精細化分離對RAP性質的影響

鄒曉勇,李寧,吳聞秀,胡永林,張宇,唐偉

(1.金華市公路與運輸管理中心,浙江 金華 321000;2.河海大學 土木與交通學院,江蘇 南京 210098;3.金華市金東區公路管理段,浙江 金華 321013)

目前我國公路建設逐步由建養并舉向全面養護邁進。路面維修主要是銑刨、翻挖舊路面,重鋪新路面,從而產生大量廢舊瀝青路面回收料(RAP)[1-2]。RAP的組成復雜,銑刨后老化瀝青膠漿黏附在集料表面,結團程度嚴重,難以混合均勻,且RAP集料級配和油石比均具有較大的變異性[3-4]。RAP摻量過高時難以保證再生瀝青混合料的質量,達不到相應的技術要求[5]。目前國內大多數廠拌熱再生實體工程應用中的RAP摻量僅為20%～30%,經濟和社會效益不顯著[6-9]。

為了降低RAP的結團程度和變異性,需要對原路面銑刨料進行破碎、篩分、分擋等處理。美國國家瀝青路面協會(NAPA)在其指南中指出,采用合適的方法對RAP進行破碎篩分,可以降低RAP的變異性[10]。研究人員[11-13]采用常規破碎篩分或直接分級后的RAP制備了再生瀝青混合料,并評價了不同RAP摻量下再生瀝青混合料的路用性能,結果表明當RAP摻量超過40%時,再生瀝青混合料的低溫性能和水穩定性均顯著低于普通瀝青混合料。黃磊[14]采用多級聯合篩分工藝對RAP進行篩分、分擋,該篩分工藝有效降低了RAP的變異性,有利于提升RAP摻量。孫學楷[15]采用反擊-轉子離心多級聯合篩分工藝處理RAP,RAP的分離效率可以達到70%以上,該方法可以將RAP表面黏附的瀝青膠砂剝離,粒徑為5～10 mm、10～15 mm的RAP粗料表面的瀝青含量達到1%以下,可以直接當作原生集料進行使用。Zhan等[16]采用常規破碎篩分方式處理RAP,多級分擋雖然有效降低了RAP的變異性,但RAP的結團程度依舊較大,不利于大規模推廣應用。

基于此,本研究采用精細化分離和常規破碎篩分兩種方式處理RAP,對比兩種預處理方式的工藝流程,研究不同預處理方式對RAP油石比、結團程度、變異性和細化程度的影響,為RAP精細化分離工藝的進一步改進及推廣提供借鑒。

1 RAP的預處理方式

RAP取自江蘇某高速公路上面層SMA-13瀝青路面,養護維修時路面已服役11年。RAP采用冷銑刨方式回收,為了保證RAP質量的相對穩定,銑刨過程中需控制銑刨速度的均勻性[17-18]。采用常規破碎篩分和精細化分離兩種方式進行處理,分別命名RAP#1和RAP#2。由于取樣時間和地點有所不同,RAP#1和RAP#2的級配和油石比存在略微差異。

1.1 常規破碎篩分

常規破碎篩分方式首先采用對輥式破碎機將粒徑較大的RAP進行初步破碎,接著通過直線振動篩對滿足粒徑要求的RAP進行分擋。具體操作流程如下:對于粒徑較小的RAP直接進行一級篩分,將不同粒徑的篩下料用皮帶送至成品處。對于不滿足一級篩分粒徑要求的大塊RAP,再次經對輥式破碎機進行一級初破,然后將破碎好的物料按小塊RAP的處理流程進行進一步破碎篩分,最終得到三擋不同粒徑的RAP,分別為0～5 mm、5～12 mm和12～22 mm三擋成品料。常規破碎篩分RAP處理流程見圖1。

圖1 常規破碎篩分RAP處理流程

1.2 精細化分離

精細化分離是通過離心分離的作用將RAP集料表面黏附的瀝青膠砂剝離,剝離后的瀝青膠砂進入RAP細料中,最終得到不同粒徑分布的RAP粗料和富含老化瀝青的RAP細料。精細化分離RAP處理流程見圖2。具體流程如下:滿足篩分粒徑要求的RAP直接進行一級篩分,首先得到粒徑為0～5 mm的直接篩分RAP細料。然后對RAP粗料進行一級剝離,不同粒徑的篩下料用皮帶送至成品處,得到10～15 mm、5～10 mm、0～5 mm(剝離)和0～5 mm(直接篩分)四擋成品料。若RAP粗料中仍存在較多的結團顆粒,可以將粒徑較大的RAP進行二次精細化分離,流程與上述一致。

圖2 精細化分離RAP處理流程

2 試驗與方法

2.1 抽提與篩分試驗

按照JTG E20—2011中T 0722—1993及T 0725—2000,分別進行抽提與篩分試驗。

2.2 RAP性質評價方法

2.2.1 結團特性

為評價不同預處理方式后獲得的RAP結團程度,首先將不同預處理方式獲取的RAP篩分成粒徑不同的5組樣品,分別為13.2～16 mm,9.5～13.2 mm,4.75～9.5 mm,2.36～4.75 mm和1.18～2.36 mm,抽提篩分后RAP集料通過率見圖3。從圖3可以看出,每組RAP樣品抽提后的集料均不同程度地通過了抽提前粒徑范圍的下限,例如常規破碎篩分獲取的16～13.2 mm RAP樣品粒徑范圍的下限是13.2 mm,抽提后集料在13.2 mm處的通過率為36.2%,說明至少有36.2%的細料在抽提前處于結團狀態,因此定義該通過率為此擋RAP的結團率。

(a)常規破碎篩分

(b)精細化分離圖3 不同粒徑RAP集料級配通過率

2.2.2 變異性

為了分析破碎篩分后RAP級配及瀝青含量的變異性,對預處理后的各擋RAP按照隨機取樣的原則選取5組樣品,抽提篩分后對每組RAP的級配及瀝青含量進行分析。

采用變異系數CV來描述RAP集料級配和油石比的變異性,計算方法見式(1)～式(3)。

CV=S/x

(1)

(2)

(3)

式中:S為標準差;xi為樣本值;x為平均值;n為樣本數。

2.2.3 細化指數

將破碎篩分后各擋RAP的集料通過率按照質量百分比進行合成,得到合成RAP集料級配。接著以破碎篩分前RAP的集料級配為基準值,計算破碎篩分后的級配較篩分前的變化率,定義為細化指數V,以表征破碎篩分過程中集料的細化程度,V越大表示級配細化越為嚴重。細化指數V可通過式(4)和式(5)進行計算。

P=∑αiPi=α1P1+α2P2+…+

(4)

(5)

式中:V為某篩孔處細化指數,%;P為合成RAP集料級配在某篩孔的通過率,%;S為破碎篩分前RAP集料級配在某篩孔的通過率,%;αi為各擋RAP的比例,%;Pi為各擋RAP集料級配在某篩孔的通過率,%。

3 預處理方法對RAP性質的影響

3.1 油石比

常規破碎篩分和精細化分離后RAP的油石比見圖4。由圖4可知,RAP經過精細化分離后,RAP粗料(大于5 mm)的油石比由5%～6%下降為2%～2.5%,下降幅度接近60%,這主要是由于精細化分離將RAP表面的老化瀝青砂漿剝離。RAP粗料的油石比下降,有助于打散料粒,降低結團,也可以降低RAP粗料在加熱、拌和過程中產生的黏料現象,在一定程度上可以提升RAP料的加熱溫度,有利于保證再生料的出料溫度。精細化分離產生的兩種RAP細料(小于5 mm)的油石比與常規RAP細料相比略微降低,這是由于精細化分離過程中產生的粉料(小于0.075 mm)被真空泵抽走,該擋料的油石比可達15%左右,進而引起RAP細料的油石比略微下降。

圖4 不同預處理后RAP的油石比

3.2 結團程度

RAP是由數目、大小不等的礦料顆粒被瀝青膠漿裹覆、黏結而成的團狀顆粒結構,瀝青砂漿的結團會造成RAP中的瀝青膠漿分布不均勻。圖5和圖6分別為常規破碎篩分和精細化分離后RAP的表觀形貌,從圖中可直觀發現,常規破碎篩分獲取的RAP顆粒表面仍含有較多的瀝青膠漿,而精細化分離得到的RAP顆粒表面較為潔凈。

圖5 常規破碎篩分后的RAP

圖6 精細化分離后的RAP

常規破碎篩分和精細化分離后的RAP結團率見圖7。

圖7 不同預處理方式后RAP的結團率

從常規破碎篩分后的RAP結團率可知,RAP的粒徑越小, 結團率越大, 粒徑大于4.75 mm的RAP結團率均小于50%,粒徑小于4.75 mm的RAP結團率均大于70%,2.36～1.18 mm RAP的結團率甚至達到100%,這意味著該擋RAP都是由老化瀝青裹覆細集料和礦粉的顆粒組成。

相比常規破碎篩分,精細化分離后RAP粗料的結團率顯著下降,均低于30%,特別是4.75～9.5 mm的RAP結團率只有11.5%,說明精細化分離可以將集料表面的老化瀝青膠漿有效剝離,從而降低RAP粗料的結團程度。RAP細料(小于4.75 mm)部分是經過直接篩分得到的,部分是RAP粗料剝離后得到,瀝青含量較高,結團率也較高,但仍然遠低于常規破碎的情況,結團率下降了60%左右。說明精細化分離對RAP粗料分離效果最好,對RAP細料的結團也有一定的控制效果。

3.3 RAP變異程度

采用變異系數評價不同預處理方式下RAP集料級配和油石比的變異系數見圖8。

圖8 不同預處理后的RAP集料級配和油石比的變異系數

與常規破碎篩分方式相比,精細化分離RAP細料的油石比和集料級配的變異性并未顯著降低。如圖8所示,常規破碎篩分獲得的0～5 mm RAP油石比的變異系數為7.43%,而精細化分離獲得的0～5 mm(直接篩分)及0～5 mm(剝離)RAP油石比變異系數分別為5.5%及7.08%。精細化分離的RAP細料組成復雜,包括直接篩分的RAP細料、RAP粗料表面剝離的細料和集料破碎產生的細料。RAP細料由于瀝青含量高、粒徑小,離心過程中油石分離效果差,變異性與常規破碎篩分無明顯區別。

經過精細化分離后,RAP粗料的油石比和4.75 mm關鍵篩孔的變異系數相比于常規破碎篩分分別降低了40.7%和39.1%,RAP的均勻性得到較好的改善。精細化分離可以將RAP表面的瀝青膠砂剝離,降低RAP的油石比和結團程度,對于減少RAP的變異性具有顯著效果。

3.4 RAP集料細化程度

經過常規破碎篩分和精細化分離后的各擋RAP所占比例見圖9。從圖9可知,常規破碎篩分獲取的RAP粗料所占比例為80%,RAP細料為20%;而精細化分離獲取的RAP粗料所占比例僅為27%,RAP細料為68%,回收粉為5%。對比經過不同預處理方式獲取的RAP組成比例,發現精細化分離可以顯著增大RAP細料比例。這主要是由于精細化分離是采用離心力將瀝青路面回收料中粒徑較大的RAP上黏附的瀝青膠砂分離,在分離過程中粗集料相互碰撞,難免發生粗集料細化的現象。在RAP篩分過程時,為了提高生產效率,采用振動頻率為32～38 Hz的弛張篩和振動頻率為40～50 Hz的組合篩進行篩分,同樣會對RAP粗料產生一定的細化。因此,降低精細化分離后RAP粗料的細化程度以及高效再生利用富油RAP細料是未來的研究重點。

(a)常規破碎篩分

(b)精細化分離圖9 不同預處理后各擋RAP所占比例

將預處理后的各擋RAP抽提篩分獲取其集料級配,并根據圖9中的各擋比例及式(4)計算其合成級配。冷銑刨及常規破碎篩分和精細化分離的RAP合成級配曲線見圖10。

圖10 不同破碎篩分方式RAP的合成級配曲線

從圖10可以看出,常規破碎篩分RAP的合成級配與未篩分前相差不大,而精細化分離的RAP合成級配與未篩分前存在較大差異,合成料的4.75和2.36 mm關鍵篩孔通過率分別為74.1%和50.6%,相較于冷銑刨后RAP集料分別提高19.3%和12.5%,而細化指數分別為53.1%和46.6%,表明精細化分離對RAP中的粗集料具有細化作用。

常規破碎篩分得到的RAP合成后部分篩孔通過率低于原路面回收料。主要原因為RAP在堆放過程中存在一定變異性和離析現象,取樣時不均勻,導致RAP細料偏少。與原路面銑刨料進行對比,合成級配的4.75和2.36 mm關鍵篩孔處的細化指數別為13.2%和10.5%?？梢?常規破碎篩分對RAP集料級配的細化作用不明顯。

4 結論

(1)精細化分離方式可以將黏附在RAP粗集料表面上的瀝青膠砂剝離,經篩分后得到不同粒徑分布的RAP粗料和富含老化瀝青的RAP細料,實現粗細RAP分離。

(2)精細化分離大幅降低了RAP粗料的油石比,RAP粗料的油石比約為2%,同時有效降低了RAP粗料的結團程度。

(3)精細化分離可以降低RAP粗料級配和油石比的變異性,對RAP細料的變異性控制效果與常規破碎篩分相近,總體上精細化分離得到的RAP具有較小的質量波動。

(4)精細化分離雖然可以降低RAP的結團程度和變異性,但是RAP集料在離心力的作用下發生細化,獲取的RAP細料占比接近70%,未來需要深入研究RAP細料的應用。