泡沫瀝青就地冷再生基層施工技術與質量控制

王曉飛, 丁蘋蘋, 張鴻斌, 魏 歡

(1.西烏珠穆沁旗交通運輸事業發展中心,巴拉嘎爾高勒 026200; 2.錫林浩特市公路養護中心, 錫林浩特 026000;3.武理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢 430070)

泡沫瀝青就地冷再生技術是采用專用冷再生機組直接將基層銑刨料、新集料、泡沫瀝青、水、水泥按試驗室設計配合比現場銑刨混和,再經就地拌合、攤鋪、碾壓、養生等系列工藝形成新的半柔性再生基層結構。該技術100%利用了舊路材料,且再生結構強度高、承載力強、性能穩定可靠,同時降低了養護工程成本,是道路養護工程常用的施工方案之一。國道307線西烏旗至白音華段養護工程全長24.8 km,設計舊路基層補強處理段12.6 km,涉及舊路水穩基層需挖除量約30 000 m3。如采用傳統的挖除重鋪水穩層工藝,工程量大、工期長,且影響交通行車安全。同時,舊水穩挖除產生的廢棄料如不加以利用也是極大的浪費。有鑒于此,項目決定采用泡沫瀝青就地冷再生技術對基層補強段進行補強處理。

1 原材料性能

1.1 基層銑刨料

項目采用維特根WR2500S型銑刨機對舊路路面結構層進行全厚度銑刨,一次銑刨深度25 cm。經過試驗段的試銑刨工作,確定銑刨機的各項工作參數,并對現場銑刨料進行取樣試驗,分析了基層水穩銑刨料的顆粒級配,銑刨料的粒徑分布如表1所示。

表1結果表明,經過銑刨機刀頭破碎的基層料整體偏細,>19 mm以上粗集料含量約10%,含量偏少,<4.75 mm以下細集料部分約占銑刨料的50%以上,細料偏多,且混合料通過率不滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T5521—2019)[1]無機結合料再生混合料I型級配要求,其19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.6 mm、0.075 mm篩孔已超出范圍上限,需要補充部分粗集料來改善合成級配。

表1 基層銑刨料粒徑分布結果

1.2 瀝青材料

1.2.1 基質瀝青

制備泡沫瀝青的基質瀝青選用盤錦90號道路石油瀝青,其主要性能為:針入度93(0.1 mm)、延度(15 ℃)>100 cm、軟化點46.5 ℃、旋轉薄膜烘箱老化試驗后質量變化-0.09%、殘留針入度比78.4%、殘留延度(10 ℃)16.5 cm。

1.2.2 泡沫瀝青

采用WLB-10型發泡試驗機,在試驗室進行160 ℃、165 ℃、170 ℃下的發泡試驗,用水量按照1.5%、2.0%、2.5%、3.0%控制,確定瀝青的最佳發泡溫度、用水量、膨脹率、半衰期等參數。《工程施工廢棄物再生利用技術規范》(GB T50743—2012)發泡瀝青技術指標要求膨脹率>10倍、半衰期>8 s[2]。項目泡沫瀝青發泡特性試驗結果如表2所示。

表2 瀝青發泡試驗數據

根據表2瀝青發泡試驗結果,采用內插法分別計算出不同發泡溫度下膨脹率>10倍、半衰期>8 s時的用水量結果和該發泡溫度下的最佳用水量,再根據計算最佳用水量查找相對應的發泡瀝青膨脹率和半衰期結果:

1)發泡溫度160 ℃時,膨脹率10倍時用水量w1=2.0%,半衰期8 s時用水量w2=2.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(2.0%+2.75%)/2=2.4%,計算得2.4%用水量對應膨脹量為15倍,半衰期為11 s。

2)發泡溫度165 ℃時,膨脹率10倍時用水量w1=1.75%,半衰期8 s時用水量w2=3.0%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.75%+3.0%)/2=2.4%,計算得2.4%發泡用水量時對應膨脹量約為16倍,半衰期為12 s。

3)發泡溫度170 ℃時,膨脹率10倍時用水量w1=1.4%,半衰期8 s時用水量w2=1.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.4%+1.75%)/2=1.6%,計算得1.6%用水量對應的膨脹量約為11倍,半衰期為8 s。

根據瀝青發泡試驗計算結果,170 ℃發泡時,最佳用水量1.6%,膨脹量11倍,半衰期8 s。165 ℃發泡時,最佳用水量2.4%,膨脹量16倍,半衰期12 s。160 ℃發泡時,最佳用水量2.4%,膨脹量15倍,半衰期11 s。表明在165 ℃下的發泡膨脹率和半衰期效果最好,該項目所用90號瀝青的發泡溫度確定為165 ℃,最佳發泡用水量為2.4%。

1.3 水泥

采用錫林浩特中聯PSA32.5級礦渣硅酸鹽水泥,初凝時間260 min,終凝時間330 min,其他指標符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》[3]相關技術要求。

1.4 新集料

根據項目實地碎石材料情況,摻用10～30 mm碎石,集料顆粒級配如表3所示。

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表3 新摻碎石篩分試驗結果

2 配合比設計

2.1 級配設計

以I型級配范圍為合成目標,結合表1、表3篩分結果進行再生水穩基層的級配合成。經計算機擬合計算,新集料與銑刨料按照質量比15%∶85%摻配時,再生混合料曲線滿足級配范圍,合成通過率如表4所示。根據再生規范要求,選定外摻水泥用量為1.5%。

表4 再生基層合成通過率結果

2.2 最佳含水率和最佳瀝青用量

水泥用量1.5%,泡沫瀝青用量2.0%、2.5%、3.0%、3.5%,依照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTGE51—2009)[4]分別進行重型擊實試驗,確定混合料最大干密度和最佳含水率。并以最佳含水率的80%作為再生混合料拌合用水量,分別拌制不同瀝青用量下的再生混合料,依照JTG/T5521—2019試驗方法成型試件并養生,到期后測試試件15 ℃及浸水24 h后15 ℃劈裂強度,重擊實試驗及劈裂試驗結果如表5、圖1所示。

表5 不同瀝青用量下混合料重擊實試驗及劈裂試驗結果

由表5重擊實試驗結果可知,再生混合料最大干密度隨著瀝青用量的增加先變大后減小,在瀝青用量3.0%時干密度出現峰值為2.162,最佳含水率5.4%。 圖1劈裂強度試驗結果可知:混合料干、濕劈裂強度峰值對應瀝青用量均為3.0%,隨著瀝青用量增加,劈裂強度先增大后減小,在3.0%附近時達到最大值,說明適宜的泡沫瀝青用量能增加再生混合料的強度,過少或過多的泡沫瀝青會影響混合料的路用性能。試驗確定該項目再生基層混合料最佳含水量5.4%,最大干密度2.162,最佳瀝青用量3.0%。

3 施工工藝與質量控制要點

3.1 施工工藝流程

泡沫瀝青就地冷再生基層施工流程如圖2所示。

3.2 施工質量控制要點

1)施工準備階段

施工人員進場后,組織技術人員編制詳細的施工組織方案,并進行技術培訓和施工技術交底。人員做到定崗定責,各司其職。試驗室做好前期配合比設計工作,確認現場施工材料用量和質量控制參數,如泡沫瀝青最佳發泡溫度、最佳用水量、再生混合料最大干密度、最佳用水量、最佳瀝青用量、每平米新碎石攤鋪量、水泥灑布量等,并把控好原材料質量關[5]。

2)現場準備階段

確定基層補強段封閉段長度,一個封閉段按0.5～1.0 km控制。做好測量放樣及作業面清理工作,在施工區域兩端設置顯著減速標識及專職安全員引導社會交通。

3)鋪面材料用量計算

通過舊路基層鉆芯取樣,測得舊路基層平均芯樣密度ρ=2.08 t/m3,平均芯樣厚度h=19.0 cm,按照新碎石∶銑刨料=15%∶85%的比例,外加水泥1.5%,補強段每m2碎石和水泥鋪布量分別為

M碎石= 2.08×0.19×1×1 000×15/85=69.74 kg/m2

(1)

M水泥=(2.08×0.19×1×1 000+69.74)×1.5/98.5=7.08 kg/m2

(2)

根據計算的補強段每m2碎石和水泥用量,采用專門的碎石布料車和水泥布料車分層將碎石和水泥逐層平鋪在作業面上,先鋪碎石層,再鋪水泥層,使水泥均勻地分布在新碎石間隙中。

4)設備就位

WR2500S冷再生機最大工作深度50 cm、最大工作寬度250 cm。養護路段平均施工深度23 cm、半幅施工寬度450 cm。冷再生機縱向分兩幅施工,銑刨深度一次到位,相鄰兩幅重疊20～30 cm,拌和機行進速度3～6 m/min控制,瀝青冷再生機與瀝青罐車、灑水車縱向串聯在一起停在養護路段起點待命。

5)銑刨施工

施工時應確保每一封閉路段從加水銑刨到壓實結束的時間,應保證在水泥初凝前完成。根據再生機組工作速度、半幅施工所分幅數以及誤工損耗,將施工現場每150～200 m劃為一個施工段落。再生機對基層銑刨料、新碎石、水泥、泡沫瀝青、水進行充分拌和。泡沫瀝青由專用瀝青發泡機現場發泡后通過管道連續輸送到再生機噴灑系統,由噴灑系統噴在拌和罩內的再生混合料中。拌和水由水罐車通過軟管輸送給再生機拌合系統,供水量由電腦按施工用水量自動計量,現場技術員可根據實際拌合效果及時調整拌合用水。

施工時現場試驗員應全程跟蹤,對再生混合料拌合效果、拌合深度以及泡沫瀝青分散情況實時觀測,并將混合料按抽檢頻率取樣送后方檢測室,對混合料含水量、水泥劑量、瀝青含量等進行取樣試驗以指導后續施工。

6)整平及初壓

拌和完成,輔助人員緊跟再生機后,對局部坑洞、離析等缺陷進行修補或挖除。先用單鋼輪壓路機靜壓一遍,后由平地機緊跟進行一次初平,再靜壓一遍,再整平一遍,一般通過 2～3 遍整平即可以滿足平整度要求。在整平過程中應遵循“寧刮勿補”的原則,嚴禁薄層貼補,確保整平碾壓不起皮、不松散、不離析[6]。

7)壓實成型

由于摻加了泡沫瀝青,初壓結束后,先用膠輪壓路機碾壓2～3遍。通過膠輪壓路機的搓揉作用使柔性基層骨架結構達到二次就位,瀝青膠漿充盈于混合料間隙中。膠輪壓實完成后,灑水車霧狀灑水潤濕表面,再用單鋼輪振動壓路機先強振1遍、弱振2～3遍,以確保施工壓實度,再用輪胎壓路機搓揉1遍,保證在水泥初凝之前完成壓實過程,碾壓完成及時檢測壓實度。

8)接縫處理

再生機分幅銑刨產生的縱向接縫,在拌和時相鄰下一幅時,兩幅重疊30～40 cm,防止幅與幅之間有拌和不均勻現象。對于段落與段落之間的橫向搭接縫,若是連續作業,搭接長度50～100 cm;若中間停頓超過4 h或隔天施工,搭接長度應在100 cm 以上,同時要在搭接處摻水泥,并要求接縫平整、密實。

9)養生及交通管制

壓實結束的基層經現場檢測,各項指標合格,根據表面干濕狀況確定是否補水,再覆膜養生。養生膜采用一布一膜型土工布,既保濕還能保溫,有利于基層強度增長,縮短養生時間。養生期間禁止一切車輛上路行駛,待基層取芯強度滿足要求、鋪完瀝青面層方可開放交通。

4 結 語

國道307線西烏旗至白音華段大中修養護工程歷時50 d,舊路補強再生基層12.6 km全部采用泡沫瀝青就地冷再生技術。基層補強工期凈用時20 d,平均每天處理再生基層630 m,補強段基層養生5 d即能取出完整、密實的芯樣,芯樣無側限抗壓強度達到設計要求。項目銑刨舊料利用率達100%,節約工程材料直接費150余萬元,充分說明了泡沫瀝青冷再生基層技術的環保性和經濟性等優點,同時也表明在瀝青冷再生混合料的質量控制方面已經有一套比較成熟的控制方法,可以在錫盟地區大規模推廣應用。