泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)在哈同高速養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用

王立超,郝鷹鵬

(黑龍江省交投公路建設(shè)投資有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

目前為止,黑龍江高速公路路網(wǎng)建設(shè)已完成80%,道路從以建設(shè)為主的階段逐步轉(zhuǎn)向以養(yǎng)護(hù)為主的階段。在建設(shè)完成的高速公路中,70%的高速公路投入使用時間超過10年,25%的高速公路投入使用時間超過15年,表明大部分修建完成的道路達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限。并且在長期的行車荷載、雨水侵蝕等各種不利影響因素的作用下,已達(dá)到設(shè)計(jì)壽命末期的瀝青混合料性能逐漸衰減,病害逐漸發(fā)生,相繼進(jìn)入大修期,導(dǎo)致每年產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料和基層粒料達(dá)數(shù)百萬噸。為了對舊料加以利用,哈同高速公路路面大修工程采用了泡沫瀝青就地冷再生技術(shù),施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明泡沫瀝青冷再生混合料具有良好的路用性能[1-5]。

依托哈同高速公路路面大修工程,對原路面銑刨料進(jìn)行100%再生,用作下面層。通過試驗(yàn)段實(shí)施,形成泡沫瀝青就地冷再生標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝,建立施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),為同類工程提供參考。

1 工程概況

哈同高速公路原路面結(jié)構(gòu)為:5 cm AC-16中粒式瀝青混凝土+6 cm AC-20中粒式瀝青混凝土+6 cm AC-25粗粒式瀝青混凝土+20 cm 6%水泥穩(wěn)定碎石+30 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石。該道路路面投入使用以來,出現(xiàn)了龜裂、縱橫裂縫、塊狀裂縫等多種路面病害。本項(xiàng)目為結(jié)構(gòu)性修復(fù)處治,采用泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)對原路面瀝青面層進(jìn)行再生,再生利用率達(dá)100%,再生后瀝青混合料作為道路下面層使用。

2 泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

2.1.1 發(fā)泡用瀝青

采用韓國SK-90號普通道路石油瀝青,指標(biāo)符合技術(shù)要求。

2.1.2 水泥

采用P·O 42.5水泥,指標(biāo)符合技術(shù)要求。

2.1.3 RAP

現(xiàn)場采用泡沫瀝青就地冷再生機(jī)按切削深度10 cm、銑刨速度 4 m/min 進(jìn)行銑刨取樣,回收瀝青路面材料(RAP)100%再生,以9.5 mm篩孔為界將RAP分為兩檔,水泥用量1.5%,篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩檔礦料篩分試驗(yàn)檢測結(jié)果

2.2 泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》建議泡沫瀝青冷再生混合料的瀝青用量宜在 1.5%～3.5%范圍內(nèi)。為使泡沫瀝青混合料保持一定柔性,應(yīng)嚴(yán)格控制水泥用量,水泥用量不宜超過1.5%,不應(yīng)超過1.8%。相關(guān)研究表明,冷再生混合料的水泥摻量過低(<0.5%)時不能有效發(fā)揮其作用,因此選擇水泥用量為1.5%。回收瀝青路面材料(RAP)100%再生,以9.5 mm篩孔為界將RAP分為兩檔,篩分試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各礦料篩分試驗(yàn)檢測結(jié)果

目標(biāo)級配為中粒式級配,各類材料的組成比例及合成級配如表3所示。

表3 各礦料質(zhì)量比例

2.2.1 最佳含水率確定

水作為一種媒介為泡沫瀝青在礦質(zhì)集料中的分散提供了通道,適量的水分會起潤滑作用,不僅使得混合料易拌和均勻、成型壓實(shí),而且應(yīng)使混合料中泡沫瀝青具有均勻的分散性和良好的和易性。混合料中含水量過多或過少,都會對泡沫瀝青的分散產(chǎn)生不利影響,應(yīng)通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定混合料的最佳含水量。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020),對合成礦料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),確定最佳含水率。試驗(yàn)分別按照3%、4%、5%、6%、7%五個含水率制備試件,悶料24 h后擊實(shí)成型試件,稱重后取樣烘干測其含水率。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)擊實(shí)曲線,確定混合料最佳含水率為5.4%,對應(yīng)最大干密度為2.01 g/cm3。

2.2.2 最佳發(fā)泡條件確定

按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中附錄C方法進(jìn)行泡沫瀝青發(fā)泡試驗(yàn),使用發(fā)泡設(shè)備為Writgen公司生產(chǎn)的WLB10S型泡沫瀝青發(fā)泡機(jī)。試驗(yàn)選擇155、160、170 ℃三個溫度條件,發(fā)泡用水量分別為1.5%、2.5%、3.5%,測試泡沫瀝青的膨脹率與半衰期。

由試驗(yàn)結(jié)果可知,155 ℃條件下,發(fā)泡用水量大于2%時,泡沫瀝青的膨脹率更大,同時泡沫的消逝速度也要慢于另外兩個溫度條件,因此,確定最佳發(fā)泡溫度為155 ℃。

膨脹率滿足要求的最小發(fā)泡用水量W為1.7%,試驗(yàn)中的發(fā)泡用水量均可滿足半衰期要求,因此取W2為3.5%,則155 ℃條件下最佳發(fā)泡用水量為Wopt=(1.7%+3.5%)/2=2.6%,對應(yīng)膨脹率和半衰期分別為16.5和20.6 s。

2.2.3 最佳泡沫瀝青用量確定

按照合成級配中不同粒徑RAP、水泥的摻加比例,將各組分混合拌勻,再加入根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率對應(yīng)拌和用水量的水進(jìn)行拌和,之后在最佳發(fā)泡條件下按照1.5%、1.9%、2.3%、2.7%、3.1%五個泡沫瀝青用量加入泡沫瀝青進(jìn)行拌和。成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,雙面各擊實(shí)75次。成型后在60 ℃條件下養(yǎng)生48 h,結(jié)束養(yǎng)生后常溫下側(cè)放12 h后脫模。之后測試試件的15 ℃劈裂強(qiáng)度和浸水24 h后的15 ℃劈裂強(qiáng)度,測試結(jié)果如表5所示。

表5 劈裂試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)結(jié)果中,泡沫瀝青冷再生混合料的15 ℃劈裂強(qiáng)度以及干濕劈裂強(qiáng)度比均體現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,二者峰值均出現(xiàn)在泡沫瀝青用量2.1%～2.5%之間。最終確定最佳泡沫瀝青用量為2.3%,對應(yīng)15 ℃劈裂強(qiáng)度為0.55 MPa,干濕劈裂強(qiáng)度比為93.04%。

2.2.4 水泥用量確定

在混合料中添加一定量的水泥可以提高冷再生料的早期強(qiáng)度及水穩(wěn)定性,但是水泥用量過大會對混合料性能帶來負(fù)面影響。泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制水泥用量,水泥用量不宜超過1.5%,不應(yīng)超過1.8%。

利用掃描電鏡研究了水泥對泡沫再生料強(qiáng)度的影響機(jī)理, 泡沫瀝青混凝土未摻加與摻加1.5%水泥的微觀形態(tài)如圖1、圖2所示。

圖1 未摻加水泥時

圖2 水泥用量1.5%時

由圖1、圖2可知:不摻加水泥的混合料中膠漿與集料粘結(jié)且形態(tài)光滑,在冷再生料中添加水泥后集料表面被水泥的水化產(chǎn)物包裹,并且水泥水化后的生產(chǎn)物呈現(xiàn)“簇狀”結(jié)構(gòu),分布不具規(guī)律性。其簇狀結(jié)構(gòu)將瀝青膠漿與集料錨固在一起,大大增強(qiáng)了集料表面與膠漿的粘結(jié)效果。進(jìn)一步說明,水泥的加入增強(qiáng)了冷再生料內(nèi)部的粘結(jié)效果,提升了冷再生料的水穩(wěn)定性,但是由于其整體性能增強(qiáng),低溫條件下的變形能力降低,所以水泥含量的增大會降低冷再生料的低溫抗裂性能。水泥水化的產(chǎn)物會在冷再生料中產(chǎn)生“加筋”作用,在微觀上其“加筋”提高了集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度,從宏觀上看,水泥的水化產(chǎn)物提高了冷再生料的強(qiáng)度。

3 泡沫瀝青冷再生現(xiàn)場施工工藝

通過室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì),確定了泡沫瀝青冷再生目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)方案,目標(biāo)級配為中粒式級配,各類材料的組成比例及合成級配如表6所示。

表6 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

按設(shè)計(jì)級配、最佳含水率、最佳泡沫瀝青用量成型試件,并對試件在室內(nèi)進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 目標(biāo)配合比瀝青混合料性質(zhì)

通過試驗(yàn)得到泡沫瀝青用量為2.3%時,泡沫瀝青混合料試件凍融劈裂強(qiáng)度比為83.6%,60 ℃動穩(wěn)定度4 573次/mm,符合規(guī)范要求,本次配合比設(shè)計(jì)結(jié)果可用于泡沫瀝青混合料的施工指導(dǎo)。

(1)總體施工方案。

采用W380CR就地再生機(jī)進(jìn)行泡沫瀝青再生混合料的現(xiàn)場拌和,采用ABG423攤鋪機(jī)攤鋪。

(2)施工前的準(zhǔn)備工作。

封閉交通、準(zhǔn)備原道路、清掃路表雜物、清除路表積水。

(3)舊路面銑刨。

冷再生機(jī)行進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)路面損壞狀況和再生深度進(jìn)行調(diào)整,一般為6～10 m/min,使得銑刨后料的級配波動范圍不大。網(wǎng)裂嚴(yán)重地段應(yīng)采用較慢速度。

(4)下承層準(zhǔn)備。

對銑刨后的路面進(jìn)行清掃,把夾層和松動的材料清掃干凈,然后采用微創(chuàng)注漿方式對老路路基進(jìn)行處理,修補(bǔ)路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害,恢復(fù)老路路基強(qiáng)度性能。

(5)攤鋪機(jī)準(zhǔn)備。

標(biāo)定鋼絲懸掛高度,準(zhǔn)備攤鋪機(jī)攤鋪厚度基準(zhǔn)面。

(6)攤鋪。

采用ABG423攤鋪機(jī)攤鋪。再生好的混合料由再生機(jī)機(jī)載輸料帶輸送到緊跟后方的攤鋪機(jī)中,攤鋪機(jī)料斗要匹配再生機(jī)的出料速度。攤鋪機(jī)速度宜為3～5 m/min。應(yīng)保證連續(xù)、均勻、不間斷地?cái)備?并使混合料在布料槽中的高度保持在中軸以上。

(7)碾壓。

按照“緊跟慢壓”的原則進(jìn)行碾壓,碾壓組合、碾壓遍數(shù)根據(jù)首件工程確定,初壓速度宜控制在3 km/h以內(nèi),復(fù)壓和終壓速度宜控制在6 km/h以內(nèi)。

(8)縱向接縫的處理。

每日施工完成均應(yīng)設(shè)置縱向施工接縫,采用切割機(jī)對每日施工接縫處進(jìn)行切割處理,再次施工時,在接縫處涂刷不粘輪乳化瀝青,保證接縫處的粘結(jié)強(qiáng)度。施工時,對接縫處進(jìn)行人工補(bǔ)料,接縫處的級配應(yīng)細(xì)一些,保證接縫處的壓實(shí)度。

(9)養(yǎng)生。

按照規(guī)定的頻率檢測成品路面的壓實(shí)度,壓實(shí)度滿足要求后,開始不少于7 d的養(yǎng)生,待含水率低于2%或取出完整芯樣二者滿足其一時,便可提前結(jié)束養(yǎng)生,噴灑不粘輪乳化瀝青,鋪筑中面層。

4 施工質(zhì)量質(zhì)量控制與檢測

在完成目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,在哈同高速K127+200～K132+200段進(jìn)行了泡沫瀝青就地冷再生試驗(yàn)段施工,并對就地冷再生后的路面進(jìn)行路用性能檢測,檢測項(xiàng)目為壓實(shí)度檢測、水洗干篩篩孔通過率,檢測結(jié)果如表8,表9所示。

表8 路面壓實(shí)度實(shí)測值

表9 篩孔通過率檢測試驗(yàn)結(jié)果

檢測結(jié)果表明壓實(shí)度滿足規(guī)范要求。

(1)合格率分析。

篩分?jǐn)?shù)據(jù)表明,除了26.5 mm篩孔外,不同施工位置處篩孔通過率均滿足要求。

(2)質(zhì)量評分分析。

水洗篩分篩孔通過率總體質(zhì)量評分為99.92分,其中19 mm篩孔通過率質(zhì)量評分為99.5分,9.5、4.75、2.36、0.3、0.075 mm篩孔通過率質(zhì)量評分均為100分,如表10所示。

表10 篩孔通過率質(zhì)量評分計(jì)算結(jié)果

5 環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益

5.1 環(huán)境效益

根據(jù)瀝青路面材料能耗及排放定額和單位熱值消耗分析結(jié)果,測算單位質(zhì)量泡沫瀝青就地冷再生相比于普通瀝青AC-25的節(jié)能減排效益如表11所示。

表11 單位質(zhì)量乳化瀝青廠拌冷再生節(jié)能量及減排量

分析表11可知,泡沫瀝青就地冷再生相比于普通瀝青AC-25的節(jié)能量為6.51 kgce/t,二氧化碳減排量為6.35 kg/t。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

改性SMA-13綜合單價為1700元/m3,改性AC-16綜合單價為1 300元/m3,改性AC-20綜合單價為1 200元/m3;AC-20綜合單價為1 100元/m3,AC-25綜合單價為1 000元/m3,就地冷再生瀝青混合料綜合單價為420元/m3。殘值統(tǒng)一用8年后的殘值計(jì)算,新材料按70%計(jì)算,再生材料按50%計(jì)算,折現(xiàn)率為7%。經(jīng)過測算,得到8年內(nèi)三種結(jié)構(gòu)每公里費(fèi)用成本如表12所示。

表12 兩種路面結(jié)構(gòu)每公里建設(shè)成本分析

就地冷再生結(jié)構(gòu)的初始建設(shè)成本比原路面結(jié)構(gòu)僅增加58.96萬元,即可達(dá)到良好的再生效果。

6 結(jié) 語

通過對哈同高速公路舊路面使用狀況和產(chǎn)生的病害加以分析,結(jié)合相關(guān)試驗(yàn),確定發(fā)泡瀝青就地冷再生方案,通過對試驗(yàn)段再生鋪筑,形成了標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝,建立了質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。