2025, Vol. 42扩展功能
文章信息
- 王鹏, 王杰, 徐剑, 常嵘, 曾蔚.
- WANG Peng, WANG Jie, XU Jian, CHANG Rong, ZENG Wei
- 沥青混合料回收料精细分离工艺效果评价
- Effect evaluation on refined separation process for reclaimed asphalt pavement
- 公路交通科技, 2025, 42(11): 54-62
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2025, 42(11): 54-62
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2025.11.007
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- 收稿日期: 2023-06-12
引用本文 |
, 随着中国公路发展由“建设为主”进入了“建养并重”，已经服役的大量沥青路面需要铣刨重铺，沥青混合料回收料(RAP)再生利用成为了公路交通重要发展方向[1-4]。由于RAP存在大量“假颗粒”，使得其变异性大(级配、沥青含量)，造成RAP再生利用掺加比例受限，其价值难以被充分利用[5-8]。为了保证再生沥青混合料质量，一般厂拌热再生要求RAP添加比例为15%~30%[6, 9-10]。为此，研究人员提出了沥青与矿料分离技术，包括物理精细分离法[11-13]、化学溶剂分离法[13-14]、微生物分离法[15]。其中精细分离法由于分离效率高、环境影响小、分离费用低等优势被行业重视[13]。
邹桂莲[16]采用精细分离工艺处理RAP，精细分离后较粗两档RAP沥青含量低于1%，且大比例消除假粗颗粒，提高了再生沥青混合料级配稳定。Qiu[17]将精细分离工艺处理后的RAP以80%的比例应用到再生沥青混合料中，所得再生沥青混合料的路用性能与新沥青混合料相当。王鹏[18]将精细分离工艺得到的RAP应用到高速路改扩建工程，经试验发现使用精细分离RAP的再生SMA-13性能与新沥青混合料基本相同。基于再生沥青混合料路用性能研究表明精细分离工艺有利于提升RAP掺加比例，提高再生沥青混合料质量稳定性。
现有的研究更多关注掺加精细分离RAP后再生沥青混合料的路用性能，但针对精细分离RAP质量评价较少。精细分离后RAP质量是再生沥青混合料的关键过程环节，直接影响再生沥青混合料最终的路用性能及耐久性。因此，为了保证再生沥青混合料质量，非常有必要针对现场精细分离设备所生产的RAP进行系统评价研究。
本研究主要基于精细分离工艺，系统评价分析精细分离RAP矿料级配、沥青含量、沥青性能、集料性能的变化规律及变异性，并采用级配变异性控制方法和沥青含量控制方法计算精细分离较粗RAP(＞4.75 mm)最大掺加比例。研究成果可为精细分离后RAP在再生沥青混合料较大比例应用提供参考。
1 试验方案 1.1 精细分离设备及原理精细分离设备由多个子系统组成，具有RAP精细分离功能的系统设备。其包括上料系统、筛分系统、离心冲击破碎机、对辊破碎机、除尘系统、出料系统等。设备核心为离心冲击破碎机(如图 1所示)，RAP进入离心冲击破碎机后，从高速旋转转子获得动能并被甩出，被甩出的RAP与破碎机档板及下落RAP激烈碰撞摩擦，RAP“假颗粒”沿集料间的沥青界面破碎，使较粗RAP(≥5 mm)与较细RAP(0~5 mm)分离。较粗RAP表面由于碰撞摩擦作用含有很少沥青，绝大部分沥青进入较细RAP，实现沥青与较粗RAP分离。RAP精细分离效果与破碎机转子转速、RAP性质及温度、破碎机档板位置等多因素有关，其中破碎机转子转速是关键影响因素。另外，由于本次试验基于工程现场，对于破碎机档板位置和RAP性质及温度难以改变。因此，本试验选择通过改变破碎机频率调整转子转速，进而改变RAP精细分离效果。本次试验环境温度23~28 ℃，RAP为高速公路上中面层改性沥青混合料。
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| 图 1 精细分离工艺示意图 Fig. 1 Schematic diagram of refined separation process |
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1.2 精细分离试验样品
试验采用120 t/h处理能力的精细分离设备，将RAP在不同频率下(0(原料)，30，40，50 Hz)精细分离成3档(0~5，5~10，10~20 mm)。为了方便实验室评价，将精细分离后的RAP用实验室标准筛对应筛分成3档(0~4.75，4.75~9.5，9.5~19 mm)试验样品，除去超规格粒径颗粒。试验使用的RAP样品编号如表 1所示。为了样品具有代表性，现场取样前去除料堆表面10~20 cm深度范围部分，并从同一料堆大致4等分位置取料，试样编号分别用①②③④表示。
| 粒径规格/mm | 精细分离频率参数/Hz | |||
| 0 | 30 | 40 | 50 | |
| 9.5~19 | A1 | B1 | C1 | D1 |
| 4.75~9.5 | A2 | B2 | C2 | D2 |
| 0~4.75 | A3 | B3 | C3 | D3 |
1.3 精细分离效果评价试验
试验先对各档RAP中矿料和旧沥青采用抽提筛分的方式进行分离，测试矿料级配和沥青含量并计算其变异性，然后测试旧沥青性能(针入度、软化点和延度)以及矿料性能(棱角性、针片状含量、压碎值)，最后在评价试验结果基础上，采用级配变异性控制方法和沥青含量变异性控制方法分别计算RAP(大于4.75 mm)最大掺加比例。
2 精细分离效果评价 2.1 级配变异性分析控制RAP变异性是精细分离工艺一个重要目标，由于试验需要对旧沥青分析，因此各档RAP矿料级配获取采用离心分离法。具体方法：首先用三氯乙烯浸泡RAP样品，然后将混合料和溶剂倒入离心式抽提仪，使沥青与矿料分离，抽提筛分结果见图 2。
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| 图 2 不同规格RAP抽提筛分结果 Fig. 2 Extraction and screening results of RAP with different particle sizes |
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由图 2可知，对于4.75~9.5 mm和9.5~19 mm两档RAP，未经精细分离的A1和A2(0 Hz)矿料级配变异系数较大，且筛孔尺寸越小变异系数有增大的趋势。通过对比筛分级配曲线，A1和A2的筛分级配曲线(4条)筛孔通过率有较大差异，而D1和D2筛分级配曲线(4条)一致性较好。另外，A1(0 Hz)矿料级配中9.5 mm和4.75 mm的变异系数分别为12.81%和13.53%，而D1(50 Hz)矿料级配9.5 mm和4.75 mm的变异系数分别为7.50%和3.88%，经过精细分离处理RAP的变异系数相比较于未精细分离RAP(0 Hz)明显下降。对于0~4.75 mm RAP，经过精细分离D3筛孔通过率差异略小于A3筛孔通过率。相比于RAP(＞4.75 mm)，精细分离对0~4.75 mm RAP的筛孔通过率变异性影响明显变小。通过对3档RAP抽提后筛分结果分析，精细分离工艺降低了各档RAP矿料级配变异性，使RAP具有更好稳定性。
2.2 假颗粒含量分析为探究不同精细分离频率参数下各档RAP分离效果，对各档RAP的假颗粒含量(抽提筛分后本档矿料损失质量与抽提前本档RAP质量比值)进行分析，结果如图 3所示。
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| 图 3 RAP假颗粒含量 Fig. 3 False particle content in RAP |
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由图 3可知，RAP假颗粒含量随精细分离频率的增加而逐渐降低，4.75~9.5 mm档RAP假颗粒含量变化趋势与9.5~19 mm档RAP基本一致。未精细分离A1和A2(0 Hz)假颗粒含量分别为39.0%和42.0%，经过精细分离D1和D2(50 Hz)假颗粒含量分别为9.5%和15.0%，相比于A1和A2(0 Hz)，D1和D2(50 Hz)假颗粒含量分别降低了75.6%和64.3%。RAP经过精细分离后假颗粒明显下降，使RAP更接近于真实矿料。这主要由于RAP进入离心冲击破碎机后获得动能，且动能随频率增加而增大，获得动能的RAP在破碎机腔内相互碰撞摩擦，使RAP料团破碎，同时沥青胶浆在摩擦冲击作用下从粗矿料颗粒表面剥离，有效降低了RAP中假颗粒含量，提高RAP质量和稳定性。
2.3 沥青含量及其变异性分析 2.3.1 沥青含量沥青含量是RAP精细分离效果的另一个重要指标，沥青含量试验结果如图 4所示。
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| 图 4 RAP沥青含量 Fig. 4 Asphalt content in RAP |
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如图 4所示，4.75~9.5 mm和9.5~19 mm档RAP随着频率参数增加沥青含量逐渐降低。A1和A2(0 Hz)沥青含量分别为2.92%和3.38%，D1和D2(50 Hz)沥青含量分别为1.2%和1.34%。相同规格相比，50 Hz精细分离后RAP沥青含量分别下降了58.9%和60.4%。较粗RAP经过精细分离工艺，表面的沥青胶浆在反复碰撞摩擦作用下被剥离，使RAP沥青含量明显下降。
对于0~4.75 mm档RAP，未精细分离A3(0 Hz) 沥青含量明显低于精细分离RAP(B3，C3，D3)，且精细分离RAP(B3，C3，D3)随着频率增加，沥青含量逐渐减小。这是由于沥青路面铣刨过程中，RAP部分集料被“细化”，使得A3中细集料比例增大，沥青含量较低。另外，RAP经过精细分离，较粗RAP表面的沥青胶浆被剥离至0~4.75 mm档RAP，使得B3, C3和D3沥青含量高于A3。但随着精细分离频率提高，RAP获得的动能变大，RAP间相互碰撞摩擦更为激烈，使得部分集料棱角被“粉化”，使得0~4.75 mm档RAP沥青含量随频率增加逐渐降低。
2.3.2 沥青含量变异性未经精细分离RAP(A1，A2和A3)和50 Hz精细分离RAP(D1，D2和D3)经抽提后的沥青含量及其变异系数如表 2所示。
| 类型 | 沥青含量/% | 变异系数/ % | |||
| 试样① | 试样② | 试样③ | 试样④ | ||
| A1 | 3.3 | 2.6 | 3.2 | 2.4 | 15.39 |
| A2 | 3.7 | 3.1 | 3.7 | 3.0 | 11.18 |
| A3 | 6.7 | 5.7 | 6.2 | 5.2 | 10.85 |
| D1 | 1.29 | 1.19 | 1.17 | 1.14 | 5.46 |
| D2 | 1.38 | 1.37 | 1.33 | 1.26 | 3.88 |
| D3 | 6.8 | 6.4 | 6.9 | 7.2 | 4.84 |
由表 2可知，50 Hz精细分离RAP(D1，D2和D3)沥青含量变异系数明显低于未精细分离RAP(A1，A2和A3)。未进过精细分离的A1，A2和A3变异系数分别为15.39%，11.18%和10.85%，经过精细分离的D1，D2和D3变异系数分别为5.46%，3.88%和4.84%。相比于A1，A2和A3(0 Hz)，D1，D2和D3(50 Hz)的沥青含量变异系数分别降低了64.5%，65.3%，55.4%。精细分离工艺显著降低了RAP沥青含量的变异性。
2.4 沥青性能分析未精细分离RAP(A3)和50 Hz精细分离RAP(D3)抽提后的沥青性能分别如表 3所示。
| 指标 | 沥青性能 | 平均值 | 变异系数/% | ||||
| 试样① | 试样② | 试样③ | 试样④ | ||||
| A3 | 针入度/0.1 mm | 31.1 | 28.2 | 34.1 | 25.9 | 29.8 | 11.92 |
| 软化点/℃ | 62.2 | 59.3 | 56.1 | 63.8 | 60.4 | 5.62 | |
| 延度/cm | 22.3 | 20.1 | 23.2 | 19.1 | 21.2 | 8.97 | |
| D3 | 针入度/0.1 mm | 26.9 | 25.1 | 26.1 | 27.9 | 26.5 | 4.49 |
| 软化点/℃ | 61.5 | 65.5 | 63.5 | 61.3 | 63.0 | 3.13 | |
| 延度/cm | 19.1 | 18.3 | 19.1 | 20.3 | 19.2 | 4.29 | |
由表 3可知，D3(50 Hz)抽提得到的沥青针入度、软化点、延度变异性小于A3(0 Hz)，但两种RAP抽提所得沥青指标平均值比较相近。A3和D3的沥青针入度变异系数分别为11.92%和4.49%，相比于A3，D3抽提所得到的沥青针入度变异系数降低了62.3%。这由于经过精细分离，RAP在离心冲击破碎机中碰撞过程进一步混合，使得RAP抽提所得到的沥青性能变异性降低，但精细分离过程中RAP相互碰撞摩擦，属于物理过程，对沥青性能指标影响较小。
2.5 集料性能分析 2.5.1 集料棱角性不同精细分离频率参数下RAP所受到的碰撞激烈程度不同，对集料的外观形貌产生不同的影响。通过粗集料分析仪测试集料棱角性，结果如图 5所示。
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| 图 5 集料棱角性 Fig. 5 Angularity of aggregate |
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如图 5所示，随着精细分离频率的增加，粗集料棱角性(4.75~9.5，9.5~19 mm)逐渐减小。这主要是由于随着频率的增加，RAP在破碎机中的碰撞和摩擦变得更为强烈，集料的形状趋于“球形”，导致集料的棱角性降低。集料棱角性对沥青混合料的性能有很大影响，尤其是对沥青混合料高温性能。因此，不能过度增加精细分离频率以提高分离效果，否则会对粗集料的棱角性产生较大影响，进而影响再生沥青混合料的高温性能。
2.5.2 集料针片状不同精细分离频率参数的RAP(0，30，40，50 Hz) 经过抽提筛分，所得粗集料针片状试验结果如图 6所示。
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| 图 6 集料针片状含量 Fig. 6 Needle-like particles content in aggregate |
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由图 6可知，经过精细分离处理集料的针片状含量低于未经过精细分离的集料，且随精细分离频率增加，集料的针片状含量逐渐下降。当精细分离频率为50 Hz时，4.75~9.5 mm和9.5~19 mm集料(50 Hz)针片状含量分别为4.2%和4.0%，相比于未精细分离集料(0 Hz)分别下降了37.3%和37.5%。这主要是在精细分离过程中针片状颗粒易被折断破碎，使得集料针片状含量下降。
2.5.3 集料压碎值不同精细分离频率参数的RAP(0，30，40，50 Hz) 经过抽提筛分，所得粗集料按照《公路工程集料试验规程》(JTG 3432—2024)测试压碎值，结果如图 7所示。
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| 图 7 集料压碎值 Fig. 7 Crushing value of aggregate |
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由图 7可知，经过精细分离的集料压碎值低于未经过精细分离的集料，且随精细分离频率增加，集料的压碎值逐渐下降。这是由于经过精细分离工艺降低了集料针片状含量，集料表面棱角也减少，进而降低集料被压碎的情况，且随精细分离频率的增加，集料更趋于“圆润”，集料被压碎的情况更少。
3 RAP(大于4.75 mm)最大掺加比例计算 3.1 级配变异性控制方法中国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)明确规定矿料各筛孔通过率应满足相应的质量要求。RAP变异系数相较于新矿料要大，当RAP在再生混合料中添加比例过大，会造成再生沥青混合料不满足质量要求。因此，为了使再生沥青混合料质量处于可控范围，有必要基于不同变异系数RAP计算其最大掺加比例。假设RAP掺加比例X，级配变异性应满足式(1)要求[6]。
| $ V X=V^{\prime}, $ | (1) |
式中，V为RAP级配筛孔通过率标准差；X为RAP掺加比例；V′为热拌再生沥青混合料级配筛孔通过率规范要求值。
由于不考虑新矿料级配筛孔通过率变异性，因此再生沥青混合料变异性要求应略严于普通热拌沥青混合料，建议热拌再生沥青混合料变异性应符合表 4要求。
| 筛孔尺寸/mm | 质量要求 |
| 高速公路及一级公路 | |
| 0.075 | VX≤1% |
| ≤2.36 | VX≤3% |
| ≥4.75 | VX≤4% |
由表 4可知，当RAP变异性较大时，可通过降低RAP掺加比例满足质量要求，当RAP变异性较小有利于提高RAP掺加比例。
相关研究表明[19]，RAP矿料各筛孔通过率呈正态分布特征，根据数理统计方法，可通过样本估算总体标准差。根据置信区间理论，通过式(2)计算总体标准差。
| $ S=\frac{\sigma}{\sqrt{n}} t_{\alpha / 2}, $ | (2) |
式中，S为RAP总体标准差；σ为RAP样本标准差；n为样本数量；α为置信度；tα/2为查t分布表。
当置信度α=0.05，自由度(n-1)为3，查表得tα/2=3.182。4种规格RAP(A1，A2，D1，D2)的总体标准差如表 5~8所示。
| 筛孔尺寸/mm | 通过率标准差/% | 质量要求 | |
| 样本 | 总体 | ||
| 19 | 0.0 | 0.0 | 0.0%X≤4% |
| 16 | 5.2 | 8.2 | 8.2%X≤4% |
| 13.2 | 7.7 | 12.3 | 12.3%X≤4% |
| 9.5 | 5.4 | 8.6 | 8.6%X≤4% |
| 4.75 | 3.1 | 4.9 | 4.9%X≤4% |
| 2.36 | 2.1 | 3.3 | 3.3%X≤3% |
| 1.18 | 1.5 | 2.4 | 2.4%X≤3% |
| 0.6 | 1.1 | 1.8 | 1.8%X≤3% |
| 0.3 | 0.9 | 1.4 | 1.4%X≤3% |
| 0.15 | 0.7 | 1.1 | 1.1%X≤3% |
| 0.075 | 0.6 | 1.0 | 1.0%X≤1% |
| 筛孔尺寸/mm | 通过率标准差/% | 质量要求 | |
| 样本 | 总体 | ||
| 9.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0%X≤4% |
| 4.75 | 2.2 | 3.5 | 3.5%X≤4% |
| 2.36 | 2.0 | 3.2 | 3.2%X≤3% |
| 1.18 | 1.9 | 3.0 | 3.0%X≤3% |
| 0.6 | 1.9 | 3.1 | 3.1%X≤3% |
| 0.3 | 1.5 | 2.3 | 2.3%X≤3% |
| 0.15 | 1.3 | 2.1 | 2.1%X≤3% |
| 0.075 | 1.1 | 1.8 | 1.8%X≤1% |
| 筛孔尺寸/mm | 通过率标准差/% | 质量要求 | |
| 样本 | 总体 | ||
| 19 | 0.0 | 0.0 | 0.0%X≤4% |
| 16 | 1.6 | 2.5 | 2.5%X≤4% |
| 13.2 | 0.8 | 1.3 | 1.3%X≤4% |
| 9.5 | 1.1 | 1.8 | 1.8%X≤4% |
| 4.75 | 0.4 | 0.6 | 0.6%X≤4% |
| 2.36 | 0.5 | 0.7 | 0.7%X≤3% |
| 1.18 | 0.1 | 0.2 | 0.2%X≤3% |
| 0.6 | 0.2 | 0.3 | 0.3%X≤3% |
| 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4%X≤3% |
| 0.15 | 0.2 | 0.3 | 0.3%X≤3% |
| 0.075 | 0.2 | 0.3 | 0.3%X≤1% |
| 筛孔尺寸/mm | 通过率标准差/% | 质量要求 | |
| 样本 | 总体 | ||
| 9.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0%X≤4% |
| 4.75 | 0.5 | 0.7 | 0.7%X≤4% |
| 2.36 | 0.5 | 0.8 | 0.8%X≤3% |
| 1.18 | 0.3 | 0.5 | 0.5%X≤3% |
| 0.6 | 0.3 | 0.4 | 0.4%X≤3% |
| 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3%X≤3% |
| 0.15 | 0.2 | 0.3 | 0.3%X≤3% |
| 0.075 | 0.1 | 0.2 | 0.2%X≤1% |
为了再生沥青混合料满足质量要求，RAP添加量存在最大添加比例，最大添加比例按式(3)计算[6]：
| $ X_{\max }=\min \left\{4 \% / S_{\geqslant 4.75}, 3 \% / S_{\geqslant 2.36}, 1 \% / S_{\geqslant 0.075}\right\}, $ | (3) |
式中，Xmax为RAP掺加最大比例；S≥4.75为筛孔大于4.75的通过率总体标准差；S≤2.36为筛孔小于2.36的通过率总体标准差；S0.075为筛孔0.075的通过率总体标准差。按照式(3)计算RAP最大掺加比例，结果如表 9所示。
| 类型 | A1 | A2 | D1 | D2 |
| Xmax | 0.33 | 0.56 | 1.60 | 3.75 |
由表 9可知，未经过精细分离的RAP(A1和A2)存在最大掺加比例，分别为0.33和0.56。当超过该比例再生沥青混合料矿料级配易超出控制范围。经过精细分离工艺的RAP(D1和D2)最大掺加比例均超过1，50 Hz精细分离后RAP(大于4.75 mm) 掺加比例基本不受矿料变异性影响。
3.2 沥青含量变异性控制方法为研究沥青含量变异性对RAP最大掺加比例的影响，采用沥青含量变异性控制方法，计算RAP最大掺加比例。《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)要求油石比不超过±0.3%，考虑到新沥青和施工过程的变异性，RAP沥青含量变异性控制在±0.2%。参照RAP级配变异性控制计算方法，得出沥青含量变异性控制下RAP最大掺加比例，结果如表 10所示。
| 类型 | A1 | A2 | D1 | D2 |
| Xmax | 0.29 | 0.33 | 1.94 | 2.30 |
由表 10可知，经过50 Hz精细分离的D1和D2最大掺加分别为1.94和2.30，最大掺加比例均大于1。未精细分离的A1和A2最大掺加比例分别为0.29和0.33。沥青含量变异性控制方法与级配变异性控制方法计算所得到的结论一致，精细分离工艺提高了RAP(大于4.75 mm)可掺加的最大比例。
4 结论(1) 沥青混合料回收料RAP矿料级配和沥青含量变异性较大，经过精细分离工艺处理后的RAP矿料级配及沥青含量变异性显著降低，表明精细分离工艺能有效降低RAP变异性，提升RAP稳定性。
(2) RAP(大于4.75 mm)假颗粒含量随着精细分离频率参数增加而降低，D1和D2(50 Hz)假颗粒含量分别为9.5%和15.0%，相比于未精细分离A1和A2(0 Hz)，分别降低了75.6%和64.3%，表明经过精细分离后RAP假颗粒明显下降，更接近于真实矿料。
(3) 精细分离RAP沥青含量随着频率参数增加而逐渐降低，D1和D2(50 Hz)沥青含量分别仅为1.2%和1.34%。对于0~4.75 mm档RAP，未精细分离A3沥青含量低于精细分离B3，C3及D3。
(4) 基于热拌沥青混合料质量控制要求，采用级配变异性控制方法和沥青含量变异性控制方法分别计算RAP(大于4.75 mm)最大掺加比例。两种方法计算A1(0 Hz)最大掺量分别为0.33和0.29，D1(50 Hz)最大掺量分别为1.60和1.94。两种方法计算结果表明，精细分离工艺可大幅提高较粗RAP最大掺加比例。
(5) 通过精细分离工艺有利于提高RAP在再生沥青混合料掺加比例，保证再生沥青混合料质量，进一步充分利用RAP潜在价值，提升RAP再生利用的环保效益和经济效益。
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