高性能半柔性路面冷再生技術(shù)在公路大修工程中的應(yīng)用研究

楊 寧

(北京市交通委員會路政局 大興公路分局，北京 102600)

截至2012年底，我國國省干線公路(包括高速公路和普通國省道)總里程達到53.2萬km，其中高速公路通車里程9.6萬km[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年國省干線公路大中修里程約占總里程的13%，干線公路大中修工程每年產(chǎn)生的瀝青路面舊料超過1.6億t，因此，路面材料循環(huán)再利用成為公路交通行業(yè)的研究重點之一，也是轉(zhuǎn)變公路交通發(fā)展方式、節(jié)能減排、建設(shè)環(huán)境友好性公路的重要內(nèi)容。為此，研究技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的路面再生技術(shù)成為公路管理機構(gòu)重要的科技推廣工作內(nèi)容之一。

目前，瀝青路面舊料循環(huán)利用的主要途徑有熱再生和冷再生兩大類，其具體實施工藝可分為廠拌再生和就地再生。由于瀝青路面廠拌熱再生對拌合設(shè)備與工藝控制要求高，且舊料的質(zhì)量分數(shù)一般不超過30%，故僅依靠廠拌熱再生和處理厚度<5 cm的瀝青表面層的就地熱再生，難以用完大量的瀝青路面舊料，因此舊料的質(zhì)量分數(shù)高(達60%～100%)且節(jié)能減排效果顯著的瀝青路面冷再生技術(shù)應(yīng)發(fā)揮更加重要的作用。

本文結(jié)合北京市大興區(qū)東趙路大修工程實際，重點介紹高性能半柔性路面冷再生技術(shù)的主要特點、路用性能要求、材料配合比設(shè)計等。

1 高性能半柔性路面冷再生技術(shù)簡介

高性能半柔性路面冷再生技術(shù)，是將廢舊瀝青混合料、新集料、水和特種乳化瀝青、水泥等再生膠結(jié)料，通過科學的材料配合比設(shè)計，常溫下拌合成高性能半柔性路面再生混合料，采用與熱拌瀝青混合料相同的施工機械和工藝，用于鋪筑瀝青路面中、下面層或水泥路面“白加黑”聯(lián)結(jié)層的瀝青路面冷再生技術(shù)。這種技術(shù)可以進一步提高瀝青路面舊料循環(huán)利用率及利用價值，延緩瀝青路面車轍、反射裂縫等早期病害的發(fā)生，提升再生路面使用性能和耐久性，延長使用壽命。利用該技術(shù)生產(chǎn)的混合料具有以下特點：

1)舊料的質(zhì)量分數(shù)高。高性能半柔性路面冷再生混合料中舊料的質(zhì)量分數(shù)為50%～80%，可節(jié)約50%以上新石料和40%左右瀝青；

2)高性能。高性能半柔性路面冷再生混合料能達到文獻[2]中的熱拌瀝青混合料技術(shù)要求，具有突出的抗車轍性能、顯著的抑制反射裂縫能力和良好的耐久性；

3)高價值。高性能半柔性路面冷再生混合料用于鋪筑瀝青路面中、下面層或水泥路面“白加黑”聯(lián)結(jié)層，替代路面大修結(jié)構(gòu)中的瀝青中、下面層或聯(lián)結(jié)層；

4)低能耗。高性能半柔性路面冷再生混合料采用常溫拌合工藝，與熱拌瀝青混合料相比，每t混合料可節(jié)約6.0～6.5 kg燃油；

5)低排放。高性能半柔性路面冷再生混合料生產(chǎn)為零排放、零污染，僅運輸、攤鋪、碾壓存在廢氣排放；

6)低造價。高性能半柔性路面冷再生混合料單價比熱拌料低10%以上。

2 與類似材料的對比分析

2.1 與熱拌瀝青混合料對比

通過高性能半柔性路面冷再生混合料室內(nèi)試驗，并與常用熱拌瀝青混合料性能對比[3]，其結(jié)果如表1所示。

表1 高性能半柔性路面冷再生混合料和熱拌瀝青混合料性能對比分析

由表1可知，高性能半柔性路面冷再生混合料動穩(wěn)定度、動態(tài)模量和抗反射裂縫較熱拌瀝青混合料具有一定的提升，可有效抑制半剛性基層瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生。

2.2 與泡沫瀝青冷再生混合料對比

通過高性能半柔性路面冷再生混合料室內(nèi)試驗，并與泡沫瀝青冷再生混合料性能對比[4]，其結(jié)果如表2所示。

表2 高性能半柔性路面冷再生混合料和泡沫瀝青冷再生混合料對比

由表2可知，高性能半柔性路面冷再生混合料空隙率較小(泡沫瀝青冷再生混合料空隙率通常為10%～23%)，其動穩(wěn)定度、干濕劈裂強度、TSR和抗反射裂縫較泡沫瀝青冷再生混合料有一定提升。

2.3 與普通乳化瀝青冷再生混合料對比

通過高性能半柔性路面冷再生混合料室內(nèi)試驗，并與早期普通乳化瀝青冷再生混合料進行技術(shù)對比[5-6]，其結(jié)果如表3所示。

表3 高性能半柔性路面冷再生混合料和普通乳化瀝青冷再生混合料對比

由表3可知，高性能半柔性路面冷再生混合料劈裂強度、凍融劈裂強度比、動穩(wěn)定度和低溫彎曲應(yīng)變都較普通乳化瀝青冷再生混合料有一定的提高。

3 應(yīng)用

3.1 膠結(jié)料

高性能半柔性路面冷再生膠結(jié)料是由水硬性膠結(jié)料(如水泥、粉煤灰、水化膠粉等)和特種乳化瀝青(如微膨脹乳化瀝青、高彈性乳化瀝青等)組成的雙膠結(jié)料，其中特種乳化瀝青檢測結(jié)果及技術(shù)要求如表4所示。由表4可知，特種乳化瀝青各項指標檢測結(jié)果均滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。

表4 特種乳化瀝青檢測結(jié)果和技術(shù)要求

水硬性膠結(jié)料可采用水泥、粉煤灰、水化膠粉等，當采用水泥時，宜優(yōu)先選用32.5級或42.5級道路硅酸鹽水泥，除此之外，也可采用32.5級或42.5級硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。原則上水泥初凝時間應(yīng)≥3 h，終凝時間應(yīng)≥6 h。

3.2 集料

設(shè)計高性能半柔性路面冷再生混合料配合比時采用10～30 mm，0～5 mm 2擋粗細集料，具體檢測指標如表5所示。由表5可知，粗細新集料的各項路用性能指標檢測結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)要求。設(shè)計高性能半柔性路面冷再生混合料的配合比時采用的舊料是對原有路面銑刨回收，并篩分成0～12 mm和12～24 mm 2擋而得，回收舊料破碎篩分后粗細集料及回收瀝青的檢測數(shù)據(jù)如表6所示。

3.3 礦料級配

大興區(qū)東趙路大修工程中應(yīng)用的高性能半柔性路面冷再生混合料以AC-25型礦料級配范圍為參考，同時考慮路面大中修結(jié)構(gòu)類型、交通量水平、氣候條件、再生結(jié)構(gòu)層厚度并結(jié)合工程經(jīng)驗，對舊料、粗細集料和水泥進行優(yōu)化組合，從而設(shè)計成骨架密實粗型級配。本項目選用了2條礦料合成目標級配，礦料組成比例及合成級配結(jié)果如表7所示。

表5 粗細新集料各項指標檢測結(jié)果

表6 篩分后舊料各項指標檢測結(jié)果

表7 礦料的篩孔通過率 %

3.4 最佳水的質(zhì)量分數(shù)

結(jié)合工程實際經(jīng)驗，本項目初步選用水泥的質(zhì)量分數(shù)為2.0%，特種乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)為4.0%，在配合比試驗過程中，特種乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)保持不變，通過外加用水量的變化以確定高性能半柔性路面冷再生混合料的最大干密度和最佳水的質(zhì)量分數(shù)。經(jīng)試驗，合成級配1冷再生混合料的最大干密度為2.139 g/cm3，對應(yīng)的最佳水的質(zhì)量分數(shù)為4.8%(最佳乳液的質(zhì)量分數(shù)為7.2%，外加水的質(zhì)量分數(shù)為3.2%)；合成級配2冷再生混合料的最大干密度為2.159 g/cm3，對應(yīng)的最佳水的質(zhì)量分數(shù)5.1%(最佳乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)為7.5%，外加水的質(zhì)量分數(shù)3.5%)。

3.5 最佳特種乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)

確定高性能半柔性路面冷再生混合料配合比設(shè)計中的最佳特種乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)是混合料馬歇爾穩(wěn)定度與劈裂強度取得較大值，并滿足最小無側(cè)限抗壓強度要求，同時兼顧高性能半柔性路面冷再生混合料的抗溫縮與干縮性。其設(shè)計原則為：1)試件養(yǎng)生后，測得的混合料的空隙率為3%～8%；2)試件養(yǎng)生后，15 ℃的劈裂強度≥0.4 MPa，干濕劈裂強度比≥75%；3)試件養(yǎng)生后，60 ℃的馬歇爾穩(wěn)定度≥5.0 kN，浸水殘留穩(wěn)定度≥75%。

特種乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)初始擬定為3.0%， 按照每1.0%的變化逐級增加至5.0%，并按照不同的用量配制試件，以測試其體積指標以及馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度與水穩(wěn)定性等力學性能，結(jié)果見表8。

表8 冷再生混合料體積指標及力學性能指標試驗結(jié)果

由此可知，對于合成級配1和合成級配2的2種混合料，其特種乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)為4.0%時，空隙率適宜，力學性能等指標亦滿足相應(yīng)技術(shù)要求。綜合考慮大興區(qū)的氣候等外部條件，參照以往工程經(jīng)驗，初步確定合成級配1和合成級配2的特種乳化瀝青的最佳質(zhì)量分數(shù)均為4.0%。

3.6 性能驗證

為進一步驗證冷再生混合料的路用性能，對于合成級配1和合成級配2的2種混合料，在特種乳化瀝青的最佳質(zhì)量分數(shù)下，對其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、無側(cè)限抗壓強度等路用性能指標進行了試驗驗證，驗證結(jié)果如表9所示。

表9 高性能半柔性路面冷再生混合料路用性能試驗結(jié)果

綜合分析上述試驗結(jié)果，結(jié)合已有研究與工程經(jīng)驗，確定大興區(qū)東趙路大修工程的下面層——高性能半柔性路面冷再生混合料目標配合比采用合成級配1，其各項路用性能指標均能滿足設(shè)計技術(shù)要求。

4 結(jié)語

詳細介紹了高性能半柔性路面再生技術(shù)特點，并與在工程實際中應(yīng)用較多的熱拌瀝青混合料、泡沫瀝青混合料、普通乳化瀝青混合料的技術(shù)特點進行了對比分析。結(jié)合工程實際，詳細介紹了高性能半柔性路面再生混合料的原材料性能要求、級配要求、最佳水的質(zhì)量分數(shù)以及最佳乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)等配合比設(shè)計方法，為該項技術(shù)的推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]交通運輸部綜合規(guī)劃司.2012年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[R].北京：交通運輸部綜合規(guī)劃司，2013.

[2]交通部公路科學研究所. JTG E20—2011 公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]交通部公路科學研究所. JTG E42—2005 公路工程集料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[4]交通部公路科學研究院. JTG F41—2008 路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[5]中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司. Q/HD HiRM01—2013 海母(HRIM)高性能半柔性瀝青路面指南[S].北京：中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司，2013.

[6]中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司.海母(HiRM)再生技術(shù)在北京市普通公路大修工程中的應(yīng)用研究報告[R].北京：中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司，2013.