泡沫瀝青就地冷再生技術在哈同高速養護工程中的應用

2024-05-15 03:40:38王立超郝鷹鵬

黑龍江交通科技 2024年4期

王立超,郝鷹鵬

(黑龍江省交投公路建設投資有限公司,黑龍江哈爾濱 150001)

目前為止,黑龍江高速公路路網建設已完成80%,道路從以建設為主的階段逐步轉向以養護為主的階段。在建設完成的高速公路中,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到設計使用年限。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,已達到設計壽命末期的瀝青混合料性能逐漸衰減,病害逐漸發生,相繼進入大修期,導致每年產生的廢舊瀝青混合料和基層粒料達數百萬噸。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,施工現場數據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,對原路面銑刨料進行100%再生,用作下面層。通過試驗段實施,形成泡沫瀝青就地冷再生標準化施工工藝,建立施工質量控制標準,為同類工程提供參考。

1 工程概況

哈同高速公路原路面結構為: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%水泥穩定碎石+30 cm 5%水泥穩定碎石。該道路路面投入使用以來,出現了龜裂、縱橫裂縫、塊狀裂縫等多種路面病害。本項目為結構性修復處治,采用泡沫瀝青就地冷再生技術對原路面瀝青面層進行再生,再生利用率達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計

2.1 原材料

2.1.1 發泡用瀝青

采用韓國SK-90號普通道路石油瀝青,指標符合技術要求。

2.1.2 水泥

采用P·O 42.5水泥,指標符合技術要求。

2.1.3 RAP

現場采用泡沫瀝青就地冷再生機按切削深度10 cm、銑刨速度 4 m/min 進行銑刨取樣,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%,篩分試驗結果如表1所示。

表1 兩檔礦料篩分試驗檢測結果

2.2 泡沫瀝青冷再生混合料配合比設計

《公路瀝青路面再生技術規范》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。為使泡沫瀝青混合料保持一定柔性,應嚴格控制水泥用量,水泥用量不宜超過1.5%,不應超過1.8%。相關研究表明,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,篩分試驗結果如表2所示。

表2 各礦料篩分試驗檢測結果

目標級配為中粒式級配,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,而且應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生不利影響,應通過重型擊實試驗確定混合料的最佳含水量。按照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020),對合成礦料進行擊實試驗,確定最佳含水率。試驗分別按照3%、4%、5%、6%、7%五個含水率制備試件,悶料24 h后擊實成型試件,稱重后取樣烘干測其含水率。試驗結果如表4所示。

表4 擊實試驗結果

根據擊實曲線,確定混合料最佳含水率為5.4%,對應最大干密度為2.01 g/cm3。

2.2.2 最佳發泡條件確定

按照《公路瀝青路面再生技術規范》中附錄C方法進行泡沫瀝青發泡試驗,使用發泡設備為Writgen公司生產的WLB10S型泡沫瀝青發泡機。試驗選擇155、160、170 ℃三個溫度條件,發泡用水量分別為1.5%、2.5%、3.5%,測試泡沫瀝青的膨脹率與半衰期。

由試驗結果可知,155 ℃條件下,發泡用水量大于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,確定最佳發泡溫度為155 ℃。

膨脹率滿足要求的最小發泡用水量W為1.7%,試驗中的發泡用水量均可滿足半衰期要求,因此取W2為3.5%,則155 ℃條件下最佳發泡用水量為Wopt=(1.7%+3.5%)/2=2.6%,對應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,再加入根據重型擊實試驗確定的最佳含水率對應拌和用水量的水進行拌和,之后在最佳發泡條件下按照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行拌和。成型標準馬歇爾試件,雙面各擊實75次。成型后在60 ℃條件下養生48 h,結束養生后常溫下側放12 h后脫模。之后測試試件的15 ℃劈裂強度和浸水24 h后的15 ℃劈裂強度,測試結果如表5所示。

表5 劈裂試驗結果

在試驗結果中,泡沫瀝青冷再生混合料的15 ℃劈裂強度以及干濕劈裂強度比均體現出先增大后減小的趨勢,二者峰值均出現在泡沫瀝青用量2.1%～2.5%之間。最終確定最佳泡沫瀝青用量為2.3%,對應15 ℃劈裂強度為0.55 MPa,干濕劈裂強度比為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度及水穩定性,但是水泥用量過大會對混合料性能帶來負面影響。泡沫瀝青冷再生混合料設計過程中,應嚴格控制水泥用量,水泥用量不宜超過1.5%,不應超過1.8%。

利用掃描電鏡研究了水泥對泡沫再生料強度的影響機理, 泡沫瀝青混凝土未摻加與摻加1.5%水泥的微觀形態如圖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且形態光滑,在冷再生料中添加水泥后集料表面被水泥的水化產物包裹,并且水泥水化后的生產物呈現“簇狀”結構,分布不具規律性。其簇狀結構將瀝青膠漿與集料錨固在一起,大大增強了集料表面與膠漿的粘結效果。進一步說明,水泥的加入增強了冷再生料內部的粘結效果,提升了冷再生料的水穩定性,但是由于其整體性能增強,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。水泥水化的產物會在冷再生料中產生“加筋”作用,在微觀上其“加筋”提高了集料之間的粘結強度,從宏觀上看,水泥的水化產物提高了冷再生料的強度。

3 泡沫瀝青冷再生現場施工工藝

通過室內試驗設計,確定了泡沫瀝青冷再生目標配合比設計方案,目標級配為中粒式級配,各類材料的組成比例及合成級配如表6所示。

表6 目標配合比設計結果

按設計級配、最佳含水率、最佳泡沫瀝青用量成型試件,并對試件在室內進行凍融劈裂試驗、車轍試驗、劈裂強度試驗,試驗結果如表7所示。

表7 目標配合比瀝青混合料性質

通過試驗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度比為83.6%,60 ℃動穩定度4 573次/mm,符合規范要求,本次配合比設計結果可用于泡沫瀝青混合料的施工指導。

(1)總體施工方案。

采用W380CR就地再生機進行泡沫瀝青再生混合料的現場拌和,采用ABG423攤鋪機攤鋪。

(2)施工前的準備工作。

封閉交通、準備原道路、清掃路表雜物、清除路表積水。

(3)舊路面銑刨。

冷再生機行進速度應根據路面損壞狀況和再生深度進行調整,一般為6～10 m/min,使得銑刨后料的級配波動范圍不大。網裂嚴重地段應采用較慢速度。

(4)下承層準備。

對銑刨后的路面進行清掃,把夾層和松動的材料清掃干凈,然后采用微創注漿方式對老路路基進行處理,修補路基結構內部病害,恢復老路路基強度性能。

(5)攤鋪機準備。

標定鋼絲懸掛高度,準備攤鋪機攤鋪厚度基準面。

(6)攤鋪。

采用ABG423攤鋪機攤鋪。再生好的混合料由再生機機載輸料帶輸送到緊跟后方的攤鋪機中,攤鋪機料斗要匹配再生機的出料速度。攤鋪機速度宜為3～5 m/min。應保證連續、均勻、不間斷地攤鋪,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”的原則進行碾壓,碾壓組合、碾壓遍數根據首件工程確定,初壓速度宜控制在3 km/h以內,復壓和終壓速度宜控制在6 km/h以內。

(8)縱向接縫的處理。

每日施工完成均應設置縱向施工接縫,采用切割機對每日施工接縫處進行切割處理,再次施工時,在接縫處涂刷不粘輪乳化瀝青,保證接縫處的粘結強度。施工時,對接縫處進行人工補料,接縫處的級配應細一些,保證接縫處的壓實度。

(9)養生。

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

4 施工質量質量控制與檢測

在完成目標配合比設計的基礎上,在哈同高速K127+200～K132+200段進行了泡沫瀝青就地冷再生試驗段施工,并對就地冷再生后的路面進行路用性能檢測,檢測項目為壓實度檢測、水洗干篩篩孔通過率,檢測結果如表8,表9所示。

表8 路面壓實度實測值

表9 篩孔通過率檢測試驗結果

檢測結果表明壓實度滿足規范要求。

(1)合格率分析。

篩分數據表明,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)質量評分分析。

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

表10 篩孔通過率質量評分計算結果

5 環境效益及經濟效益

5.1 環境效益

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

表11 單位質量乳化瀝青廠拌冷再生節能量及減排量

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

5.2 經濟效益

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。殘值統一用8年后的殘值計算,新材料按70%計算,再生材料按50%計算,折現率為7%。經過測算,得到8年內三種結構每公里費用成本如表12所示。