一种rap高掺量的再生混合料、其制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种rap高掺量的再生混合料、其制备方法及应用 (high-RAP-content regeneration mixture and preparation method and application thereof ) 是由 卿福民 严孝彩 罗建宏 黎发扬 林伟 张聪聪 汪磊 韩生平 于 2021-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种RAP高掺量的再生混合料、其制备方法及应用,属于路面材料制备技术领域。本发明的RAP高掺量的再生混合料,按质量份数由如下成分组成：TB改性沥青4.5～6.5份、纳米碳酸钙0～0.165份、RAP料30～55份、新矿料45～70份、贝尔法赤泥1.5～3.5份、矿粉0.5～1.2份、混掺抗剥落剂0.2～0.5份、炭黑稳定剂0.1～0.4份。本发明的RAP高掺量的再生混合料,抗低温性能效果显著,能够较好地应用于沥青路面的再生。(The invention discloses a high-RAP-content regeneration mixture, a preparation method and application thereof, and belongs to the technical field of pavement material preparation. The regeneration mixture with high RAP content comprises the following components in parts by weight: 4.5-6.5 parts of TB modified asphalt, 0-0.165 part of nano calcium carbonate, 30-55 parts of RAP material, 45-70 parts of new mineral aggregate, 1.5-3.5 parts of Bell red mud, 0.5-1.2 parts of mineral powder, 0.2-0.5 part of mixed anti-stripping agent and 0.1-0.4 part of carbon black stabilizer. The regeneration mixture with high RAP content has obvious low-temperature resistance and effect, and can be better applied to the regeneration of asphalt pavements.)
技术领域
本发明属于路面材料制备技术领域，具体涉及一种RAP高掺量的再生混合料、其制备方法及应用。
背景技术
随着我国高速公路建设总里程和交通量的逐年增大，而且沥青路面所占比例也越大，导致高速公路路网中沥青路面的养护需求也不断增加，因此，沥青路面再生技术应运而生。沥青路面再生技术是指，将需要翻修或废弃的旧沥青路面，经过路面再生专用设备的翻挖、回收、加热、破碎、筛分后，与再生剂、新沥青、新集料等按一定比例重新拌和成混合料，满足一定的路用性能并重新铺筑于路面的一整套工艺。这种养护方式可以节约造价，还可以节约砂石材料的使用，具有经济、环保双重效益。
沥青的再生技术主要包括热再生技术和冷再生技术两种，我国以热再生为主要再生方式，通过重复利用沥青混合料并重新铺筑成路面面层，以达到节约资源和保护生态环境的目的。热再生技术是公路养护可持续发展战略的重要组成部分，在我国公路保持高速发展、资源紧张、环保意识增强的今天，具有非常积极的意义。
但是，在沥青路面热再生过程中，随着沥青混合料回收料(RAP料)的不断添加，混合料的水稳性能和低温抗裂性能会变差，严重影响道路的使用寿命，这是由于老化导致沥青的劲度增大、韧性下降，从而造成抗裂性能下降。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种RAP高掺量的再生混合料，抗低温性能效果显著，能够较好地应用于沥青路面的再生。
本发明的技术方案如下：
一种RAP高掺量的再生混合料，由以下成分按质量份数组成：
TB改性沥青4.5～6.5份、纳米碳酸钙0～0.165份、RAP料30～55份、新矿料45～70份、贝尔法赤泥1.5～3.5份、矿粉0.5～1.2份、混掺抗剥落剂0.2～0.5份、炭黑稳定剂0.1～0.4份。
优选地，上述RAP高掺量的再生混合料，由以下成分按质量份数组成：
TB改性沥青4.8～5.5份、纳米碳酸钙0.048～0.165份、RAP料35～50份、新矿料48～65份、贝尔法赤泥1.5～3.5份、矿粉0.5～1.0份、混掺抗剥落剂0.3～0.5份、炭黑稳定剂0.1～0.2份。
上述RAP高掺量的再生混合料中，TB改性沥青是由以下方法制备而成：将基质沥青加热至230～250℃，加入橡胶粉，在转速4000～6000r/min下剪切16h，获得TB改性沥青。
上述TB改性沥青的制备方法中，温度优选为250℃；转速优选为5000r/min；基质沥青优选为中海70#沥青；橡胶粉的质量优选为基质沥青质量的10～20％。进一步优选地，橡胶粉的粒径为60目，密度为1.18g·cm-3，含水率为0.2，外观无结团。
上述RAP高掺量的再生混合料中，新矿料为石灰岩、玄武岩、辉绿岩中的一种或几种。新矿料由粗骨料和/或细骨料组成。优选地，粗骨料的粒径为2.36～13.2mm，细骨料的粒径为0.075～2.36mm。优选地，在由粗骨料和细骨料组成的新矿料中，粗骨料和细骨料的质量比为37:63。
上述RAP高掺量的再生混合料中，矿粉选自石灰岩粉、玄武岩粉、滑石粉、硅灰石粉中的一种或几种。矿粉的粒径＜0.075mm。
上述RAP高掺量的再生混合料中，混掺抗剥落剂选自AMR、TJ-066、XT-1、PA-1的一种或几种。
上述RAP高掺量的再生混合料中，炭黑稳定剂选自炭黑N110、炭黑N220、炭黑N330中的一种或几种。
本发明中级配设计选择密级配。
本发明提供的再生混合料，RAP料掺量高，高低温性能良好，同时具备优良的水稳性能和抗疲劳性能，可用于各种恶劣环境。优选地，上述RAP高掺量的再生混合料用于沥青路面再生。
本发明提供了上述RAP高掺量的再生混合料的制备方法，步骤如下：
将TB改性沥青加热到180～190℃，加入纳米碳酸钙，搅拌30～40min，搅拌结束加入炭黑稳定剂继续搅拌30～40min，在180～200℃条件下发育2h，得到TB复合改性沥青；将RAP料、新矿料、贝尔法赤泥和矿粉混合，加入TB复合改性沥青，搅拌均匀，撒入混掺抗剥落剂，制备得到RAP高掺量的再生混合料。
上述制备方法中，RAP料需要提前烘干，烘干温度为120～140℃，烘干时间为3h；新矿料和矿粉也需提前烘干，烘干温度160℃，烘干时间为3h；贝尔法赤泥需要在烘箱中烘干，磨细后利用筛子进行筛分。
本发明的有益效果为：
本发明通过采用橡胶粉对基质沥青进行TB改性，是将基质沥青与胶粉经过长时间高温剪切形成，颗粒分散均匀，橡胶粉完全被分解和充分硫化，避免了传统橡胶沥青黏度大、热贮存稳定性差、易离析等弊端。同时，由于经过长时间高温剪切的改性，使得胶粉彻底解聚，由大分子分解为小分子并完全溶解于基质沥青中，因此，形成的TB改性沥青可作为再生剂使用，活化RAP中的老化沥青，减少了再生剂的使用，节约了成本。基质沥青被改性为TB改性沥青后，其针入度得到了很大提高，具有优良的低温性能，但是软化点有了部分降低，高温性能有所减弱，因此，本发明采用纳米碳酸钙来弥补了这一差异，从而形成了具有优良的高温性能、低温性能、水稳性能、疲劳性能的TB复合改性沥青。将TB复合改性沥青加入到高掺量RAP的再生混合料中，能够形成具有优良抗裂性能和水稳性能的再生混合料。同时，混掺抗剥落剂的添加可有效提高再生沥青混合料的水稳定性。本发明所述的高掺量RAP的再生混合料，高低温性能良好，同时具备优良的水稳性能和抗疲劳性能，能够较好地应用于沥青路面的再生。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
制备TB改性沥青，步骤如下：
将中海70#沥青加热，加入橡胶粉(粒径为60目，密度为1.18g·cm-3，含水率为0.2，外观无结团)，在转速5000r/min下剪切16h，获得TB改性沥青。
为研究温度和橡胶粉掺加量对TB改性沥青性能的影响，将上述方法中的中海70#沥青分别加热至180℃、250℃、280℃，并在每种温度条件下设置10％、15％、20％三种橡胶粉掺加量(即，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的10％、15％、20％)，制备各种TB改性沥青。
上述TB改性沥青的基本性能，如表1所示。
表1
由表1可知，在180℃制备条件下，各TB沥青的针入度不如基质沥青(25℃针入度为6.7mm，15℃延度＞100cm，软化点为48℃，135℃下旋转粘度为0.45Pa·s)，这是因为橡胶还没完全脱硫和解聚，此时与沥青之间不能进行很好的融合。在280℃制备条件下，橡胶粉完全脱硫和解聚，但由于温度过高，沥青老化严重，产生沥青烟，因此不能起到活化沥青的作用。在250℃制备条件下，各掺量下TB沥青具有良好的针入度和软化点。故优选250℃作为制备TB改性沥青的温度。
实施例2
制备TB复合改性沥青，步骤如下：
将TB改性沥青加热至180℃，加入纳米碳酸钙，搅拌30min，然后加入炭黑N110(炭黑N110的掺加量是TB改性沥青质量的2.2％)，继续搅拌30min，然后在180℃条件下发育2h，得到TB复合改性沥青。
为研究纳米碳酸钙掺加量对TB复合改性沥青性能的影响，将上述制备方法中纳米碳酸钙掺加量分别设置为1％、2％、3％、4％(即纳米碳酸钙掺加量为TB改性沥青质量的1％、2％、3％、4％)，制备各种TB复合改性沥青。其中，TB改性沥青为实施例1中在250℃条件下制备的TB改性沥青。
上述TB复合改性沥青的基本性能，如表2所示。
表2
由表2可知，当纳米碳酸钙的掺量超过3％时，各掺量下的TB复合改性沥青的针入度下降到70以下，粘度很高，轻质油分偏少，不能满足活化旧沥青的要求。因此，纳米碳酸钙的掺量优选为1～3％。
实施例3
制备RAP高掺量的再生混合料，步骤如下：
将TB改性沥青加热到180℃，加入纳米碳酸钙，搅拌30min，搅拌结束加入炭黑稳定剂，继续搅拌30min，然后在180℃条件下发育2h，得到TB复合改性沥青；将烘干的RAP料、新矿料、贝尔法赤泥和矿粉置于拌锅中混合，加入TB复合改性沥青，搅拌3min，倒出混合料，平铺在托盘中，均匀撒入混掺抗剥落剂，得到RAP高掺量的再生混合料。
上述制备方法中，各成分的质量份数如下所示：
TB改性沥青4.8份、纳米碳酸钙0.048份、RAP料35份、新矿料65份、贝尔法赤泥3.5份、矿粉0.5份、混掺抗剥落剂0.3份、炭黑稳定剂0.1份。
在本实施例中：
TB改性沥青由以下方法制备而成：将中海70#沥青加热至250℃，加入橡胶粉(粒径为60目，密度为1.18g·cm-3，含水率为0.2，外观无结团)，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的10％，然后在转速5000r/min下剪切16h，获得TB改性沥青。
RAP料是由陕西省宝鸡绕城高速公路经铣刨获得的废旧沥青混合料，混合料中的沥青是纳米碳酸钙改性沥青；其中，RAP料中旧沥青的基本性能如表3所示：
表3
新矿料为石灰岩，磨耗率16.8，吸水率2.1％，含泥量1.4％，表观密度2.733g·cm-3，针片状含量5.8％，压碎值15.2％；其中，粗骨料和细骨料的质量比为37:63；粗骨料的粒径为2.36～13.2mm；所述细骨料的粒径为0.075～2.36mm。
贝尔法赤泥选自陕西巩义市美硕水处理材料有限公司，表观密度2.82g/cm3。矿粉为石灰岩矿粉，粒径＜0.075mm。混掺抗剥落剂为AMR。炭黑稳定剂为炭黑N220稳定剂。
实施例4
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例3所示，其区别是，TB改性沥青中，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的15％。
实施例5
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例3所示，其区别是，TB改性沥青中，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的20％。
实施例6
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例5所示，其区别是，将贝尔法赤泥全部换成石灰岩矿粉。
实施例3～6制备的RAP高掺量的再生混合料的性能测试
将实施例3～6制备的RAP高掺量的再生混合料用马歇尔击实仪成型，制备马歇尔混合料试件，并对试件进行路用性能的测试，结果如表4所示。
表4
由实施例3～5的实验数据可知：随着橡胶粉掺量的增加，低温弯曲应变逐渐升高，从10％掺量到20％掺量，低温弯曲应变提高了12.5％，表明TB沥青具有提升混合料低温性能的特性。而动稳定度呈现下降趋势，从10％掺量到20％掺量，动稳定度降低了18.8％，表明TB沥青降低了混合料的高温性能，但仍然满足规范中动稳定度＞3000的要求，而且，纳米碳酸钙的存在，也减少了TB沥青对混合料高温性能的不利影响。冻融劈裂强度也出现了相应的降低，但降低程度较小，是由于混掺抗剥落剂的存在，使得冻融劈裂强度均大于90％，表明混合料具有优良的水稳定性。疲劳寿命恢复率呈现上升趋势，表明橡胶粉的存在提高了混合料的耐久性，延长了道路的使用寿命。
由实施例5和6的实验数据可知：在实际应用过程中，将贝尔法赤泥代替部分矿粉，可以提高动稳定度。
实施例7
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例3所示，其区别是，在本实施例中，各原料的质量份数如下所示：TB改性沥青5.0份、纳米碳酸钙0.1份、RAP料42份、新矿料55份、贝尔法赤泥2份、矿粉0.7份、混掺抗剥落剂0.4份、炭黑稳定剂0.1份。
实施例8
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例7所示，其区别是，TB改性沥青中，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的15％。
实施例9
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例7所示，其区别是，TB改性沥青中，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的20％。
实施例7～9制备的RAP高掺量的再生混合料的性能测试
将实施例7～9制备的RAP高掺量的再生混合料用马歇尔击实仪成型，制备马歇尔混合料试件，并对试件进行路用性能的测试，结果如表5所示。
表5
由表5可知，随着RAP掺量的增加，混合料的低温性能有部分下降，伴随TB沥青中胶粉掺量的增加，低温弯曲应变逐渐增大，且在20％掺量下，达到了5231με，表明TB沥青的添加使得高掺量RAP再生混合料仍具有优良的低温性能。冻融劈裂强度比均在90％以上，具有优良的低温性能。动稳定度随着RAP掺量的增加而增加，最高达到了5582次/mm，当胶粉掺量为20％时，动稳定度下降到4976次/mm，但仍具有优良的高温性能。疲劳寿命随着RAP掺量的增加会降低，但是掺加TB改性沥青可增大热再生混合料最佳沥青用量、提高沥青饱和度和集料表面沥青膜厚，且TB改性沥青自身弹性较好，增加了热再生混合料自愈合性能和及时释放荷载的能力，使得疲劳寿命随着橡胶粉掺量的增加而增加。
实施例10
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例3所示，其区别是，在本实施例中，各原料的质量份数如下所示：TB改性沥青5.5份、纳米碳酸钙0.165份、RAP料50份、新矿料48份、贝尔法赤泥1.5份、矿粉1份、混掺抗剥落剂0.5份、炭黑稳定剂0.2份。
实施例11
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例10所示，其区别是，TB改性沥青中，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的15％。
实施例12
制备RAP高掺量的再生混合料，制备方法如上述实施例10所示，其区别是，TB改性沥青中，橡胶粉的质量是中海70#沥青质量的20％。
实施例10～12制备的RAP高掺量的再生混合料的性能测试
将实施例10～12制备的RAP高掺量的再生混合料用马歇尔击实仪成型，制备马歇尔混合料试件，并对试件进行路用性能的测试，结果如表6所示。
表6
由表6可知，随着RAP掺量的进一步增加，混合料的低温性能有部分下降，伴随TB沥青中胶粉掺量的增加，低温弯曲应变逐渐增大，且在20％掺量下，达到了4717με，表明TB沥青的添加使得高掺量RAP再生混合料仍具有优良的低温性能。冻融劈裂强度比均在90％以上，具有优良的低温性能。动稳定度随着RAP掺量的增加而增加，最高达到了6176次/mm，当胶粉掺量为20％时，动稳定度下降到5132次/mm，但仍具有优良的高温性能。疲劳寿命随着RAP掺量的增加会降低，但是掺加TB改性沥青可增大热再生混合料最佳沥青用量、提高沥青饱和度和集料表面沥青膜厚，且TB改性沥青自身弹性较好，增加了热再生混合料自愈合性能和及时释放荷载的能力，使得疲劳寿命随着橡胶粉掺量的增加而增加。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
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