泡沫瀝青冷再生技術在石黃高速養護工程中的應用

趙建紅

(河北銳馳交通工程咨詢有限公司)

1 前 言

瀝青混凝土路面由于其行車舒適、色澤美觀、養護簡單、維修方便等特點,在高速公路、干線公路及縣鄉公路上均得到了廣泛應用。瀝青路面在使用過程中,由于受到車輛荷載以及日照、雨水等各種自然因素的作用,會逐漸變形、老化以至損壞。如按照瀝青路面的設計壽命 15年,從現在開始,我國的許多高速公路都已進人大、中修期,在舊路面改造、路面整修工程中,常用的方法是將廢舊路面或基層材料清除、棄埋,該方法不僅造成環境污染、浪費資源、也不經濟。石黃高速公路石辛段 2009年瀝青路面病害治理工程中設計了廠拌冷再生基層施工,采用泡沫冷再生技術進行基層鋪筑。

泡沫瀝青冷再生基層是采用舊瀝青路面銑刨混合料(RAP),用泡沫瀝青和水泥復合作再生穩定劑進行現場冷再生碾壓成型。這種材料具有“剛柔并濟”的特點,抗車轍、抗開裂,施工基本上是冷作業,節約燃料,對環境的污染很小。本研究以石黃高速公路石辛段路面病害治理工程為依托,通過在舊瀝青路面銑刨混合料中添加泡沫瀝青和水泥,在發揮瀝青類結合料柔性的同時,進一步提高強度,使其接近于水泥穩定類材料,混合料性能介于柔性基層和半剛性基層之間,稱之為“半柔性基層”,對其施工工藝和技術指標進行研究分析,為同類工程提供借鑒。

2 泡沫冷再生技術簡介

泡沫瀝青又叫膨脹瀝青,是將一定的常溫水注入熱瀝青使其體積發生膨脹,形成大量的瀝青泡沫,經過很短的時間瀝青泡沫破裂。這一過程只是瀝青的物理變化,沒有發生化學反應。當泡沫瀝青與集料接觸時,瀝青泡沫瞬間化為數以百萬計的“小顆粒”,散布于細集料(特別是粒徑小于0.3mm)的表面,形成粘有大量瀝青的細料填縫料,經過拌和壓實,這些細料能填充于濕冷的粗集料之間的空隙并形成類似砂漿的作用,使混合料達到穩定。

泡沫瀝青冷再生混凝土的施工工藝主要是對舊路進行銑刨,根據得到的回收瀝青路面材料的級配情況,可加入部分石料進行級配調整,泡沫瀝青的用量約為 2.0%～2.5%,同時考慮加入少量的水泥或礦粉,以改善泡沫瀝青在混合料中的分散性以及提高混合料的強度,泡沫瀝青冷再生混凝土單層厚度不大于 20 cm,混合料可用專門的冷再生設備在現場就地再生,也可廠拌再生,然后將混合料攤鋪、碾壓成型后即可。

泡沫瀝青與其他穩定劑相比,優點表現為以下幾方面。(1)增加混合料的剪切強度和水穩定性,較水泥處治的混合料更有柔性、耐疲勞;(2)與無機結合料穩定混合料相比,泡沫瀝青再生混合料需要養護時間短;(3)泡沫瀝青處治應用更廣泛,適用與未處治天然材料、回收瀝青混合料、半剛性基層混合料等;(4)節約能源,僅需加熱瀝青,集料不需要加熱和烘干;(5)施工受季節和氣候影響小。

3 瀝青發泡試驗

本次試驗以河北地區常用的濱州中海 90#瀝青為研究對象,采用德國產WLB10發泡試驗機進行不同溫度、不同用水量條件下的發泡特性試驗,以確定該瀝青最佳的發泡溫度和發泡用水量。

瀝青發泡溫度:150℃、160℃、170℃共三個水平。發泡時用水量:1.5%、2.0%、2.5%、3.0%共四種水平。根據經驗發泡噴射氣壓設定為 0.5 MPa,水壓為0.6MPa。試驗通過對不同溫度、加水量的條件下的膨脹比和半衰期變化情況來得到濱州中海 90#瀝青的最佳發泡條件。

在各個溫度條件下,膨脹比隨發泡加水量的增加而增大,發泡加水量為 3.0%時,膨脹比較大,在 25～35之間;而半衰期隨加水量的增加則逐漸減小。隨著發泡瀝青溫度的升高,膨脹比呈現一定的增加的趨勢。隨著發泡瀝青溫度的升高,半衰期呈現一定的減小的趨勢。隨著發泡加水量的增加,膨脹比明顯增大,發泡加水量對膨脹比具有顯著的影響。發泡加水量為 1.5%時,膨脹比在 10～15之間;當發泡加水量為 3.0%時,膨脹比在 25～35之間。無論在哪種溫度條件下,發泡加水量對半衰期都具有顯著的影響。隨著發泡加水量的增加,半衰期逐漸變小。綜合考慮膨脹比、半衰期兩個指標的特點,并根據現場實際施工情況最終確定本項目山東齊魯石化瀝青的最佳發泡條件為:發泡溫度:160℃;發泡用水量:2.3%。

圖 1 瀝青不同溫度時發泡性能曲線

4 泡沫瀝青冷再生混合料級配設計

本次試驗使用的舊料為對原有瀝青混凝土面層(19 cm)進行銑刨后選取的代表性試樣,然后進行配合比設計,瀝青為濱州中海 90#瀝青,水泥為普通 32.5硅酸鹽水泥。

4.1 集料

將銑刨料風干后在室內進行篩分試驗,試驗結果如表 1。

表 1 舊瀝青路面銑刨料級配

根據《公路瀝青路面再生技術規范》中的級配范圍及舊料的篩分結果看出,舊料 2.36 mm及以下的篩孔通過率偏小,需要加入部分石屑調整級配,石屑篩分結果見表 2。所用水泥 0.075mm篩孔通過率為 100%。

表 2 石屑級配

4.2 合成級配組成設計

根據設計文件的級配范圍要求,混合材料的摻加比例及合成級配組成見表 3和圖 2所示。根據表 3的合成級配,進行混合料配合比設計及強度試驗以檢驗該合成級配是否滿足設計要求,從而確定最終的設計級配。

表 3 合成級配

圖 3 合成級配曲線

4.3 確定最佳含水量與最大干密度

將風干的舊瀝青路面銑刨料、石屑和水泥按擬定的摻加比例混合,通過重型擊實試驗確定再生混合料的最佳含水量和最大干密度,結果見表 4。

表 4 泡沫瀝青再生混合料重型擊實試驗結果

4.4 確定最佳泡沫瀝青用量

按合成級配中舊瀝青路面銑刨料、石屑、水泥的摻加比例,將各部分混合拌勻,再根據重型擊實試驗確定的最佳含水量的 70%對應的水量,加入到混合集料中進行拌和,然后分別加入五種泡沫瀝青用量:1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%,與混合集料進行拌和。按《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG F41-2008)中試件成型和養生方法,在不同瀝青用量下制作試件,測定其干濕劈裂強度并繪制曲線。測試結果如表 5所示。

表 5 不同泡沫瀝青用量下混合料的劈裂強度

通過干、濕劈裂強度及干濕劈裂強度比三個指標綜合比較,可得 2.5%泡沫瀝青用量下再生效果最為理想。

通過室內配比試驗,最終推薦石黃高速公路石辛段病害治理罩面工程泡沫瀝青冷再生項目的配合比設計方案如表6所示。

表 6 泡沫瀝青冷再生混合料配合比推薦方案

5 試驗路方案的確定

5.1 試驗路段的確定

為了使所選擇的試驗路段能夠比較全面、真實地反映原路面結構狀況,根據國外采用的再生理想厚度及現場挖探勘測結果,擬定 K290+077～K 290+312南半幅超車道為冷再生的試驗路段,總長 235m。

5.2 冷再生基層施工試鋪過程

(1)試驗段下承層準備。

采用維特根 2000型銑刨機對原有路面結構層進行銑刨,并用山貓清掃車配合人工進行清掃,吹風機對清掃后的底基層表面吹凈,在鋪筑冷再生混和料前灑水濕潤。

(2)拌和前準備工作。

對到場的RAP和石屑材料檢測其級配是否符合設計級配要求,測定 RAP材料的含水量,調整拌和用水量并試拌。對到場瀝青原材料,利用拌合機噴嘴檢測期發泡率和半衰期是否符合要求。

(3)拌和。

采用維特根 KMA 200型冷再生拌合機按配合比設計成果進行拌和,在拌和過程中,根據現場 RAP材料含水量,調整拌和用水量,考慮運輸和攤鋪過程中的水份散失,使拌和好的混和料含水量略大于最佳含水量。試驗段現場拌和用水量 2.8%,水泥用量 1.5%,瀝青用量 2.6%,粗石粉 15%。

(4)運輸。

運輸采用 15 t以上自卸車進行運輸拌和好的成品料至運輸現場,為防止水份散失,加苫布進行覆蓋,運輸車輛按規定的路線行走。聽從現場管理人員指揮,確保施工安全。

(5)攤鋪。

冷再生混合料采用基層攤鋪機 WTD 9000攤鋪,虛鋪系數 1.3,熨平板不需要加熱。攤鋪機緩慢、均勻、連續不斷的攤鋪,不得隨意變換速度或者中途停頓,攤鋪速度宜控制在2～4m/min范圍內。

(6)壓實。

初壓采用 LS220單鋼輪壓路機關閉振動穩壓 1遍;復壓采用LS220單鋼輪壓路機低頻高幅碾壓 4遍,高頻低幅碾壓2遍;終壓采用 XP301膠輪壓路機噴水碾壓 8遍。

直線和不設超高段的平曲線段,應由兩側路肩向中心碾壓;設超高段平曲線段,應由內側路肩向外側路肩碾壓。壓路機應以慢而均勻的速度碾壓,初壓速度宜為 1.5～3 km/h,復壓和終壓速度宜為 1.5～3 km/h。嚴禁壓路機在剛完成碾壓或正在碾壓的路段上掉頭、急剎車及停放。

5.3 試驗段檢測結果

(1)壓實度:經現場實測壓實度為 100.4、98.9、99、99.7。

(2)平整度檢測三處:最小值 3mm,最大值 8mm。

(3)外觀:表面平整密實,無浮石、彈簧現象,無明顯壓路機輪跡。

(4)劈裂強度檢測結果見表 7。含水量和篩分結果滿足規范要求。

表 7 試驗段泡沫冷再生混合料劈裂強度

由以上結果可以看出,試驗段泡沫冷再生混合料劈裂強度完全滿足規范要求,也就說泡沫冷再生混合料的抗水損壞能力完全符合規范要求。

6 結 論

(1)突破了目前國內關于路面基層規范的限制,采用了新的路面基層結構方案。

(2)首次引入再生柔性基層的概念并加以實施,填補了我國冷再生領域的技術空白。

(3)確定了冷再生技術在河北省高速公路舊瀝青路面改造中的可行性。

(4)實施后的冷再生柔性基層滿足有關規范的技術要求。

[1] 公路瀝青路面再生技術規范(JTG F41-2008).

[2] 石黃高速公路石辛段路面病害處治及罩面工程施工圖設計.

[3] 維特根冷再生手冊 .德國維特根公司,2001.

[4] 公路工程集料試驗規程(JTG E 42-2005).

[5] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTJ052-2000).

[6] 瀝青路面施工及驗收規范(B50092-96).