泡沫瀝青冷再生混合料最佳瀝青用量設計

楊 猛,孫 宇,張艷紅,袁忠文

(1.黑龍江省交通運輸信息和科學研究中心,黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江建筑職業技術學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

1 前 言

根據統計資料,我國瀝青路面年平均年增長6.1萬km左右,預計2030年將達到300萬km。大量的道路建設和投入運營,必然帶來不可避免的道路養護問題。據統計我國高等級公路90%為瀝青路面,城市道路中瀝青路面所占比例更高。

瀝青路面使用年限一般為10～15年,所以現在我國需要維修的瀝青路面數量很大。以往主要使用清除、覆蓋的方法進行瀝青路面維修,大量的瀝青混合料被廢棄。我國干線公路的大中修工程中產生的廢舊瀝青路面材料(RAP),每年高達2.2億t,路面材料循環利用率卻達不到30%。既造成環境污染,又造成資源的極大浪費。因而無論從道路養護、修復的角度,還是從節約資源、保護環境的角度,都需要大力發展瀝青路面再生技術。

2 泡沫瀝青冷再生技術

泡沫溫拌瀝青(FWMA)是一種獨特的技術,主要是向熱瀝青中注入預定量的水,使瀝青迅速蒸發膨脹,從而產生低溫泡沫瀝青。泡沫瀝青是一種典型的粘結劑,用于冷拌瀝青(CMA)回收,并越來越多地作為粘結劑用于在低溫下制造和放置的瀝青混合物。它是一種由97%～98%的瀝青組成的混合物,1%～3%的蒸汽和其他添加劑改善其起泡性。它是在膨脹室中產生的,在膨脹室中,瀝青的熱能被轉移到水滴的表面,水被加熱到100 ℃。同時,由于水的快速蒸發,瀝青被冷卻。由于水和瀝青的導熱性較低,被瀝青膜包圍的蒸汽氣泡的平衡能夠保持一定時間,從而形成瀝青泡沫。

瀝青冷再生工藝是指在常溫狀態下,將舊路的面層和部分基層的結構層,使用冷再生專用機械連續銑刨和破碎,并添加再生材料進行拌和、攤鋪和碾壓,重新形成具有一定承載能力的結構層。

瀝青路面現場熱再生技術是專門用來修復瀝青路面表面病害的,該施工方法是將路面面層加熱到要求的深度(通常不超過60 mm),然后翻松舊路面、添加還原或再生劑,最后重新鋪筑成型。

目前,學者們對FWMA進行了大量的研究。如Huang等[1]發現瀝青發泡后仍有少量水殘留,導致瀝青表面微觀結構發生改變,表面起皺增加。Zhang等[2]的研究表明,熱氧老化主要發生在瀝青混合料的生產階段,老化后的瀝青具有較高的羰基和亞砜指數。Dong等[3]也對FWMA在不同老化條件下的性能進行了評估,發現老化會增加FWMA的黏度和高溫性能。Yu等人[4]強調發泡處理適度降低了瀝青的高低溫特性和敏感性,但增強了其抗疲勞開裂的敏感性。Yu等[5]評估了水對泡沫瀝青流變特性的影響,并指出含水量對各種屬性都有顯著影響。

大量文獻分析表明,再生混合料最佳泡沫瀝青用量可根據劈裂強度試驗和浸水劈裂強度試驗結果,或者根據馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾穩定度試驗結果等綜合確定[6]?，F有設計方法的不足在于沒有全面考慮劈裂強度試驗和浸水劈裂強度等性能指標,僅僅考慮一個或幾個單一的性能指標來確定最佳瀝青用量[7]。為此,嘗試采用干劈裂強度、濕劈裂強度、干濕劈裂強度比、凍融劈裂強度比、馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾殘留穩定度綜合分析,以獲得最佳瀝青用量。

3 混合料設計

3.1 材料

(1)廠拌冷再生瀝青:遼寧盤錦八方瀝青廠90#A級基質瀝青。

(2)填料:玉泉礦粉廠生產的礦粉和綏化北方P·O 42.5水泥。

(3)細集料:阿城玉泉0～4.75 mm石屑。

(4)粗骨料:舊路面經銑刨機銑刨后的混合料骨料。

3.2 級配

通過對粗、細集料的篩分,驗證礦料級配組成。m舊路銑刨混合料∶m0～4.75mm石屑∶m礦粉∶m水泥=79.2∶15∶4∶1.8,混合料級配如表1所示,級配曲線見圖1。

圖1 合成級配曲線

表1 混合料級配表

3.3 確定最佳含水量

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)的規定,采用無機結合料穩定材料擊實試驗方法(T 0804-1994),測定再生瀝青的最佳含水量與最大干密度。分別設計4.2%、5.0%、5.6%、6.2%和7.1%五個含水量,通過計算得到各試件的含水量和干密度數值,并繪制含水量與干密度變化曲線,見圖2。再根據擬合方程(1)確定最佳含水量和最大干密度。

圖2 含水量和干密度曲線圖

Y=-0.020 53x2+0.230 1x+1.464 71

R2=0.921

(1)

式中:Y為干密度,g/cm2;x為含水量,%。

確定最佳含水量為5.9%,最大干密度為2.11 g/cm3。

4 確定最佳泡沫瀝青用量

得到混合料的最佳含水量后,選取2.5%、3.0%、3.5%、4.0%四個泡沫瀝青用量按規定測試方法測定其強度及相關指標。

4.1 劈裂強度試驗

劈裂試驗是在圓柱體試件的直徑方向上放置上下兩根墊條,施加相對的線性荷載,使之沿試件直徑方向破壞,測得試件的抗拉強度。將泡沫瀝青用量與濕劈裂強度、干劈裂強度、干濕劈裂強度比的關系繪制成曲線,見圖3。

圖3 泡沫瀝青用量與劈裂強度和干濕劈裂強度比關系

由劈裂試驗結果分析可知:

(1)隨泡沫瀝青用量增大,干劈裂強度、濕劈裂強度和干濕劈裂強度比均呈現先增大再減小的趨勢,存在一個峰值。在一定范圍內增加泡沫瀝青用量可提高劈裂強度和水穩定性。

(2)泡沫瀝青用量不同的情況下,干劈裂強度為0.31～0.46 MPa,濕劈裂強度為0.44～0.56 MPa,干濕劈裂強度比為69.8%～82.1%。

4.2 馬歇爾穩定度試驗

馬歇爾穩定度試驗是確定瀝青混合料最佳油石比的試驗,對試件在規定的溫度和濕度等條件下進行標準擊實,通過測定瀝青混合料的穩定度和流值等指標,計算并繪制油石比與穩定度、流值、密度、空隙率、飽和度的關系曲線,最后確定瀝青混合料的最佳油石比。

不同泡沫瀝青用量與馬歇爾穩定度、浸水馬歇爾殘留穩定度關系見圖4、圖5。

圖4 不同泡沫瀝青用量與馬歇爾穩定度關系

圖5 不同泡沫瀝青用量與浸水馬歇爾殘留穩定度關系

由馬歇爾穩定度試驗結果分析可知:隨著泡沫瀝青的用量增大,馬歇爾穩定度、浸水馬歇爾殘留穩定度增大,但隨著泡沫瀝青的用量再增大而減小,存在一個峰值。

5 凍融劈裂強度比試驗

5.1 凍融劈裂強度

凍融劈裂強度是瀝青混合料試件在凍融循環后測定的劈裂強度。通過測定瀝青混合料試件在受到水損害前后劈裂破壞的強度比評價瀝青混合料的水穩定性。

根據《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521-2019)的相關要求,當泡沫瀝青冷再生混合料用于重交通及以上交通等級的公路時,需要對其進行凍融劈裂強度比檢驗。泡沫瀝青用量與凍融劈裂強度比關系見圖6。

圖6 不同泡沫瀝青用量與凍融劈裂強度比關系

5.2 試驗結果分析

由凍融劈裂試驗可知,凍融劈裂強度比隨泡沫瀝青用量的增大而增大,但隨著泡沫瀝青用量的再增大而減小,存在一個峰值。

由濕劈裂強度、干劈裂強度、干濕劈裂強度比、凍融劈裂強度比、馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾殘留穩定度指標綜合分析,最佳瀝青用量為3.5%。

6 結 論

(1)通過擊實試驗測定泡沫瀝青冷再生混合料最佳含水量與最大干密度,最大干密度為2.11 g/cm3,最佳含水為5.9%。

(2)根據干、濕劈裂強度和干濕劈裂強度比與泡沫瀝青用量的關系,有關強度和穩定性指標先增大再減小,存在一個峰值,即泡沫瀝青有一個最佳用量。

(3)隨著泡沫瀝青用量的增大,馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾殘留穩定度均增大,而后隨著泡沫瀝青用量的再增大而減小,存在一個峰值。

(4)隨著泡沫瀝青用量增大,凍融劈裂強度比呈先增大后減小的趨勢,峰值為最佳瀝青用量處。

(5)最佳泡沫瀝青用量為3.5%。