孙立军┃充分挖掘RAP材料潜能的关键技术——基于性能的RAP冷再生材料设计方法

REWAY

世上没有绝对的废物，

只有放错位置的资源。

作者：孙立军  中国公路学会养护分会年会 2014.6，西安

主要内容：

背景

RAP冷再生原理

再生混合料设计方法

性能检验

最佳含量预估

小结

背景

 国外情况

1、最早始于1915的北美，直到20世纪70年代早期石油危机的爆发和大规

模冷刨设备的发展和应用后，才重新推动沥青路面再生技术的发展。

2、北美、西欧、前苏联、日本等国均重视发展路面再生技术，西欧国家

的路面再生利用率均达到75%以上，荷兰、比利时等还实现了100%利用。

3、热再生技术（尤其是厂拌）在绝大多数国家得到了普遍应用。

4、冷再生技术在大多数国家被有限制使用，甚至不予采用，在美国主要

被用于轻交通道路，但也被部分工程证明了冷再生技术用于重交通道路的

可行性。

 国内情况

1、开始于20世纪80年代，缘于六、七十年代修建的沥青路面破坏严重。

此阶段主要是进行试探性的尝试。直到近几年高等级公路进入改扩建高峰

期才再次成为研究热点。

2、公路发展重点逐步进入养护期，每年将产生大量的废旧沥青材料。

3、路面材料资源紧缺，利用废旧沥青材料是一举多得的措施。

4、2008年《公路沥青路面再生技术规范》的颁布，促进了旧料的使用。

5、冷再生技术适用于路面大修，但目前的使用仍处于简单粗放阶段，未

能充分发掘RAP材料的潜能。

原理

常规设计

· 通过土工击实方法确定最佳含水量OWC。

· 保持OWC不变。将拌合均匀的混合料装入试模内，在马歇尔击实仪上双面各击实50次。将试样连同试模一同放入60℃鼓风烘箱中养生40小时以上，之后从烘箱中取出，立即放置到马歇尔击实仪上双面各击实25次。

· 测试试件的毛体积密度、15℃的劈裂强度、浸水24小时的湿劈裂强度（或者40℃的马歇尔稳定度及浸水马歇尔稳定度），结合工程经验综合确定最佳乳化沥青用量OEC。

带来的问题

HMA的摊铺导致温度场的变化

 温度场变化

RAP材料中的沥青被激活，并将被再次压密成型

二阶段压实原理

第一次压实是冷再生层铺筑时的常温压实过程；

第二次压实是热拌沥青混合料加铺时碾压机械对冷再生层的热压实过程。

再生机理： 激活并再压实，冷拌冷铺热再生的混合料

 启示

1、冷再生混合料会有二次压实现象，经过两次压实的混合料具有较低的空隙率和较好的整体性。

2、配合比设计必须考虑二次压实原理，以充分挖掘其性能。

3、这样设计的再生混合料的性能将大大提高，可以用于路面结构的高层位和重交通条件，起到热拌沥青混合料的作用。

设计方法

室内试件成型新方法

① 将配好的集料（包括RAP，新集料和水泥）投入拌锅，干拌30s；

② 加入设计外加水，拌和60s；

③ 加入乳化沥青，拌60s，拌和完成；

④ 将拌和完成的混合料装入马歇尔试模，在常温下双面各击实100次，然后侧放于室内平坦的地面上常温养生24h；

⑤ 将试件带模侧放入60℃烘箱中保温养生48h；

⑥ 从烘箱中取出带模试件立刻放在马歇尔击实仪上双面各击实50次，然后将试件带模侧放于室内平坦的地面上冷却至室温（一般6小时以上）即可脱去模具，试件制作完成。

 设计指标

1、体积指标

2、抗拉

3、高温稳定性

4、水稳定性

 设计指标

1、体积指标——空隙率；≤11%（8－11％）

2、抗拉——15℃劈裂强度；≥0.8MPa（重交通），≥0.6MPa（中、轻交通）

3、高温稳定性——60℃无侧限抗压强度； ≥0.35MPa

4、水稳定性——冻融劈裂强度比TSR； ≥75%

 废旧沥青混合料（RAP）

 级配设计

 最佳用水量（OWC）

水的作用：

1、拌和时辅助乳化沥青分散、裹覆集料；

2、润滑作用 易于压实。

试验方法：裹覆试验/击实试验

OWC一般3-5%，老沥青含量越高，OWC越小。

 设计指标——空隙率

考虑二次压实后，设计空隙率建议值为8－11％

 设计指标——抗拉性能

推荐用15℃劈裂强度作为抗拉性能的设计指标；建议重交通道路不得低于0.8MPa，中、轻交通不得低于0.6MPa。

 设计指标——高温稳定性

推荐用60℃无侧限抗压强度作为高温稳定性的设计指标；建议重交通道路不得低于0.35MPa。

 设计指标——水稳定性

推荐用冻融劈裂强度比TSR作为水稳定性的设计指标；不得小于75%。

空隙率

抗拉指标

高温指标

TSR

性能检验

 性能测试

抗压回弹模量

动态模量

低温性能

疲劳性能

 抗压回弹模量

 动态模量

1、温度越高，动态模量越小；频率越大，动态模量越大。

2、乳化沥青冷再生混合料的动态模量的温度敏感性小于热拌沥青混合料；且高温下两者模量相近甚至冷再生料要更大。

3、20℃、10Hz时的动态模量在3800MPa左右。

4、合理乳化沥青用量范围内，油石比对动态模量的影响较小。

 低温性能——低温小梁弯曲试验

1、乳化沥青冷再生混合料低温弯拉强度较小，但延展性较好。

2、油石比越大，弯拉应变越大，但增幅很小。

3、A3.5低温延展性好于B3.5。

 疲劳性能

 设计指标及技术要求

 设计原则

综合考虑设计指标技术要求、性能测试结果和经济性

 合成矿料特性对OEC的影响分析

 基于合成矿料特性的OEC预估方法

四点说明：

（1）公式对于常用的沥青混合料有效；

（2）可以使用公式的条件是，RAP掺量为100%（新料掺量较少时建议参考使用）；

（3）冷再生混合料设计级配应和本章设计所用的粗、中粒式级配相近，不适用于细粒式级配；

（4）水泥用量为1.5%。

小结

1、RAP料的再生利用得到了普遍的重视，但仍处于简单利用的阶段，应该深入研究，充分挖掘其性能潜力。

2、提出了一种考虑RAP材料强度形成特点的材料设计方法，采用空隙率、15℃劈裂强度、60℃无侧限抗压强度和冻融劈裂强度比TSR作为设计指标，并给出了建议的技术要求。

3、提出了OEC的设计流程，提出了基于合成矿料特性的OEC预估公式并验证。

3、和热拌沥青混合料相比，乳化沥青冷再生混合料的耐久性（抗疲劳、水稳定）稍差，一味增加沥青用量效果不明显，且易产生高温稳定性不足的问题。提高其耐久性应是今后的重要课题。