乳化沥青厂拌冷再生在高速公路下面层的应用

2022-04-15陈改霞贾秦龙薛邵龙

安阳工学院学报 2022年2期

陈改霞，贾秦龙，薛邵龙

（1.郑州工业应用技术学院，郑州 451100；2.中交瑞通路桥养护科技有限公司，西安 710075；3.中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，郑州 450000）

乳化沥青厂拌冷再生是将回收沥青路面材料运至拌和厂，经破碎、筛分后，以一定的比例与新集料、乳化沥青、水泥、水等进行常温拌和，常温铺筑形成路面结构层的沥青路面再生技术[1]。由于乳化沥青冷再生混合料路面回收料利用率高，施工工艺方便，环保且造价低[2]，因此近年来国内外相关学者对乳化沥青冷再生进行了一系列研究并推广应用。Wang等[3]研究了乳化沥青的强度形成机理，发现水泥对其强度的形成有重要影响。Yan等[4]研究了乳化沥青再生混合料中沥青的老化以及水泥对混合料的性能影响。武泽锋[5]对乳化沥青厂拌冷再生混合料的击实和养生进行了研究，并认为水泥有助于冷再生混合料的强度提升和抗水损害能力，但水泥含量增大时混合料的抗裂及抗疲劳性能下降。乳化沥青厂拌冷再生的工程应用非常广泛，以陕西省为例，2008年乳化沥青厂拌冷再生在铜黄高速上进行推广应用，2009年西安至临潼的快速干道试点应用，2015年西宝高速改扩建乳化沥青冷再生混合料应用于上基层。依托2017和2018年包茂高速陕蒙段和青银高速靖王段的路面大修工程，将乳化沥青厂拌冷再生作为下面层进行了大面积推广应用，单幅冷再生路面长度约150 km，共利用了路面铣刨料约30万吨，经济效益与环境效益明显。

1 再生路面结构设计

乳化沥青厂拌冷再生混合料一般应用于路面结构基层或沥青路面下面层，不宜用于路面结构的中、上面层。因此乳化沥青厂拌冷再生适用于路面大修中对沥青路面全部铣刨后新建再生路面结构。总结近年来国内乳化沥青冷再生的典型路面结构形式如表1所示。

表1 国内部分乳化沥青厂拌冷再生路面结构应用统计表

根据表1统计，国内高速公路改扩建工程一般将乳化沥青厂拌冷再生应用于上基层，再生层以上通常为三层热拌沥青混合料路面结构；高速公路路面大修工程一般将乳化沥青冷再生用于下面层，再生层以上一般采用两层热拌沥青混合料路面结构。分析其原因主要是高速公路改扩建时道路沿线设施一般都要全部更换，所以对路面标高可抬升的空间较大，且扩建一侧路面结构全部重建，乳化沥青厂拌冷再生层应用于基层并加铺较厚的沥青面层可作为长寿命路面结构使用[6]。

青银高速靖王段和包茂高速陕蒙段均运营了13年以上，路面主要病害为半刚性基层的反射裂缝和路面坑槽、唧浆等病害。靖王段和陕蒙段原沥青路面厚度16 cm和10 cm，沥青路面厚度偏薄，随着累计当量轴载不断增加，路面病害爆发式增长。为了全面维修路面裂缝、坑槽等病害并最大程度地利用路面铣刨材料，因此将乳化沥青厂拌冷再生应用于沥青路面下面层，具体路面结构如表2所示：

表2 再生路面结构设计

2 回收沥青路面材料（RAP）性能参数

路面材料在自然老化以及荷载作用下，路用性能下降，在回收破碎过程中，旧路面材料粗集料细化，再生过程中需添加一部分新集料达到合格混合料的性能指标[7]。取靖王段和陕蒙段具有代表性的RAP料进行筛分，RAP筛分级配如表3所示。

表3 RAP筛分级配通过率/%

RAP料筛分为0-10 mm和10-30 mm两档，根据《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）要求厂拌冷再生混合料的RAP技术指标如表4。

表4 回收沥青路面材料（RAP）试验检测结果

靖王段全段均采用微表处罩面，RAP中混合有微表处铣刨料导致RAP沥青含量偏高。综合RAP料的检测结果，可满足乳化沥青厂拌冷再生的技术要求。

3 冷再生混合料的配合比设计

3.1 乳化沥青冷再生混合料级配组成设计

江西九景高速改扩建乳化沥青厂拌冷再生基层RAP掺量90%[8]，青银高速宁东至银川段改扩建乳化沥青再生基层RAP掺量88%[9]，泰赣高速路面大修乳化沥青厂拌冷再生用于下面层RAP掺量85%[10]，根据国内再生项目的实践经验，为保证乳化沥青厂拌冷再生下面层的混合料质量，靖王和陕蒙段冷再生矿料组成设计RAP掺量按80%控制。

根据集料筛分结果，按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)粗粒式乳化沥青厂拌冷再生矿料级配范围的要求，设计矿料级配结果见表5和表6。

表5 乳化沥青冷再生矿料组成比 %

表6 乳化沥青冷再生矿料级配

3.2 乳化沥青含量对再生混合料强度的影响

根据矿料级配组成，固定水泥含量为1.5%，乳化沥青用量为4.0%，采用四种不同的用水量，进行重型击实试验，确定最大干密度和最佳用水量，试验结果见表7。

表7 不同用水量对应的再生混合料最大干密度

以掺水量为横坐标，以干密度为纵坐标，将试验结果表示在二次多项式拟合曲线中，掺水量和再生混合料最大干密度的关系如图1和图2所示。

图1 用水量与最大干密度的关系曲线图（靖王段）

图2 用水量与最大干密度的关系曲线图（陕蒙段）

重型击实试验表明：其他参数不变的情况下，随着掺水量的增加，马歇尔最大干密度先增大后减小，根据干密度最大原则，靖王段最佳掺水量为3.8%，对应最大干密度2.163 g/cm3，陕蒙段最佳掺水量为3.5%，对应最大干密度2.163 g/cm3。

固定掺水量和水泥掺量，选取乳化沥青含量分别为3.0%、3.5%、4.0%和4.5%，分别制作马歇尔试件，养生结束后，测定其干湿劈裂强度，试验结果见表8。

表8 不同乳化沥青用量的劈裂强度试验结果

以乳化沥青含量为横坐标，以干、湿劈裂强度为纵坐标，将试验结果表示在二次多项式拟合曲线中，乳化沥青含量与劈裂强度的关系曲线如图3和图4所示。

图3 乳化沥青含量与劈裂强度关系曲线图（靖王段）

图4 乳化沥青含量与劈裂强度关系曲线图（陕蒙段）

试验结果表明：随着乳化沥青的用量增加，干、湿劈裂强度先增大后减小，根据干湿劈裂强度最大原则，靖王段最佳乳化沥青含量为3.9%，对应的干、湿劈裂强度分别为0.621 MPa和0.544 MPa，陕蒙段最佳乳化沥青用量为3.8%，对应的干、湿劈裂强度分别为0.642 MPa和0.561 MPa。

3.3 水泥掺量对再生混合料强度的影响

根据以上确定的最佳乳化沥青用量和最佳用水量，对1.0%、1.5%、2.0%和2.5%四种水泥掺量的混合料进行劈裂强度试验，试验结果如表9所示。

表9 不同水泥掺量的劈裂强度试验结果

以水泥掺量为横坐标，以干、湿劈裂强度为纵坐标，水泥掺量与劈裂强度的关系曲线如图5和图6所示。

图5 水泥掺量与再生混合料强度的关系曲线图（靖王段）

图6 水泥掺量与再生混合料强度的关系曲线图（陕蒙段）

随着水泥用量的增大，干、湿劈裂强度均随之增大，干湿劈裂强度比也随之增大。相关研究表明：乳化沥青厂拌冷再生混合料不掺加水泥时，乳化沥青冷再生胶浆表面比较光滑，混合料强度比较差，路用性能不佳[11]，加入水泥后其水化产物与乳化沥青相互交织形成新胶浆，当胶浆材料配比合理时，新旧胶浆劲度模量相差不大，同时水化产物在新旧胶浆之间起到“桥梁”作用，增加了粘结性，提高了再生混合料的强度[12]。孙岩松[13]研究了水泥掺量对再生混合料的抗裂性能影响，发现随着水泥含量的增加，冷再生混合料的合料的低温应变先增大再减小，水泥掺量为1.5%时冷再生混合料的弯曲应变值最大，低温抗裂性能最好；水泥掺量大于1.5%时，水化产物增多，干缩加剧，路面抗裂性能下降。榆靖段和陕蒙段路面主要病害为半刚性基层的反射裂缝，因此乳化沥青冷再生混合料应具备优良抗裂性能，不应为了增加再生混合料的强度而加大水泥用量，最终确定水泥掺量为1.5%。

3.4 乳化沥青冷再生混合料性能验证

根据乳化沥青冷再生矿料级配组成设计以及最佳用水量和最佳乳化沥青含量和水泥掺量的确定，推荐靖王段和榆靖段再生混合料配合比设计如表10所示，再生混合料的路用性能试验结果如表11所示。

表10 乳化沥青厂拌冷再生混合料配合比推荐方案

表11 性能验证试验结果

依托项目位于陕北地区，夏季干旱少雨，乳化沥青冷再生混合料铺筑后，第4天采用Φ150的钻头取芯，芯样完整级配均匀，孔壁光滑，应用效果良好，如图7和图8所示。

图7 Φ150芯样完整

图8 Φ150芯样孔壁光滑

乳化沥青厂拌冷再生混料具有较好的高温稳定性能，其中乳化沥青、水泥和RAP料反应形成的胶浆体使混合料具有良好的粘结性和抗裂性。受环保因素影响，路面用碎石不断缩减，热拌沥青混合料成本大幅增长，路面维修改造中采用乳化沥青厂拌冷再生混合料替代常规热拌沥青混合料下面层，不但能缓解材料紧缺压力，同时节约路面维修成本，并最大程度的利用铣刨废料，绿色环保。