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(yǎng)護簡單、維修方便等特點,在高速公路、干線公路及縣鄉(xiāng)公路上均得到了廣泛應(yīng)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(shè)計壽命 15年,從現(xiàn)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(huán)境污染、浪費資源、也不經(jīng)濟。石黃高速公路石辛段 2009年瀝青路面病害治理工程中設(shè)計了廠拌冷再生基層施工,采用泡沫冷再生技術(shù)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(fù)合作再生穩(wěn)定劑進行現(xiàn)場冷再生碾壓成型。這種材料具有“剛?cè)岵钡奶攸c,抗車轍、抗開裂,施工基本上是冷作業(yè),節(jié)約燃料,對環(huán)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(fā)揮瀝青類結(jié)合料柔性的同時,進一步提高強度,使其接近于水泥穩(wěn)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(shù)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(shù)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(fā)生膨脹,形成大量的瀝青泡沫,經(jīng)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(fā)生化學反應(yīng)。當泡沫瀝青與集料接觸時,瀝青泡沫瞬間化為數(shù)以百萬計的“小顆?！?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(jīng)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(wěn)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(jù)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(diào)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(shè)備在現(xiàn)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(wěn)定劑相比,優(yōu)點表現(xiàn)為以下幾方面。(1)增加混合料的剪切強度和水穩(wěn)定性,較水泥處治的混合料更有柔性、耐疲勞;(2)與無機結(jié)合料穩(wěn)定混合料相比,泡沫瀝青再生混合料需要養(yǎng)護時間短;(3)泡沫瀝青處治應(yīng)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(jié)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(jié)和氣候影響小。

3 瀝青發(fā)泡試驗

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

瀝青發(fā)泡溫度:150℃、160℃、170℃共三個水平。發(fā)泡時用水量:1.5%、2.0%、2.5%、3.0%共四種水平。根據(jù)經(jīng)驗發(fā)泡噴射氣壓設(shè)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(fā)泡條件。

在各個溫度條件下,膨脹比隨發(fā)泡加水量的增加而增大,發(fā)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(fā)泡瀝青溫度的升高,膨脹比呈現(xiàn)一定的增加的趨勢。隨著發(fā)泡瀝青溫度的升高,半衰期呈現(xiàn)一定的減小的趨勢。隨著發(fā)泡加水量的增加,膨脹比明顯增大,發(fā)泡加水量對膨脹比具有顯著的影響。發(fā)泡加水量為 1.5%時,膨脹比在 10～15之間;當發(fā)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(fā)泡加水量對半衰期都具有顯著的影響。隨著發(fā)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(jù)現(xiàn)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(fā)泡條件為:發(fā)泡溫度:160℃;發(fā)泡用水量:2.3%。

圖 1 瀝青不同溫度時發(fā)泡性能曲線

4 泡沫瀝青冷再生混合料級配設(shè)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(shè)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(nèi)進行篩分試驗,試驗結(jié)果如表 1。

表 1 舊瀝青路面銑刨料級配

根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中的級配范圍及舊料的篩分結(jié)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(diào)整級配,石屑篩分結(jié)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(shè)計

根據(jù)設(shè)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(jù)表 3的合成級配,進行混合料配合比設(shè)計及強度試驗以檢驗該合成級配是否滿足設(shè)計要求,從而確定最終的設(shè)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(jié)果見表 4。

表 4 泡沫瀝青再生混合料重型擊實試驗結(jié)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(jù)重型擊實試驗確定的最佳含水量的 70%對應(yīng)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(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)中試件成型和養(yǎng)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(jié)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(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)狀況,根據(jù)國外采用的再生理想厚度及現(xiàn)場挖探勘測結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)計級配要求,測定 RAP材料的含水量,調(diào)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(fā)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(shè)計成果進行拌和,在拌和過程中,根據(jù)現(xiàn)場 RAP材料含水量,調(diào)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(xiàn)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(xiàn)場,為防止水份散失,加苫布進行覆蓋,運輸車輛按規(guī)定的路線行走。聽從現(xiàn)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(shù) 1.3,熨平板不需要加熱。攤鋪機緩慢、均勻、連續(xù)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(nèi)。

(6)壓實。

初壓采用 LS220單鋼輪壓路機關(guān)閉振動穩(wěn)壓 1遍;復(fù)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(shè)超高段的平曲線段,應(yīng)由兩側(cè)路肩向中心碾壓;設(shè)超高段平曲線段,應(yīng)由內(nèi)側(cè)路肩向外側(cè)路肩碾壓。壓路機應(yīng)以慢而均勻的速度碾壓,初壓速度宜為 1.5～3 km/h,復(fù)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(jié)果

(1)壓實度:經(jīng)現(xiàn)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(xiàn)象,無明顯壓路機輪跡。

(4)劈裂強度檢測結(jié)果見表 7。含水量和篩分結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表 7 試驗段泡沫冷再生混合料劈裂強度

由以上結(jié)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(guī)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(guī)范要求。

6 結(jié) 論

(1)突破了目前國內(nèi)關(guān)于路面基層規(guī)范的限制,采用了新的路面基層結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的技術(shù)空白。

(3)確定了冷再生技術(shù)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(guān)規(guī)范的技術(shù)要求。

[1] 公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)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(shè)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(guī)程(JTG E 42-2005).

[5] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTJ052-2000).

[6] 瀝青路面施工及驗收規(guī)范(B50092-96).