泡沫沥青就地冷再生基层配合比设计与性能研究

丁亚会,林 杰,张鸿斌,张登峰

(1.锡林郭勒盟交通建设工程质量监测中心,锡林浩特 026000;2.锡林郭勒盟交通运输事业发展中心,锡林浩特 026000;3.锡林浩特市公路养护中心,锡林浩特 026000;4.武理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉 430070)

1 项目概况

水泥稳定碎石基层泡沫沥青冷再生技术是通过专用设备现场制备泡沫沥青材料并喷洒在铣刨无机回收料(RAI)中,沥青泡沫崩裂转化后分散在集料表面并产生黏结力。拌入了泡沫沥青的矿料经二次拌和、摊铺、碾压成型,形成新的具有半柔性的基层结构,该再生结构层不仅性能稳定可靠,还可调整路面结构层应力扩散形式,使得路面结构组合得到最大限度的优化,延长路面使用年限。泡沫沥青就地冷再生技术近乎全部利用了旧路材料,降低了公路养护成本,减少了废弃物排放,是近年来公路养护施工中应用较为广泛的养护方式之一。国道207线宝昌至正蓝旗段大中修养护工程全长26 km,其中需要对旧路基层补强处理的不连续段落占50%以上。如采用传统的旧路基层挖除再重铺基层的养护工艺,工程量大、施工周期长且产生大量废弃料无法再利用,造成极大的物料浪费,不经济也不环保。经咨询各方意见,确定该项目病害路段旧路基层补强工艺设计采用泡沫沥青水稳基层就地冷再生技术工艺。

2 原材料性能试验

2.1 基层铣刨料性能

项目实施前用维特根WR2500S型大厚度铣刨机进行全深度铣刨,一次铣刨深度25 cm。经过50 m试验段铣刨调试及取样试验,按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[1]进行水洗法筛分及回收集料理化性能试验。基层铣刨回收料(RAI)的粒径分布如表1所示,铣刨料理化性能如表2所示。

表1 RAI颗粒级配分析试验结果 w/%

表2 RAI材料性能试验结果

从表1中可以看出,铣刨料粒径整体偏细,大于19 mm以上粗集料含量偏少,小于2.36 mm以下细集料部分较多,混合料通过率满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521—2019)[2]无机结合料再生混合料Ⅱ型级配要求,但19 mm、0.6 mm、0.075 mm筛孔已超出Ⅰ型级配范围上限,需要补充部分粗集料来改善合成级配才能满足Ⅰ型级配要求。

2.2 沥青材料

2.2.1 基质沥青

制备泡沫沥青的基质沥青选用中油辽河石化公司生产的90号重交通道路石油沥青,其主要性能见表3。

表3 90号石油沥青主要性能试验结果

2.2.2 泡沫沥青

为使泡沫沥青施工性能达到最优,先在试验室进行泡沫沥青的发泡试验,采用LHFP-101型专用发泡试验机,进行不同温度、不同用水量条件下的发泡特性试验,确定与项目所用基质沥青适应性良好的发泡温度、用水量、膨胀率、半衰期等参数。《工程施工废弃物再生利用技术规范》(GB T50743—2012)发泡沥青技术指标要求膨胀率>10倍、半衰期>8 s[3]。项目泡沫沥青发泡特性试验结果如表4所示,变化趋势如图1～图3所示。

表4 沥青发泡试验数据

由表4沥青发泡试验结果结合图1～图3曲线可以看出:

1)在160 ℃发泡时,容许膨胀率10倍时对应用水量w1=2.0%,容许半衰期8 s对应发泡用水量w2=2.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(2.0%+2.75%)/2=2.4%,从图1中可查出在2.4%发泡用水量时,对应的膨胀量约为15%,半衰期约为11 s。

2)在165 ℃发泡时,容许膨胀率10倍时对应用水量w1=1.75%,容许半衰期8 s对应发泡用水量w2=3.0%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.75%+3.0%)/2=2.4%,从图2中可查出在2.4%发泡用水量时,对应的膨胀量约为16倍,半衰期约为12 s。

3)在170 ℃发泡时,容许膨胀率10倍时对应用水量w1=1.4%,容许半衰期8 s对应发泡用水量w2=1.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.4%+1.75%)/2=1.6%,从图3中可查出在1.6%发泡用水量时,对应的膨胀率约为11倍,半衰期约为8 s。

通过不同温度下的沥青发泡试验,170 ℃发泡时,最佳用水量为1.6%,半衰期虽然大于8 s,但是发泡效果不佳。在160 ℃和165 ℃时发泡效果相差不大,但165 ℃下的膨胀率和半衰期要优于160 ℃时效果,推荐90号沥青的发泡温度确定为165 ℃,最佳发泡用水量为2.4%。

2.3 水泥

为保证再生基层的早期强度和路用性能,需要在再生基层混合料中添加适量的水泥以促进基层强度的提高。项目采用阿巴嘎旗冀东水泥PSA32.5级矿渣硅酸盐水泥,初凝时间255 min,终凝时间320 min,其他指标符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》[4]相关技术要求。

2.4 新碎石集料

表1结果表明,现场铣刨料整体偏细,虽然满足Ⅱ型再生级配范围要求,但其再生混合料路用性能需要进一步研究。要使现有铣刨料的颗粒级配满足Ⅰ型级配范围要求,需新掺加碎石粗集料,结合项目实地材料情况,确定所掺新碎石的粒径规格为10～30 mm,新集料颗粒级配如表5所示。

表5 10～30 mm碎石颗粒级配筛分试验结果 w/%

3 配合比设计

3.1 级配设计

根据表1 RAI颗粒级配和表5新料颗粒级配筛分结果,以Ⅰ型级配范围为合成目标进行再生水稳基层的级配合成。经计算机拟合分析计算,新集料与RAI按照质量比15%∶85%时,新再生混合料满足Ⅰ型级配范围,合成再生混合料曲线见图4。以全铣刨RAI为第二个再生级配,进行再生混合料基本性能试验,通过级配合成试验,选定外掺水泥剂量为1.5%。

3.2 最佳含水率

按1.5%的水泥剂量,泡沫沥青按照2.0%、2.5%、3.0%、3.5% 四个掺量,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51—2009)[5]分别进行标准重型击实试验。确定不同沥青掺量条件下对应的最大干密度和最佳含水率,两组级配重型击实结果见图5、图6。

由图5、图6可以看出,掺15%新集料的Ⅰ型级配最大干密度2.162,最佳含水率5.4%;Ⅱ型级配(全RAI料)最大干密度2.059,最佳含水率5.8%,可见掺加了新集料后,混合料中RAI占比减少,混合料击实密度增加,用水量减少。

3.3 最佳沥青用量

根据两种级配混合料重型击实试验结果,以试验最佳含水率的60%～80%作为再生混合料最合理的拌合用水量,分别拌制2.0%、2.5%、3.0%、3.5%四个泡沫沥青用量下的水泥稳定基层再生混合料,再按照(JTG/T5521—2019)规定试验方法(双面击实75次)成型试件,并将试件放置于60 ℃温度环境下不脱模养生48 h,测试试件性能,试验结果见表6、图7～图9。

表6 不同泡沫沥青用量下混合料性能

由表6、图7～图9可以看出:

1)随着沥青用量增加,混合料劈裂强度均先增大后减小,在3.0%用量附近时达到最大值,说明适宜的泡沫沥青用量能增加再生混合料的强度,也说明过少或过多的泡沫沥青会影响再生混合料的路用性能[6]。泡沫沥青用量过少,不能充分的包裹集料,混合料间黏结强度低,易造成试件松散;泡沫沥青用量过多,沥青胶浆富集在集料颗粒界面及矿料间隙中产生润滑效果,在荷载作用下结构层易产生失稳破坏,导致再生混合料强度及性能下降[7]。

2)图7 Ⅰ型级配劈裂强度峰值对应沥青用量为2.8%,图9劈裂强度比峰值对应沥青用量3.0%,计算最佳沥青用量为2.9%。图8 Ⅱ型级配劈裂强度峰值对应沥青用量为3.0%,图9劈裂强度比峰值对应的泡沫沥青用量均为3.2%。计算最佳沥青用量为3.1%。

3)试验数据表明,在相同沥青用量条件下,掺新料再生混合料强度均优于全RAI再生混合料性能,推荐项目冷再生施工用级配采用Ⅰ型掺15%新集料的再生混合料级配。

4 结 论

a.沥青发泡试验结果表明,项目90号道路石油合适的发泡温度范围为160～165 ℃,推荐现场施工时采用165 ℃发泡,最佳发泡用水量为2.4%。

b.再生混合料重型击实试验结果显示,掺15%新集料的Ⅰ型级配最大干密度2.162,最佳含水率5.4%;Ⅱ型级配(全RAI料)最大干密度2.059,最佳含水率5.8%。

c.不同沥青用量再生混合料劈裂强度试验,Ⅰ型级配最佳沥青用量2.9%。Ⅱ型级最佳沥青用量3.1%。相同泡沫沥青用量条件下,掺新料Ⅰ型再生混合料强度均优于全RAI再生混合料Ⅱ型级配,推荐冷再生施工用级配采用Ⅰ型掺15%新集料再生混合料级配,水泥掺量1.5%,最佳沥青用量2.9%,拌合用水量根据RAI含水率在最佳用水量基础上按照±1%控制调整。