CN107698199A - 一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料及其制备方法，属于道路工程技术领域。该高模量沥青混合料包含以下按质量份计的原材料：旧路面铣刨料中的贫油粗组分(粒径大于4.75mm)35％‑75％，旧路面铣刨料中的富油细组分(粒径小于4.75mm)25％‑65％，改性再生剂0.1％‑2％，新集料0‑20％，矿粉0‑3％，新沥青0‑3％，其总质量满足100％。该方法制备的沥青混合料具有较高的模量、优异的力学性能，良好的抗车辙能力、耐久性及水稳定性，实现了旧沥青路面铣刨料中的贫油粗集料100％回收利用，富油细集料的100％资源化利用，充分挖掘出旧沥青路面铣刨料的潜在价值，实现路面的超长寿命、行车安全性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种高模量沥青混合料，尤其涉及一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料及其制备方法。
背景技术
沥青路面铣刨料(以下简称RAP)的回收利用已经成为国内外公认的节约资源、减少环境污染的有效途径，目前RAP料回收沥青技术主要有就地热再生、工厂化热再生、就地冷再生和工厂化冷再生等。不同技术都有各自的适应性和优缺点，但工厂化热再生是能够实现RAP料中老化沥青性能回复、集料分级利用、再生混合料性能相对均一的再生技术。
目前，工厂化热再生一般将RAP料筛分为两档料或三档料，再按照设计级配合成、预热，加入沥青或再生剂预拌、与新鲜混合料混合，运输到现场进行摊铺、碾压，完成 RAP料的再生利用。这样的过程中主要有存在以下弊端：一方面旧混合料由于富油细料的存在，在预热的过程中与设备易于产生粘连，影响过程均匀性；另一方面旧混合料的预热和拌和时间短，影响了再生剂与老化沥青的作用，这样的结果不仅影响了老化沥青粘结性恢复充当粘结剂的作用，同时由于老化沥青有别于集料或沥青，形成既不具备集料强度、又不具备沥青粘结性的“异物”，从而影响了混合料的均匀性，极易出现再生沥青路面松散和坑槽等病害；还有受到工艺和产能限制，再生混合料中旧料的添加比例一般为10％-25％左右，主要应用于路面的较低层位，且再生的混合料抗疲劳性能较差，使用寿命较短。由此可见，在一定程度上，传统的旧料再生方法暂时缓解不了大规模利用旧料的难题。
另外，随着国民经济高速发展而带来的交通量迅速增长，车辆大型化，超载严重及道路渠化等，使沥青路面面临严峻的考验，许多路面在通车后不久，甚至当年就出现不同程度的车辙、拥包、泛油等高温抗剪切能力不足的病害，严重影响了道路的服务质量和使用寿命。
近年来，为适应道路建设的发展要求，克服沥青路面因混合料高温抗剪切能力不足而产生的车辙病害，也出现了一些新的材料，如高模量沥青混合料这种结构越来越受到业界的关注。高模量沥青混合料的概念起源于法国，采用低标号沥青作为主要粘结料，具有高沥青用量、低空隙率、连续级配的设计特点。高模量沥青混合料具有优异的力学性能和良好的疲劳性能，同时因其模量较高，具有优异的抗车辙性能，因此可用在长寿命沥青路面结构中并减薄路面厚度，降低工程造价。由此可见，提高路面材料的模量，是解决路面车辙问题的有效技术手段。
沥青混合料的模量主要取决于粘结料的性能，欧洲许多国家的高模量沥青混合料主要采用低标号硬质沥青(针入小于10)作为粘结料。目前我国对于高模量沥青混合料研究的主要思路是通过在粘稠沥青中掺加高模量添加剂来提高混合料的模量，由于高模量添加剂价格高、添加比例大，导致高模量沥青混合料的生产成本大大高于传统沥青混合料，在一定程度上阻碍了技术的推广。
然而，沥青路面旧料中的沥青在经多年使用后老化，变硬变脆，其针入度大幅减小，沥青标号降低。如果将旧沥青路面中的老化沥青作为一种低标号硬质沥青，并辅以高效的再生工艺，用作高模量沥青混合料的胶结料，不但拓宽了路面旧料的使用途径和利用率，也可大幅度改善新建或养护工程中沥青路面的高温抗车辙能力，提高路面的使用寿命和行车舒适性。
因此，如何提高旧沥青路面铣刨料的再生质量和路面材料模量的双重目标，是道路旧料回收利用中急需解决的问题。
发明内容
发明目的：为解决上述旧沥青路面铣刨料再生质量差、利用率低及高模量沥青混合料因生产成本高，推广难度大等方面的问题。本发明提供了一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料及其制备工艺，制备的沥青混合料具有较高的模量、优异的力学性能，良好的抗车辙能力、耐久性及水稳定性。实现了旧沥青路面铣刨料中的贫油粗集料100％回收利用，富油细集料的100％资源化利用，充分挖掘出旧沥青路面铣刨料的潜在价值，实现路面的超长寿命、行车安全性和经济性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料，包含以下按质量份计的原材料：旧路面铣刨料中的贫油粗组分(粒径大于4.75mm)35％-75％，旧路面铣刨料中的富油细组分(粒径小于4.75mm)25％-65％，改性再生剂0.1％-2％，新集料0-20％，矿粉0-3％，新沥青0-3％，其总质量满足100％。
作为优选所述旧路面铣刨料贫油粗组分中的旧沥青含量小于1.0％，旧集料粒径在 4.75mm-26.5mm范围内，包括4.75mm-9.5mm、9.5mm-13.2mm、13.2mm-16.0mm、16.0mm-19.0mm、19.0mm-26.5mm等多种粒级的颗粒。
作为优选所述旧路面铣刨料富油细组分中的旧沥青含量大于7％，从中所抽提回收沥青的25℃针入度(0.1mm)在0～30范围之内，旧集料粒径在0-4.75mm范围内。
作为优选所述改性再生剂具有旧沥青再生和改性作用，其60℃动力粘度为1.0Pa.s-1500.0Pa.s范围内。
作为优选所述新集料粒径在0-4.75mm范围内，包括0-2.36mm、2.36mm-4.75mm 两种粒级的颗粒。
作为优选所述矿粉采用石灰岩矿粉。
作为优选所述新沥青采用25℃针入度(0.1mm)为10-50的硬质沥青。
本发明还公开了所述的一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将回收的旧沥青路面铣刨料进行机械分离，分成贫油粗组分(粒径大于4.75mm)和富油细组分(粒径小于4.75mm)；
(2)将步骤(1)中所得贫油粗组分采用振动筛筛分成4.75mm-9.5mm、 9.5mm-13.2mm、13.2mm-16.0mm、16.0mm-19.0mm、19.0mm-26.5mm等多种粒径的颗粒；
(3)检测富油细组分的油石比、老化沥青性能(针入度、软化点、延度)及矿料级配；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)的检测结果，选择改性再生剂的型号、新沥青，确定高模量沥青混合料中贫油粗组分各粒径颗粒、富油细组分、改性再生剂、各粒径颗粒新集料、矿粉及新沥青的含量；
(5)将称重的富油细组分、新沥青、改性再生剂加热至规定温度后投入拌和锅进行一级强制拌和；
(6)将步骤(5)中所得产物出锅后投入到具有加温功能的发育仓中，在规定温度和时间条件下发育；
(7)将称重的贫油粗组分各粒径颗粒、新集料各粒径颗粒加热至规定温度后与步骤 (6)所得产物在拌和锅中进行二级强制拌和；
(8)向步骤(7)所得产物中加入称重后的矿粉，在拌和锅中进行三级强制拌和，制成高模量沥青混合料。
其中，步骤(3)中是采用燃烧炉法测定旧沥青路面铣刨料富油细组分中旧沥青的含量，并对样品燃烧后所得的旧矿料进行水洗筛分试验。采用阿布森法对富油细组分中的旧沥青和旧矿料抽提分离，并检测分离后所得旧沥青的针入度(100g、5s、25℃)、软化点和延度(5℃、5cm/min)。
其中，步骤(4)中根据富油组分中旧沥青的针入度值确定改性再生剂和新沥青的类型，当旧沥青的针入度低时，选择改性再生剂粘度低的型号和针入度值高的新沥青；当旧沥青的针入度高时，选择改性再生剂粘度高的型号和针入度值低的新沥青。
其中，步骤(5)中富油细组分加热温度120℃-180℃，新沥青加热温度140℃-185℃，改性再生剂加热温度60℃-170℃，一级强制拌和时间为30s-60s。
其中，步骤(6)中发育温度为140℃-180℃，发育时间为1h-6h。
其中，步骤(7)中贫油粗组分各粒径颗粒和各粒级新集料加热温度为180℃-220℃，二级拌和时间为20s-35s。
其中，步骤(8)中三级拌和时间为20s-35s，制成的高模沥青混合料出锅温度为165℃-185℃。
其中，按照上述方法所制备的高模量沥青混合料其性能指标可以达到：复数模量(15℃，10Hz)≥14000MPa，马歇尔稳定度(KN)≥10KN，残留稳定度≥85％，冻融劈裂强度比≥80％，车辙试验动稳度(60℃)≥10000mm/次，车辙试验动稳度度(70℃) ≥7500mm/次，低温弯曲破坏应变(-10℃)≥2000με。
本发明开发的高模量沥青混合料，具有以下有益效果：
1、将旧沥青路面铣刨料中的老化沥青再生为高模量沥青混合料中的低标号硬质沥青胶结料，实现了旧沥青路面铣刨料利用的多元化和便捷化。
2、实现了旧沥青路面铣刨中的贫油粗组分100％的回收利用，富油细组分100％的资源化利用，改变了传统热再生沥青混合料生产过程中旧路面铣刨料添加比例较低(10％-25％)的困境，极大的缓解了环境压力。
3、本发明开发的高模量沥青混合料中绝大部分原料来源于旧沥青路面铣刨料，与新拌高模量沥青混合料相比，生产成本降低30％以上，经济效益突出。
4、本发明的方法与传统厂拌热再生技术相比，增加了再生沥青混合料的发育工艺，极大的提高了新旧沥青和改性再生剂之间相互渗透、融合及有机结合的机会，使得新沥青及再生剂在回收沥青路面材料(RAP)中充分发挥了重生和再造功能，提高了旧沥青的再生效果。
5、本发明将旧沥青路面铣刨料分离成贫油粗组分和富油细组分两部分，将贫油粗组分当做集料进行回收利用。将富油细组分采用温热再生进行资源化利用，一方面大幅度减少了在传统再生工艺中出现再生剂被粗集料空隙吸收的现象，提高了再生剂的利用率；另一方面仅对富油细组分进行针对性的温热再生，大大提高了再生沥青混合料的生产效率。
6、本发明制备的高模量沥青混合料具有动态模量高、抗变形能力、抗车辙性能、抗水损害性、疲劳性能良好的特点，主要用于沥青路面的中、下面层，可提高路面整体结构抗车辙能力，延长路面使用寿命。同时超长的使用寿命，大幅减少了路面运行期间的维修养护费用。
附图说明
图1本发明一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料制备工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
室内试验的实施例：试验所用旧沥青路面铣刨料(RAP料)为相同来源相同粒径规格的材料，首先在拌和厂对RAP料进行机械分离，分成贫油粗组分(粒径大于4.75mm) 和富油细组分(粒径小于4.75mm)。然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20-2011)中T 0735的方法对贫油粗组分进行沥青含量试验，试验测得贫油粗组分中各粒级颗粒的油石比见表1。采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0726的方法对富油细组分进行抽提试验，试验测得富油粗细组分的油石比和旧矿料筛分结果见表2，将抽提后的旧沥青回收进行性能检测，试验结果见表3。
表1贫油粗组分各粒级颗粒的油石比检测结果
表2富油细组分的油石比和旧矿料筛分结果
表3富油细组分中旧沥青性能检测结果
| 针入度25℃(0.1mm) | 软化点℃ | 延度5℃(cm) |
| 18.0 | 75.5 | 0 |
再生剂采用江苏天诺道路材料科技有限公司生产的ZSR-1500型改性再生剂，60℃动力粘度为1496Pa.s。
新沥青江苏天诺道路材料科技有限公司生产的TNH-25型硬质沥青，其性能指标见表4。
表4TNH-25型硬质沥青技术指标
| 针入度25℃(0.1mm) | 软化点℃ | 延度25℃(cm) |
| 23 | 69 | 31 |
矿粉采用石灰岩磨制的矿粉，筛分结果见表5,密度为2.720。
表5矿粉筛分结果
| 筛孔尺寸(mm) | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过质量百分率(％) | 100.0 | 95.9 | 93.6 | 83.4 |
新集料采用石灰岩加工而成，包含两组粒径颗粒成分：第一组粒径为0-2.36mm机制砂，水洗筛分结果见表6；第二组为2.36mm-4.75mm单一粒径碎石。
表6 0-2.36mm机制砂水洗筛分结果
基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料采用连续密级配AC-20，按照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中AC-20合成级配范围要求，对RAP料贫油粗组分和富油细组分中的旧集料(六组)、新集料(两组)、石灰岩矿粉进行级配合成，合成级配结果见表7。
表7基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料AC-20合成级配
按照体积法进行基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料配合比设计，得到高模量沥青混合料中各材料组成比例见表8。
表8基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料材料组成比例
结合附图1所示，制备表8所示的高模量沥青混合料，按如下步骤：
(1)将RAP料中的富油细组分加热至175℃，改性再生剂加热至130℃，新沥青(TNH-25型硬质沥青)加热至165℃，称重后投入到拌和锅中强制拌和30s；
(2)将步骤(1)所得产物出锅后放入发育仓中，在170℃条件下发育6h；
(3)将RAP料中贫油粗组分和新集料加热至190℃，称重后与步骤(2)所得产物在拌和锅中强制拌和35s；
(4)向步骤(3)所得产物中加入称重后的矿粉，强制拌和25s，即可得到高模沥青混合料。
上述基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料生产制备工艺完成后，所制得的高模量沥青混合料的技术性能如表9所示。
表9基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料技术性能
| 技术指标 | 实测值 | 要求值 |
| 马歇尔稳定度，KN | 17.32 | ≥10KN |
| 残留稳定度，％ | 93.1 | ≥85％ |
| 冻融劈裂强度比，％ | 87.0 | ≥80％ |
| 车辙试验动稳定度(60℃)，次/mm | 12659 | ≥10000 |
| 车辙试验动稳定度(70℃)，次/mm | 8762 | ≥7500 |
| 最大弯拉应变(-10℃)，με | 2118 | ≥2000 |
| 复数模量(15℃，10Hz)，MPa | 14771 | ≥14000 |
实施例2：
室内试验实施例，本实施例与上述实施例1所用的RAP料贫油粗组分、RAP料富油细组分、新集料及矿粉种类相同，与实施例1不同之处在于：
再生剂采用江苏天诺道路材料科技有限公司生产的ZSR-100型改性再生剂，60℃动力粘度为101Pa.s。
新沥青采用江苏天诺道路材料科技有限公司生产的TNH-15型硬质沥青，其性能指标见表10。
表10TNH-15型硬质沥青技术指标
| 针入度25℃(0.1mm) | 软化点℃ | 延度25℃(cm) |
| 14 | 73 | 16 |
室内试验制备一种高模量沥青混合料所采用原材料配比见表11，高模量沥青混合料矿料合成级配见表12。
表11一种高模量沥青混合料材料比例
表12一种高模量沥青混合料矿料合成级配
制备表11所示的高模量沥青混合料，工艺步骤与实施例1工艺步骤的不同之处在于对工艺步骤中的温度和时间做了相应调整：
(1)将RAP料中的富油细组分加热至170℃，改性再生剂加热至110℃，新沥青(TNH-25型硬质沥青)加热至175℃，称重后投入到拌和锅中强制拌和45s；
(2)将步骤(1)所得产物出锅后放入发育仓中，在175℃条件下发育4.5h；
(3)将RAP料中贫油粗组分和新集料加热至195℃，称重后与步骤(2)所得产物在拌和锅中强制拌和35s；
(4)向步骤(3)所得产物中加入称重后的矿粉，强制拌和20s，即可得到高模沥青混合料。
上述基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料生产制备工艺完成后，所制得的高模量沥青混合料的技术性能如表13所示。
表13基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料技术性能
| 技术指标 | 实测值 | 要求值 |
| 马歇尔稳定度，KN | 16.54 | ≥10KN |
| 残留稳定度，％ | 91.7 | ≥85％ |
| 冻融劈裂强度比，％ | 87.4 | ≥80％ |
| 车辙试验动稳定度(60℃)，次/mm | 11803 | ≥10000 |
| 车辙试验动稳定度(70℃)，次/mm | 8926 | ≥7500 |
| 最大弯拉应变(-10℃)，με | 2231 | ≥2000 |
| 复数模量(15℃，10Hz)，MPa | 14100 | ≥14000 |
Claims (5)
1.一种基于旧路面铣刨料(RAP料)的高模量沥青混合料，其特征在于：原料按质量份计，RAP料中的贫油粗组分35％-75％、RAP料中的富油细组分25％-65％、改性再生剂0.1％-2％、新集料0-20％、新沥青0-3％、矿粉0-3％，总质量满足100％；
所述RAP料中的贫油粗组分粒径大于等于4.75mm，旧沥青含量小于1％；
所述RAP料中的富油细组分粒径小于4.75mm，旧沥青含量大于7％。
2.根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于：所述高模量沥青混合料中大于4.75mm的矿料100％来源于RAP料。
3.根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于：所述改性再生剂60℃动力粘度在1Pa.s-1500Pa.s范围之内。
4.根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于：所述新沥青25℃针入度(0.1mm)在10-50范围内。
5.根据权利要求1所述的一种基于旧路面铣刨料的高模量沥青混合料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将回收的旧路面铣刨料进行机械分离，分成贫油粗组分(粒径大于4.75mm)和富油细组分(粒径小于4.75mm)；
(2)将步骤(1)中所得贫油粗组分采用振动筛筛分成4.75mm-9.5mm、9.5mm-13.2mm、13.2mm-16mm、16mm-19mm、19mm-26.5mm等多种粒径的颗粒；
(3)检测富油细组分的油石比、老化沥青性能(针入度、软化点、延度)及矿料级配；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)的检测结果，选择改性再生剂的型号、新沥青，确定高模量沥青混合料中贫油粗组分各粒径颗粒、富油细组分、改性再生剂、各粒径颗粒新集料、矿粉及新沥青的含量；
(5)将加热后的富油细组分(120℃-180℃)、新沥青(140℃-185℃)、改性再生剂(60℃-170℃)称重后投入拌和锅内进行一级强制拌和，拌和时间为30s-60s；
(6)将步骤(5)中所得产物出锅后投入到具有加温功能的发育仓中，在规定温度和时间条件下发育，发育温度为140℃-180℃，发育时间1h-6h；
(7)将称重的贫油粗组分各粒径颗粒、新集料各粒径颗粒加热至180℃-220℃与步骤(6)所得产物在拌和锅中进行二级强制拌和，拌和时间为20s-35s；
(8)向步骤(7)所得产物中加入称重后的矿粉，在拌和锅中进行三级强制拌和(拌和时间为20s-35s)，制成高模量沥青混合料。
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