泡沫沥青冷再生技术在石黄高速养护工程中的应用
2010-07-12赵建红
赵建红
(河北锐驰交通工程咨询有限公司)
1 前 言
沥青混凝土路面由于其行车舒适、色泽美观、养护简单、维修方便等特点,在高速公路、干线公路及县乡公路上均得到了广泛应用。沥青路面在使用过程中,由于受到车辆荷载以及日照、雨水等各种自然因素的作用,会逐渐变形、老化以至损坏。如按照沥青路面的设计寿命 15年,从现在开始,我国的许多高速公路都已进人大、中修期,在旧路面改造、路面整修工程中,常用的方法是将废旧路面或基层材料清除、弃埋,该方法不仅造成环境污染、浪费资源、也不经济。石黄高速公路石辛段 2009年沥青路面病害治理工程中设计了厂拌冷再生基层施工,采用泡沫冷再生技术进行基层铺筑。
泡沫沥青冷再生基层是采用旧沥青路面铣刨混合料(RAP),用泡沫沥青和水泥复合作再生稳定剂进行现场冷再生碾压成型。这种材料具有“刚柔并济”的特点,抗车辙、抗开裂,施工基本上是冷作业,节约燃料,对环境的污染很小。本研究以石黄高速公路石辛段路面病害治理工程为依托,通过在旧沥青路面铣刨混合料中添加泡沫沥青和水泥,在发挥沥青类结合料柔性的同时,进一步提高强度,使其接近于水泥稳定类材料,混合料性能介于柔性基层和半刚性基层之间,称之为“半柔性基层”,对其施工工艺和技术指标进行研究分析,为同类工程提供借鉴。
2 泡沫冷再生技术简介
泡沫沥青又叫膨胀沥青,是将一定的常温水注入热沥青使其体积发生膨胀,形成大量的沥青泡沫,经过很短的时间沥青泡沫破裂。这一过程只是沥青的物理变化,没有发生化学反应。当泡沫沥青与集料接触时,沥青泡沫瞬间化为数以百万计的“小颗粒”,散布于细集料(特别是粒径小于0.3mm)的表面,形成粘有大量沥青的细料填缝料,经过拌和压实,这些细料能填充于湿冷的粗集料之间的空隙并形成类似砂浆的作用,使混合料达到稳定。
泡沫沥青冷再生混凝土的施工工艺主要是对旧路进行铣刨,根据得到的回收沥青路面材料的级配情况,可加入部分石料进行级配调整,泡沫沥青的用量约为 2.0%～2.5%,同时考虑加入少量的水泥或矿粉,以改善泡沫沥青在混合料中的分散性以及提高混合料的强度,泡沫沥青冷再生混凝土单层厚度不大于 20 cm,混合料可用专门的冷再生设备在现场就地再生,也可厂拌再生,然后将混合料摊铺、碾压成型后即可。
泡沫沥青与其他稳定剂相比,优点表现为以下几方面。(1)增加混合料的剪切强度和水稳定性,较水泥处治的混合料更有柔性、耐疲劳;(2)与无机结合料稳定混合料相比,泡沫沥青再生混合料需要养护时间短;(3)泡沫沥青处治应用更广泛,适用与未处治天然材料、回收沥青混合料、半刚性基层混合料等;(4)节约能源,仅需加热沥青,集料不需要加热和烘干;(5)施工受季节和气候影响小。
3 沥青发泡试验
本次试验以河北地区常用的滨州中海 90#沥青为研究对象,采用德国产WLB10发泡试验机进行不同温度、不同用水量条件下的发泡特性试验,以确定该沥青最佳的发泡温度和发泡用水量。
沥青发泡温度:150℃、160℃、170℃共三个水平。发泡时用水量:1.5%、2.0%、2.5%、3.0%共四种水平。根据经验发泡喷射气压设定为 0.5 MPa,水压为0.6MPa。试验通过对不同温度、加水量的条件下的膨胀比和半衰期变化情况来得到滨州中海 90#沥青的最佳发泡条件。
在各个温度条件下,膨胀比随发泡加水量的增加而增大,发泡加水量为 3.0%时,膨胀比较大,在 25～35之间;而半衰期随加水量的增加则逐渐减小。随着发泡沥青温度的升高,膨胀比呈现一定的增加的趋势。随着发泡沥青温度的升高,半衰期呈现一定的减小的趋势。随着发泡加水量的增加,膨胀比明显增大,发泡加水量对膨胀比具有显著的影响。发泡加水量为 1.5%时,膨胀比在 10～15之间;当发泡加水量为 3.0%时,膨胀比在 25～35之间。无论在哪种温度条件下,发泡加水量对半衰期都具有显著的影响。随着发泡加水量的增加,半衰期逐渐变小。综合考虑膨胀比、半衰期两个指标的特点,并根据现场实际施工情况最终确定本项目山东齐鲁石化沥青的最佳发泡条件为:发泡温度:160℃;发泡用水量:2.3%。
图 1 沥青不同温度时发泡性能曲线
4 泡沫沥青冷再生混合料级配设计
本次试验使用的旧料为对原有沥青混凝土面层(19 cm)进行铣刨后选取的代表性试样,然后进行配合比设计,沥青为滨州中海 90#沥青,水泥为普通 32.5硅酸盐水泥。
4.1 集料
将铣刨料风干后在室内进行筛分试验,试验结果如表 1。
表 1 旧沥青路面铣刨料级配
根据《公路沥青路面再生技术规范》中的级配范围及旧料的筛分结果看出,旧料 2.36 mm及以下的筛孔通过率偏小,需要加入部分石屑调整级配,石屑筛分结果见表 2。所用水泥 0.075mm筛孔通过率为 100%。
表 2 石屑级配
4.2 合成级配组成设计
根据设计文件的级配范围要求,混合材料的掺加比例及合成级配组成见表 3和图 2所示。根据表 3的合成级配,进行混合料配合比设计及强度试验以检验该合成级配是否满足设计要求,从而确定最终的设计级配。
表 3 合成级配
图 3 合成级配曲线
4.3 确定最佳含水量与最大干密度
将风干的旧沥青路面铣刨料、石屑和水泥按拟定的掺加比例混合,通过重型击实试验确定再生混合料的最佳含水量和最大干密度,结果见表 4。
表 4 泡沫沥青再生混合料重型击实试验结果
4.4 确定最佳泡沫沥青用量
按合成级配中旧沥青路面铣刨料、石屑、水泥的掺加比例,将各部分混合拌匀,再根据重型击实试验确定的最佳含水量的 70%对应的水量,加入到混合集料中进行拌和,然后分别加入五种泡沫沥青用量:1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%,与混合集料进行拌和。按《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)中试件成型和养生方法,在不同沥青用量下制作试件,测定其干湿劈裂强度并绘制曲线。测试结果如表 5所示。
表 5 不同泡沫沥青用量下混合料的劈裂强度
通过干、湿劈裂强度及干湿劈裂强度比三个指标综合比较,可得 2.5%泡沫沥青用量下再生效果最为理想。
通过室内配比试验,最终推荐石黄高速公路石辛段病害治理罩面工程泡沫沥青冷再生项目的配合比设计方案如表6所示。
表 6 泡沫沥青冷再生混合料配合比推荐方案
5 试验路方案的确定
5.1 试验路段的确定
为了使所选择的试验路段能够比较全面、真实地反映原路面结构状况,根据国外采用的再生理想厚度及现场挖探勘测结果,拟定 K290+077～K 290+312南半幅超车道为冷再生的试验路段,总长 235m。
5.2 冷再生基层施工试铺过程
(1)试验段下承层准备。
采用维特根 2000型铣刨机对原有路面结构层进行铣刨,并用山猫清扫车配合人工进行清扫,吹风机对清扫后的底基层表面吹净,在铺筑冷再生混和料前洒水湿润。
(2)拌和前准备工作。
对到场的RAP和石屑材料检测其级配是否符合设计级配要求,测定 RAP材料的含水量,调整拌和用水量并试拌。对到场沥青原材料,利用拌合机喷嘴检测期发泡率和半衰期是否符合要求。
(3)拌和。
采用维特根 KMA 200型冷再生拌合机按配合比设计成果进行拌和,在拌和过程中,根据现场 RAP材料含水量,调整拌和用水量,考虑运输和摊铺过程中的水份散失,使拌和好的混和料含水量略大于最佳含水量。试验段现场拌和用水量 2.8%,水泥用量 1.5%,沥青用量 2.6%,粗石粉 15%。
(4)运输。
运输采用 15 t以上自卸车进行运输拌和好的成品料至运输现场,为防止水份散失,加苫布进行覆盖,运输车辆按规定的路线行走。听从现场管理人员指挥,确保施工安全。
(5)摊铺。
冷再生混合料采用基层摊铺机 WTD 9000摊铺,虚铺系数 1.3,熨平板不需要加热。摊铺机缓慢、均匀、连续不断的摊铺,不得随意变换速度或者中途停顿,摊铺速度宜控制在2～4m/min范围内。
(6)压实。
初压采用 LS220单钢轮压路机关闭振动稳压 1遍;复压采用LS220单钢轮压路机低频高幅碾压 4遍,高频低幅碾压2遍;终压采用 XP301胶轮压路机喷水碾压 8遍。
直线和不设超高段的平曲线段,应由两侧路肩向中心碾压;设超高段平曲线段,应由内侧路肩向外侧路肩碾压。压路机应以慢而均匀的速度碾压,初压速度宜为 1.5～3 km/h,复压和终压速度宜为 1.5～3 km/h。严禁压路机在刚完成碾压或正在碾压的路段上掉头、急刹车及停放。
5.3 试验段检测结果
(1)压实度:经现场实测压实度为 100.4、98.9、99、99.7。
(2)平整度检测三处:最小值 3mm,最大值 8mm。
(3)外观:表面平整密实,无浮石、弹簧现象,无明显压路机轮迹。
(4)劈裂强度检测结果见表 7。含水量和筛分结果满足规范要求。
表 7 试验段泡沫冷再生混合料劈裂强度
由以上结果可以看出,试验段泡沫冷再生混合料劈裂强度完全满足规范要求,也就说泡沫冷再生混合料的抗水损坏能力完全符合规范要求。
6 结 论
(1)突破了目前国内关于路面基层规范的限制,采用了新的路面基层结构方案。
(2)首次引入再生柔性基层的概念并加以实施,填补了我国冷再生领域的技术空白。
(3)确定了冷再生技术在河北省高速公路旧沥青路面改造中的可行性。
(4)实施后的冷再生柔性基层满足有关规范的技术要求。
[1] 公路沥青路面再生技术规范(JTG F41-2008).
[2] 石黄高速公路石辛段路面病害处治及罩面工程施工图设计.
[3] 维特根冷再生手册 .德国维特根公司,2001.
[4] 公路工程集料试验规程(JTG E 42-2005).
[5] 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052-2000).
[6] 沥青路面施工及验收规范(B50092-96).
