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再生技术新发展之高模量热再生技术

中路科技2020-06-28 13:28:16

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什么是高模量热再生?

高模量沥青混合料(High Modulus Asphalt Concrete,简称HMAC)的概念起源于法国,是随着法国对重载交通下路面抗车辙变形的研究逐渐发展形成的一种独特的混合料。高模量沥青混合料的基本设计理念是:通过采用低标号硬质沥青(针入度在20左右),高油石比(约6%左右),低空隙率(<6%),通过沥青本身的性质来获得高模量沥青混合料。


法国制备高模量沥青混合料,主要通过两种途径:一是采用低标号沥青,即 30#以下的沥青;另一种是采用高模量添加剂。随着针入度的降低,沥青的软化点、60℃粘度大幅度提高,从而提供了良好的高温稳定性。同时法国高模量沥青混合料的级配也与我国传统的沥青混合料不同,总体来讲其级配偏细,以弥补胶结料低温性能的不足。正是由于沥青胶结料和矿料级配的改变,使高模量沥青混合料表现出与传统沥青混合料明显不同的性能。由表1可以看出,法国的高模量沥青混合料的性能要求与我国的相关规范要求有较大的差异。


1 法国高模量沥青混合料的性能要求



高模量沥青混合料的品质主要取决于正确的混合料设计,法国将高模量沥青混合料设计为具有较高结合料用量和较低空隙率的设计理念值得借鉴。高模量沥青混合料性能特点,非常符合我国交通量大、超载明显的交通现状要求。


老化沥青混合料的再生研究表明,回收的老化沥青针入度一般在20~40(0.1mm)左右,属于硬质沥青的范畴。传统旧沥青混合料热再生的研究思路是通过添加软沥青、轻质油分或再生剂,使老化变硬的沥青软化,从而恢复其性能,但再生的混合料中旧料掺加比例不高,一般在15%~30%,且再生的混合料存在抗疲劳性能较差,使用寿命较短的缺点。在常用的5%~10%左右的再生剂掺量情况下,再生混合料的抗车辙性能将降低 30%~80%。



再生剂掺量对再生混合料抗车辙性能的影响


高模量热再生借鉴了法国高模量沥青混合料的设计理念,充分利用沥青老化过程中所表现出的沥青硬化、级配细化特点,转变传统再生技术中以降低老化沥青粘度来换取低温变形能力的再生路线,将沥青路面的再生技术与高模量沥青混 合料技术相结合,因势利导,开展以高模量为设计目标的沥青混合料再生技术研究,以实现废旧沥青混合料的大掺量、高性能的再生利用。



高模量热再生与传统再生设计理念的区别



高模量热再生在国内外的发展

高模量热再生技术是近年来沥青路面再生研究中出现的一个新方向,目前仅在欧洲部分国家有相关的研究报告。


2008年,比利时和瑞士联合对掺加25%、40%旧料的再生混合料进行了研究,实现了高性能化,混合料的模量在 12000Mpa~13000Mpa 左右; 研究报告认为掺加较高比例的旧料对混合料的性能没有不利影响,但需根据老化沥青性能而进行的混合料设计。实验结果见表 2。


2 高模量热再生沥青混合料性能一览表


注:(*)为防止混合料耐久性下降,以沥青用量5.7代替5.8;(**)以沥青用量5.6代替5.8


西班牙在 2010 年针对路面回收旧料进行了高模量化研究,旧料掺量分别为 0%,15%,30%,50%,表明高旧料掺量混合料的高模量化、高性能化是可以实现的。



高旧料掺量混合料的高温性能优异


2010年,法国在 Toulouse 铺设了掺加旧料的高模量沥青混合料试验段,掺加旧料比例为 35%。



法国高模量热再生沥青混合料施工现场


2008年,比利时对掺加25%、40%旧料的高模量沥青混合料进行铺筑,并进行了加速加载实验。磨耗层(3cm)采用瑞士AC MR8 混合料,联结层(8cm)采用高模量沥青混合料,土基有44cm的级配碎石0/60 及145cm 的细砂和混凝土组成。试验结果如下图所示。



比利时不同旧料掺量的高模量沥青路面的车辙发展规律


可以看出,比利时的加速加载实验表明,高掺量旧料的高模量沥青混合料与不掺旧料的高模量沥青混合料在路用性能方面并没有明显区别,旧料含量增加后,路面的抗车辙能力反而有所提高。


目前,国内关于掺旧料的高模量沥青混合料的研究基本处于起步阶段。东南大学利用 SPT 对不同旧料掺量的高模量沥青混合料的动态模量进行了测试,试验结果表明,在30%~50%的旧料(RAP)掺加范围内,其动态模量仍可满足法国14000MPs的要求,甚至有所提高。



SPT动态模量试验过程


通过对原材料的优选和配合比的优化,掺加70%的旧料后,高模量再生沥青混合料的性能如表3所示。可以看出,即使在70%的超大旧料掺量情况下,再生混合料的动态模 量仍可达到法国高模量沥青混合料的要求,同时其它性能也满足我国现行规范对用于高速公路混合料的要求。


国内外已有的研究表明,大旧料掺再生沥青混合料的量高模量化设计不仅是完全可以实现的,也将成为今后最重要的发展方向。


3 70%旧料的模量再生沥青混合的基本性能



高模量热再生面临的技术难题?

高模量热再生的研究尚存在诸多尚未解决的难题,甚至是反常的规律:如在相同油石比情况下,随着旧料掺量的提高,高模量再生混合料的疲劳寿命和抗裂性呈增加趋势,西班牙的相关研究中也发现了这一问题。因此,需对“高模量化再生”技术进行全面深入的研究。具体来看,高模量热再生技术还面临以下几个难题:


(1)国内外缺少用于高模量化再生的旧料性能评价方法和相关评价标准;


(2)高模量沥青混合料的作用机理和微观界面分析尚不明确;


(3)现有的传统密实型和现代骨架型两大类级配设计方法,均不适用于大旧料掺量高模量再生沥青混合料的级配设计,高模量热再生需要建立新的级配设计方法;


(4)需结合我国路面结构形式、交通需求、典型病害和现有设备条件,有针对性地提出适用于我国的大旧料掺量高模量化再生沥青混合料的性能要求;


(5)高模量化再生沥青混合料的工程应用,必须有与其相配合的路面结构形式和混合料生产技术,从而形成完整的技术体系。


在高模量热再生研究方面,江苏中路工程技术研究院紧跟国际研究前沿,对该技术已有一定的研究基础,并在实际工程中逐步完善高模量热再生的研究与应用,欢迎业内专家学者与我院进行合作交流。






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