石灰岩集料，采用的矿粉为石灰石粉，旧沥青分别采用旋转薄膜试验（RTFOT）老化360 min后的昆仑金鹿牌SBS I-C型改性沥青，新沥青采用壳牌90#基质沥青。沥青、矿料的各项物理力学性能指标均满足规范[4-5]要求。

2 试验设计

将拌和过程中参与再生的旧沥青质量与原旧沥青总质量之比定义为旧沥青再生率p，p可以作为旧沥青转移程度的一个量化指标。为研究拌和过程中旧沥青转移程度，设计如下试验。

使用的试验仪器主要为沥青混合料拌和锅、烘箱、电子天平以及矿粉过滤装置。其中沥青混合料拌和锅、电子天平、烘箱是较为常用的仪器，而矿粉过滤装置则是由

改造后的沥青混合料理论最大相对密度试验中的真空负压装置，加上橡胶软管、抽滤瓶、分液漏斗、定量滤纸、玻璃棒及烧杯构成。采用2个抽滤瓶进行试验，可以充分利用装置提升单位时间内的滤液过滤量，进一步提高过滤效率。具体装置如图1所示。

图1 矿粉过滤装置

试验的主要步骤如下。

（1）首先计算老化沥青用量，拌制人工RAP所需要的沥青的用量按规范中沥青油膜厚度的统一计算方法计算，鉴于采用24 μm油膜厚度时拌和出来的效果较好，因此这里均采用24 μm的沥青膜厚度作为人工RAP模拟的厚度。计算好所需要的老化沥青用量后，将其加热到流动状态并倒入到烧杯中，记录好相关数据。

（2）将500 g预热好的2.36 mm粒径的集料放入拌和锅，加入老化沥青，按照1∶1的粉胶比，算出相应的矿粉质量，将矿粉加入到沥青中进行搅拌，此时得到的就是人工模拟的RAP，在称取矿粉的时候，采用2次四分法，务求所取矿料均匀。

（3）将500 g预热好的9.5 mm粒径的集料放入拌和锅，再加入预热好的与老化沥青质量相等的新沥青进行拌和。拌和完成后，待温度降至手可接触时，将2种不同粒径的石料分开，分别称取质量。

（4）对9.5 mm粒径的集料加入足量的三滤乙烯进行溶解，静置一段时间后，等到集料外层沥青完全溶解于三滤乙烯中，将集料过滤出去，保存滤液。将滤纸折叠好后插入分液漏斗中，将需要过滤的溶液沿着倾斜的玻璃棒导入分液漏斗，注意不要使溶液超过滤纸上边缘。

（5）开启真空泵，试验过程中注意添加溶液；试验进行到一定程度时，可以换一张滤纸；当烧杯中的溶液较少时，继续加入新的三氯乙烯，直至剩下的矿粉及溶液呈现出淡黄色或无色，说明此时沥青已经充分溶解。

（6）当溶液已过滤完成，关闭真空泵，将滤纸收集到坩埚中。将烧杯中剩余的少量溶液及矿粉放入100 ℃烘箱中进行烘干，烘干后用毛刷将矿粉刷入坩埚中。

滤纸在试验前要称好质量，过滤试验完成后，放入坩埚中烘干，记录过滤矿粉的质量m1，该质量由式（1）计算。沥青的转移量m2由式（2）计算。老化沥青的再生率p由式（3）计算。

（7）按照公式计算试验结果并汇总。

3 拌和参数对旧沥青再生率的影响

3.1 RAP预热温度

为了探究RAP预热温度对旧沥青再生率的影响，分别选取25 ℃、80 ℃以及120 ℃三个温度对拌和后的人工RAP进行预热。拌和顺序为：RAP与新沥青拌和90 s，再加入新集料拌和90 s，拌和温度为180 ℃。具体数据见表1。

分析表1可知，旧沥青的再生率随着RAP预热温度的升高而逐渐增加。在25 ℃时，旧沥青再生率较低，只有33.3%；当预热温度大幅度提升至120 ℃时，旧沥青再生率大幅提高到52.7%，增幅达到20%左右，效果十分明显。这是因为沥青在不同温度状态下具有不同的特性：当RAP的预热温度较低，外层的旧沥青较硬，粘度较高，在拌和过程中无法很好地转移、混溶；当RAP的预热温度提高，外层的旧沥青逐渐变软，在拌和过程中更容易与新集料、矿粉充分反应。

3.2 搅拌时间

《公路沥青路面再生技术规范》规定：厂拌热再生混合料在使用间歇式拌和设备时，干拌时间需比普通热拌沥青混合料延长5～10 s，总拌和时间比普通热拌沥青混合料延长15 s左右。这主要是考虑到新旧混合料的均匀拌和，并未充分考虑其对沥青再生率的影响。而为了明确搅拌时间对旧沥青再生率的影响，选取RAP预热温度为120 ℃，拌和温度为180 ℃，搅拌时间分别为60 s、90 s、180 s。试验数据如表2所示。

分析表2可知，延长搅拌时间能够有效提高RAP中旧沥青的再生率。正常的热拌沥青混合料时间是90 s，在这个拌和时间下，RAP中的旧沥青再生率达到52.7%；当拌和时间增加1倍后，旧沥青再生率提高至76%；而当搅拌时间缩短至60 s的时候，由于搅拌时间过短不利于沥青薄膜的充分形成，降低了沥青与集料表面的吸附作用，旧沥青再生率相应降至44.1%。相关研究表明，搅拌机械功是促使新旧沥青充分混溶的有效手段，延长机械搅拌时间，能够使不同粒径的混合料之间充分接触，搅拌更为均匀，同时借助机械搅拌力的作用，新旧沥青之间的作用程度也会更深，从旧沥青转移量来看，转移到新集料上的有效沥青量也会更多。

3.3 搅拌温度

厂拌热再生的RAP混合料的生产温度一般是根据拌和设备的加热干燥能力、RAP的含水率、再生混合料的级配以及新沥青的粘温曲线等综合确定，以不加剧RAP的再老化、降低能耗和可生产出均匀稳定的沥青混合料为原则。为了探究搅拌温度对旧沥青再生率的影响，选取RAP预热温度为120 ℃，拌和时间为90 s，搅拌温度分别为130 ℃、160 ℃、180 ℃。试验数据如表3所示。

分析可知，旧沥青的再生率随着搅拌温度的增加而增大：当搅拌温度为130 ℃时，旧沥青再生率为39.1%；当温度升高30 ℃时，再生率再提高13.6%，超过了50%；而当温度升高至180 ℃时，再生率提升至65.9%。搅拌温度的提升明显改善了旧沥青的再生率，这是因为温度的变化对扩散效能产生了显著的影响，改变了沥青的粘度，从而改变了其状态（由固态变为液态），这种改变的效果远远大于布朗运动的作用效果，导致在较高的环境温度下，新沥青能够充分扩散到旧沥青中并与之混溶，另一方面旧沥青也更容易转移到新集料中去，使得旧沥青的转移量增大。

3.4 各因素作用程度对比

为了探究不同拌和条件对旧沥青再生率的影响程度，采用正交试验方法，即选用RAP预热温度、搅拌时间以及搅拌温度3个影响因素，每个因素选取3个水平。其中考虑搅拌时间与搅拌温度之间可能产生的交互作用，单独选取一列进行分析。选用正交表L9（34），正交试验设计方案如表4所示。

采用老化改性沥青进行正交试验，以旧沥青再生率作为结果指标，具体试验结果如表5、6所示。

根据各因素极差R值的大小进行排列，可见T>C0>C>T×C。这说明搅拌时间是最主要的影响因素，RAP预热温度以及搅拌温度次之，而搅拌时间与搅拌温度之间的交互作用很小，基本可以忽略。

4 结 语

本文基于相同的拌和顺序比较了3种拌和参数对旧沥青再生率的影响程度，得出如下结论。

（1）单因素拌和参数影响试验的定量分析结果表明，提高RAP的预热温度、延长搅拌时间、提高拌和温度均能有效提高旧沥青再生率。通过正交试验进一步对比这3种参数对旧沥青再生率影响的程度可知，搅拌时间对旧沥青再生率影响最大，RAP预热温度次之，搅拌温度最小，而搅拌温度和搅拌时间的交互作用较小。

（2）控制单一影响因素能够较大幅度提升旧沥青的再生率，所以在实际工程应用中，注意这几方面条件的协调配合，可最大幅度提高旧沥青再生率。

参考文献：

[1] 耿九光.沥青老化机理及再生技术研究[D].西安：长安大学，2009.

[2] 李 进.沥青再生剂扩散行为及其影响因素研究[D].青岛：中国石油大学，2010.

[3] 杨毅文，马 涛，卞国剑，等.老化沥青热再生有效再生率检测方法[J].建筑材料学报，2011，14（3）：418-422.

[4] JTG F41—2008，公路沥青路面再生技术规范[S].

[5] JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[责任编辑：杜卫华]