基于機械分離法的再生粗集料的路用性能

吳江　栗翔　徐綺　黃軍瑞

摘要：為研究廢舊瀝青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）的機械法油石分離技術，分析再生粗集料的性能，采用洛杉磯磨耗儀對RAP進行磨耗作為再生粗集料，采用磨耗率和分離率評價分離效果，測定不同旋轉次數下RAP的磨耗率和分離率隨球料質量比的變化，確定最佳工藝參數，采用熒光顯微鏡觀察再生粗集料的微觀空隙狀態；將再生粗集料、同源普通石灰巖粗集料、抽提的粗集料分別與細集料拌制稀漿混合料應用于微表處中，研究不同材料對微表處性能的影響。結果表明：油石分離的最佳工藝參數為磨耗儀旋轉900次，磨料用小球與RAP的質量比為1.0；再生粗集料表面仍殘留瀝青，填充于開口空隙中；與其他2種粗集料相比，再生粗集料制備的微表處混合料的可拌和時間延長，配伍性及抗水害性能明顯提升，油石比下降，可有效節省乳化瀝青。再生粗集料可作為微表處中的新集料使用，性能優越，施工成本降低。

關鍵詞：油石分離；再生粗集料；微表處；可拌和時間

中圖分類號：U416.217文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）01-0043-06

引用格式：吳江，栗翔，徐綺，等.基于機械分離法的再生粗集料的路用性能［J］.山東交通學院學報，2024，32（1）：43-48.

WU Jiang，LI Xiang，XU Qi， et al.Pavement performance of recycled coarse aggregate based on mechanical separation method［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（1）：43-48.

0 引言

我國每年因公路建設和養護產生大量廢舊瀝青路面材料（reclaimed asphalt pavement， RAP），堆放RAP占用大量土地，易污染當地環境?；厥帐褂肦AP可降低施工成本，保護當地生態環境[1-3]。我國目前主要通過瀝青路面再生技術回收使用RAP，但RAP級配的變異性較大，RAP中的舊瀝青與新瀝青及再生劑充分融合的難度較大，難以保證再生路面的路用性能，RAP的重復利用率較低，仍有大量RAP未得到合理利用[4-6]；RAP中的瀝青老化嚴重，但集料的相關性能指標變化不大，符合規范要求[7-9]。若能合理地回收利用RAP中的舊集料，可實現RAP的大批量重復利用。

油石分離是指將RAP中的瀝青與集料分離，可采用化學法、生物法、機械法等[10-12]?；瘜W法主要是采用化學試劑溶解RAP中的瀝青，經過濾和離心分離等處理措施后獲得再生集料和再生瀝青，但化學試劑大多有毒，揮發性較強，危害人體健康，試劑價格昂貴，若無法有效回收，會大大提高分離成本[13-15]。生物法是指在RAP中加入特定的微生物菌群，改變瀝青與集料間的表面結合能力，實現油石分離，但工藝較復雜、技術難度較大，分離效率較低[16-18]。機械法應用最廣，采用機械設備對RAP進行物理破碎或沖擊，可通過機械外力從集料上分離RAP表面老化的膠結料，工藝簡單，成本較低，易實現，但工序較多，專用設備昂貴。Feng等[19]采用小型物理柔性離心分離裝置對RAP進行機械分離，發現所得較粗再生集料的壓碎值未發生明顯變化，低溫有利于提升分離效果。周新鋒等[20]通過機械法對RAP除塵、破碎、油石分離和篩分，將集料表面的瀝青分離，所得再生集料的各項性能與新集料基本一致，符合規范要求，同時提高再生集料與瀝青的黏附性。馬川義等[21]采用多尺度評價指標評價機械法油石分離得到的再生集料的顆粒形態，認為該方法對再生集料顆粒的宏觀-微觀-細觀特征有積極影響。

機械法油石分離技術的綜合優勢明顯，應用前景廣闊。本文采用機械法進行油石分離，選定分離設備，提出相關評價指標，通過室內試驗確定設備的最佳工藝參數，將RAP中的舊瀝青與舊集料分離，研究分離后所獲粗集料應用于微表處的相關性能，以期擴大RAP的應用范圍和用量。

1 試驗方法

分離RAP存在銑刨不徹底及板結問題，采用顎式破碎機破碎RAP;采用邊長為2.36 mm的方孔篩篩分，取篩上RAP作為試驗材料，通過抽提試驗測得5組RAP的油石比分別為2.2、2.3、2.2、2.2、2.2，平均油石比為2.2。

采用洛杉磯磨耗儀回收RAP中粗集料的基本步驟為：將RAP放入洛杉磯磨耗儀中高速旋轉，顆粒與顆粒、顆粒與小球、顆粒與機械內壁間發生激烈碰撞與摩擦， RAP結構開裂，瀝青逐漸從石料表面脫落，實現瀝青和集料的有效分離。

將破碎后的RAP洗凈后置于（105±5）℃烘箱內烘干至恒重，采用邊長為2.36 mm的方孔篩篩除粒徑較小的RAP，得到粗顆粒RAP，稱取一定質量的粗顆粒RAP放入洛杉磯磨耗儀中，放入磨耗用小球，開動磨耗儀旋轉至設定次數，回收磨耗后的RAP;采用邊長為2.36 mm的方孔篩篩除回收RAP中的細屑，沖洗篩上的RAP，再次置于（105±5）℃的烘箱內烘干至恒重，即獲得再生粗集料。磨耗RAP時需控制磨耗用小球質量與RAP質量之比，即球料質量比。

2 分離效果評價指標與最佳工藝參數

2.1 分離效果的評價指標

在磨耗過程中粗顆粒RAP發生細化，細顆粒RAP占比增大，磨耗效率降低，選用分離率和磨耗率作為分離效果的評價指標。

稱取質量為m1的粗顆粒RAP放入洛杉磯磨耗儀中，磨耗完成后取出腔室內RAP，采用邊長為2.36 mm的方孔篩篩分，篩上剩余RAP的質量m2，磨耗率EM=（1-m2/m1）×100%。

稱取一定質量的粗顆粒RAP，在不同工藝參數下磨耗，將磨耗后的RAP通過邊長為2.36 mm的方孔篩篩分，測定篩上剩余RAP的質量m，通過抽提試驗測定該部分RAP中瀝青的質量m3。取質量為m的未磨耗RAP進行抽提試驗，測定未磨耗RAP中瀝青的質量為m4，分離率EF=（1-m3/m4）×100%。

球料質量比均為1.0時，測試在磨耗儀不同旋轉次數n下的分離率和磨耗率，試驗結果如表1所示。

由表1可知：隨旋轉次數的增大，分離率和磨耗率均增大。3組試驗的分離率均高于磨耗率，磨耗率較低，表明磨耗過程中主要是分離RAP表面的瀝青，RAP的細化程度較低，該方法可有效磨耗RAP表面的瀝青，油石分離效果較好。

2.2 最佳工藝參數的確定

為確定該分離方法中洛杉磯磨耗儀的最佳工藝參數，分析粗顆粒RAP的分離率和磨耗率的主要影響因素及影響規律，選擇旋轉次數、球料質量比為影響因素，設置不同的因素水平，在不同的旋轉次數下，RAP的磨耗率、分離率隨球料質量比的變化如表2所示。

由表2可知：球料質量比相同時，磨耗率、分離率與旋轉次數正相關，原因是旋轉次數越大，小球與磨耗儀側壁及RAP的碰撞次數越多，磨耗更充分，分離率增大，但磨耗損失也越嚴重；旋轉次數相同時，磨耗率、分離率與球料質量比正相關，原因是旋轉次數相同時，球料質量比越大，磨耗用小球的相對個數越多，小球與RAP的碰撞概率越大，撞擊后分離的瀝青和磨損到粒徑小于2.36 mm的集料越多。磨耗儀旋轉900次、球料質量比為1.0時，RAP的磨耗率為28.2%，相對較低，分離率為87.3%，相對較高，將該組參數確定為最佳工藝參數。

3 再生粗集料在微表處中的應用

3.1 再生粗集料的微觀空隙狀態

再生粗集料表面的空隙狀態對再生材料性能的影響較大，為分析再生粗集料表面殘留瀝青的分布及開口空隙的狀態，采用熒光顯微鏡觀察再生粗集料的微觀空隙狀態，放大500倍后，再生粗集料的微觀空隙狀態如圖1所示。圖1中顏色較深部分為機械磨耗過程中未被磨除、殘留在集料表面的瀝青，較淺部分為磨除瀝青后外露的集料表面。

由圖1可知：再生粗集料表面的大部分瀝青已被磨除，集料的小部分凹陷區仍殘余少量瀝青，且主要填充在開口空隙，再生粗集料的開口空隙變小，與再生粗集料表面平齊，成為閉口空隙。

3.2 微表處性能試驗

將再生粗集料應用于微表處中，研究再生粗集料對微表處的性能影響。

3.2.1 粗集料性能及級配

選用3～10 mm的再生粗集料、同源普通石灰巖粗集料、抽提得粗集料，分別與普通石灰巖細集料拌制稀漿混合料，測試3種粗集料應用于微表處時的技術指標，結果如表3所示。由表3可知：3種粗集料的技術指標均滿足微表處的技術要求，再生粗集料的指標優于其他2種粗集料。

為避免級配因素對微表處性能的影響，減小試驗誤差，采用文獻[23]中的MS-III型推薦級配中值為3種粗集料微表處的設計級配，如表4所示。

3.2.2 可拌和時間

設定油石比為0.06，采用室內手動拌和試驗，測定再生粗集料、抽提得粗集料、普通石灰巖粗集料3種粗集料分別與細集料在MS-III型推薦級配中值下的合成礦料與乳化瀝青的可拌和時間隨水與集料的質量比w的變化情況，試驗結果如表5所示。

由表5可知：3種粗集料微表處的可拌和時間均隨水與集料的質量比的增大而延長，說明增加用水量可減緩破乳速度；水與集料的質量比相同時，再生粗集料微表處的可拌和時間比其他2種集料長，原因是乳化瀝青破乳后，再生粗集料表面仍附著殘留瀝青，與破乳后的乳化瀝青結合，可延長拌和時間；水與集料的質量比大于0.09時，3種粗集料微表處可拌和時間的增長速率明顯加快。

3.2.3 黏聚力

根據文獻[24]，采用稀漿混合料黏聚力試驗，測定3種粗集料微表處在養護完成后0.10、20、30 min時的黏聚力，測試結果如表6所示。

由表6可知：剛完成養護時，按黏聚力從大到小依次為抽提得粗集料-細集料微表處、普通石灰巖粗集料-細集料微表處、再生粗集料-細集料微表處；完成養護后10 min時3種粗集料微表處黏聚力相當，完成養護后20、30 min時，再生粗集料-細集料和普通石灰巖粗集料-細集料微表處的黏聚力相當且大于抽提得粗集料-細集料微表處，說明再生粗集料用于微表處時，表面殘留瀝青對完成養護20 min后集料的黏聚力影響不大。

3.2.4 濕輪磨耗值

為研究采用3種粗集料的合成礦料與乳化瀝青的配伍性及微表處的抗水害能力，根據文獻[24]，測定油石比w1不同時，為1 h、6 d（磨耗前試件在25 ℃水中水浴保溫的時間）3種集料微表處的濕輪磨耗值，試驗結果如表7所示。

由表7可知，磨耗前試件在25 ℃水中水浴保溫時間為1 h、6 d 3種粗集料微表處的濕輪磨耗值均與油石比負相關。不同油石比下，乳化瀝青破乳后與再生粗集料表面的殘留瀝青融合形成物理吸附作用，表面瀝青膜比其他2種粗集料微表處厚，磨耗前試件在25 ℃水中水浴保溫時間為1 h、6 d再生粗集料-細集料微表處的濕輪磨耗值小于其他2種集料。將再生粗集料應用于微表處中可降低油石比，有效節省瀝青用量；相同油石比下，磨耗前試件在25 ℃水中水浴保溫時間為 6 d濕輪磨耗值大于1 h的濕輪磨耗值，說明恒溫水浴時間越長，集料與瀝青的物理吸附作用越差。

4 結論

采用洛杉磯磨耗儀磨耗RAP進行油石分離，通過室內試驗確定洛杉磯磨耗儀旋轉次數、球料質量比的最佳工藝參數，并制備再生粗集料，研究再生粗集料應用于微表處時的性能改善情況。

1）采用洛杉磯磨耗儀對RAP進行油石分離，將磨耗率和分離率作為評價指標，該方法的分離率大于磨耗率，油石分離效果較好；油石分離的最佳工藝參數為磨耗儀旋轉900次，球料質量比為1.0，此時分離率為87.3%，磨耗率為28.2%，回收效率較高。

2）再生粗集料的表面殘留少量瀝青，填充于開口空隙中使得開口空隙變小，部分變成閉口空隙。將再生粗集料作為新集料應用于微表處中可延長可拌和時間，與乳化瀝青的配伍性和所制微表處混合料的抗水害能力優于普通石灰巖粗集料-細集料和抽提得粗集料-細集料，同時可降低微表處的油石比，節省瀝青用量，再生粗集料應用于微表處中可行。

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Pavement performance of recycled coarse aggregate based on mechanical separation method

WU JiangLI XiangXU QiHUANG Junrui2

Abstract：To study the mechanical hot-mix separation technology for reclaimed asphalt pavement （RAP） and the performance of recycled coarse aggregates， the RAP is subjected to abrasion using a Los Angeles abrasion machine to obtain the recycled coarse aggregates. The abrasion rate and separation rate are used to evaluate the separation effectiveness. The abrasion rate and separation rate of RAP at different rotation counts are measured to determine the optimal process parameters. The micro-pore structure of the recycled coarse aggregates is observed using a fluorescence microscope. The recycled coarse aggregates， conventional limestone coarse aggregates from the same source， and extracted coarse aggregates are mixed with fine aggregates to prepare slurry mixtures for application in micro-surfacing. The influence of different materials on the performance of micro-surfacing is studied. The results show that the optimal process parameters for asphalt-aggregate separation are 900 rotations of the abrasion machine with a mass ratio of 1.0 between the abrasive balls and RAP. Residual asphalt still remains on the surface of the recycled coarse aggregates， which fills the open pores. Compared with the other two types of coarse aggregates， the slurry mixture prepared with recycled coarse aggregates exhibits prolonged mixing time， improved compatibility， increased resistance to water damage， lower asphalt-aggregate ratio， and effective reduction in emulsified asphalt consumption. Recycled coarse aggregates can be used as new aggregates in micro-surfacing， with superior performance and reduced construction costs.

Keywords：hot-mix separation; recycled coarse aggregate; micro-surfacing; mixing time

（責任編輯：王惠）

收稿日期：2023-05-20

第一作者簡介：吳江（1999—），男，山東煙臺人，碩士研究生，主要研究方向為道路與鐵道工程，E-mail：1206331052@qq.com。