泡沫沥青就地冷再生技术在哈同高速养护工程中的应用

2024-05-15王立超郝鹰鹏

黑龙江交通科技 2024年4期

王立超,郝鹰鹏

(黑龙江省交投公路建设投资有限公司,黑龙江哈尔滨 150001)

目前为止,黑龙江高速公路路网建设已完成80%,道路从以建设为主的阶段逐步转向以养护为主的阶段。在建设完成的高速公路中,70%的高速公路投入使用时间超过10年,25%的高速公路投入使用时间超过15年,表明大部分修建完成的道路达到设计使用年限。并且在长期的行车荷载、雨水侵蚀等各种不利影响因素的作用下,已达到设计寿命末期的沥青混合料性能逐渐衰减,病害逐渐发生,相继进入大修期,导致每年产生的废旧沥青混合料和基层粒料达数百万吨。为了对旧料加以利用,哈同高速公路路面大修工程采用了泡沫沥青就地冷再生技术,施工现场数据表明泡沫沥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,对原路面铣刨料进行100%再生,用作下面层。通过试验段实施,形成泡沫沥青就地冷再生标准化施工工艺,建立施工质量控制标准,为同类工程提供参考。

1 工程概况

哈同高速公路原路面结构为:5 cm AC-16中粒式沥青混凝土+6 cm AC-20中粒式沥青混凝土+6 cm AC-25粗粒式沥青混凝土+20 cm 6%水泥稳定碎石+30 cm 5%水泥稳定碎石。该道路路面投入使用以来,出现了龟裂、纵横裂缝、块状裂缝等多种路面病害。本项目为结构性修复处治,采用泡沫沥青就地冷再生技术对原路面沥青面层进行再生,再生利用率达100%,再生后沥青混合料作为道路下面层使用。

2 泡沫沥青混合料配合比设计

2.1 原材料

2.1.1 发泡用沥青

采用韩国SK-90号普通道路石油沥青,指标符合技术要求。

2.1.2 水泥

采用P·O 42.5水泥,指标符合技术要求。

2.1.3 RAP

现场采用泡沫沥青就地冷再生机按切削深度10 cm、铣刨速度 4 m/min 进行铣刨取样,回收沥青路面材料(RAP)100%再生,以9.5 mm筛孔为界将RAP分为两档,水泥用量1.5%,筛分试验结果如表1所示。

表1 两档矿料筛分试验检测结果

2.2 泡沫沥青冷再生混合料配合比设计

《公路沥青路面再生技术规范》建议泡沫沥青冷再生混合料的沥青用量宜在 1.5%～3.5%范围内。为使泡沫沥青混合料保持一定柔性,应严格控制水泥用量,水泥用量不宜超过1.5%,不应超过1.8%。相关研究表明,冷再生混合料的水泥掺量过低(<0.5%)时不能有效发挥其作用,因此选择水泥用量为1.5%。回收沥青路面材料(RAP)100%再生,以9.5 mm筛孔为界将RAP分为两档,筛分试验结果如表2所示。

表2 各矿料筛分试验检测结果

目标级配为中粒式级配,各类材料的组成比例及合成级配如表3所示。

表3 各矿料质量比例

2.2.1 最佳含水率确定

水作为一种媒介为泡沫沥青在矿质集料中的分散提供了通道,适量的水分会起润滑作用,不仅使得混合料易拌和均匀、成型压实,而且应使混合料中泡沫沥青具有均匀的分散性和良好的和易性。混合料中含水量过多或过少,都会对泡沫沥青的分散产生不利影响,应通过重型击实试验确定混合料的最佳含水量。按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020),对合成矿料进行击实试验,确定最佳含水率。试验分别按照3%、4%、5%、6%、7%五个含水率制备试件,闷料24 h后击实成型试件,称重后取样烘干测其含水率。试验结果如表4所示。

表4 击实试验结果

根据击实曲线,确定混合料最佳含水率为5.4%,对应最大干密度为2.01 g/cm3。

2.2.2 最佳发泡条件确定

按照《公路沥青路面再生技术规范》中附录C方法进行泡沫沥青发泡试验,使用发泡设备为Writgen公司生产的WLB10S型泡沫沥青发泡机。试验选择155、160、170 ℃三个温度条件,发泡用水量分别为1.5%、2.5%、3.5%,测试泡沫沥青的膨胀率与半衰期。

由试验结果可知,155 ℃条件下,发泡用水量大于2%时,泡沫沥青的膨胀率更大,同时泡沫的消逝速度也要慢于另外两个温度条件,因此,确定最佳发泡温度为155 ℃。

膨胀率满足要求的最小发泡用水量W为1.7%,试验中的发泡用水量均可满足半衰期要求,因此取W2为3.5%,则155 ℃条件下最佳发泡用水量为Wopt=(1.7%+3.5%)/2=2.6%,对应膨胀率和半衰期分别为16.5和20.6 s。

2.2.3 最佳泡沫沥青用量确定

按照合成级配中不同粒径RAP、水泥的掺加比例,将各组分混合拌匀,再加入根据重型击实试验确定的最佳含水率对应拌和用水量的水进行拌和,之后在最佳发泡条件下按照1.5%、1.9%、2.3%、2.7%、3.1%五个泡沫沥青用量加入泡沫沥青进行拌和。成型标准马歇尔试件,双面各击实75次。成型后在60 ℃条件下养生48 h,结束养生后常温下侧放12 h后脱模。之后测试试件的15 ℃劈裂强度和浸水24 h后的15 ℃劈裂强度,测试结果如表5所示。

表5 劈裂试验结果

在试验结果中,泡沫沥青冷再生混合料的15 ℃劈裂强度以及干湿劈裂强度比均体现出先增大后减小的趋势,二者峰值均出现在泡沫沥青用量2.1%～2.5%之间。最终确定最佳泡沫沥青用量为2.3%,对应15 ℃劈裂强度为0.55 MPa,干湿劈裂强度比为93.04%。

2.2.4 水泥用量确定

在混合料中添加一定量的水泥可以提高冷再生料的早期强度及水稳定性,但是水泥用量过大会对混合料性能带来负面影响。泡沫沥青冷再生混合料设计过程中,应严格控制水泥用量,水泥用量不宜超过1.5%,不应超过1.8%。

利用扫描电镜研究了水泥对泡沫再生料强度的影响机理, 泡沫沥青混凝土未掺加与掺加1.5%水泥的微观形态如图1、图2所示。

图1 未掺加水泥时

图2 水泥用量1.5%时

由图1、图2可知:不掺加水泥的混合料中胶浆与集料粘结且形态光滑,在冷再生料中添加水泥后集料表面被水泥的水化产物包裹,并且水泥水化后的生产物呈现“簇状”结构,分布不具规律性。其簇状结构将沥青胶浆与集料锚固在一起,大大增强了集料表面与胶浆的粘结效果。进一步说明,水泥的加入增强了冷再生料内部的粘结效果,提升了冷再生料的水稳定性,但是由于其整体性能增强,低温条件下的变形能力降低,所以水泥含量的增大会降低冷再生料的低温抗裂性能。水泥水化的产物会在冷再生料中产生“加筋”作用,在微观上其“加筋”提高了集料之间的粘结强度,从宏观上看,水泥的水化产物提高了冷再生料的强度。

3 泡沫沥青冷再生现场施工工艺

通过室内试验设计,确定了泡沫沥青冷再生目标配合比设计方案,目标级配为中粒式级配,各类材料的组成比例及合成级配如表6所示。

表6 目标配合比设计结果

按设计级配、最佳含水率、最佳泡沫沥青用量成型试件,并对试件在室内进行冻融劈裂试验、车辙试验、劈裂强度试验,试验结果如表7所示。

表7 目标配合比沥青混合料性质

通过试验得到泡沫沥青用量为2.3%时,泡沫沥青混合料试件冻融劈裂强度比为83.6%,60 ℃动稳定度4 573次/mm,符合规范要求,本次配合比设计结果可用于泡沫沥青混合料的施工指导。

(1)总体施工方案。

采用W380CR就地再生机进行泡沫沥青再生混合料的现场拌和,采用ABG423摊铺机摊铺。

(2)施工前的准备工作。

封闭交通、准备原道路、清扫路表杂物、清除路表积水。

(3)旧路面铣刨。

冷再生机行进速度应根据路面损坏状况和再生深度进行调整,一般为6～10 m/min,使得铣刨后料的级配波动范围不大。网裂严重地段应采用较慢速度。

(4)下承层准备。

对铣刨后的路面进行清扫,把夹层和松动的材料清扫干净,然后采用微创注浆方式对老路路基进行处理,修补路基结构内部病害,恢复老路路基强度性能。

(5)摊铺机准备。

标定钢丝悬挂高度,准备摊铺机摊铺厚度基准面。

(6)摊铺。

采用ABG423摊铺机摊铺。再生好的混合料由再生机机载输料带输送到紧跟后方的摊铺机中,摊铺机料斗要匹配再生机的出料速度。摊铺机速度宜为3～5 m/min。应保证连续、均匀、不间断地摊铺,并使混合料在布料槽中的高度保持在中轴以上。

(7)碾压。

按照“紧跟慢压”的原则进行碾压,碾压组合、碾压遍数根据首件工程确定,初压速度宜控制在3 km/h以内,复压和终压速度宜控制在6 km/h以内。

(8)纵向接缝的处理。

每日施工完成均应设置纵向施工接缝,采用切割机对每日施工接缝处进行切割处理,再次施工时,在接缝处涂刷不粘轮乳化沥青,保证接缝处的粘结强度。施工时,对接缝处进行人工补料,接缝处的级配应细一些,保证接缝处的压实度。

(9)养生。

按照规定的频率检测成品路面的压实度,压实度满足要求后,开始不少于7 d的养生,待含水率低于2%或取出完整芯样二者满足其一时,便可提前结束养生,喷洒不粘轮乳化沥青,铺筑中面层。

4 施工质量质量控制与检测

在完成目标配合比设计的基础上,在哈同高速K127+200～K132+200段进行了泡沫沥青就地冷再生试验段施工,并对就地冷再生后的路面进行路用性能检测,检测项目为压实度检测、水洗干筛筛孔通过率,检测结果如表8,表9所示。

表8 路面压实度实测值

表9 筛孔通过率检测试验结果

检测结果表明压实度满足规范要求。

(1)合格率分析。

筛分数据表明,除了26.5 mm筛孔外,不同施工位置处筛孔通过率均满足要求。

(2)质量评分分析。

水洗筛分筛孔通过率总体质量评分为99.92分,其中19 mm筛孔通过率质量评分为99.5分,9.5、4.75、2.36、0.3、0.075 mm筛孔通过率质量评分均为100分,如表10所示。

表10 筛孔通过率质量评分计算结果

5 环境效益及经济效益

5.1 环境效益

根据沥青路面材料能耗及排放定额和单位热值消耗分析结果,测算单位质量泡沫沥青就地冷再生相比于普通沥青AC-25的节能减排效益如表11所示。

表11 单位质量乳化沥青厂拌冷再生节能量及减排量

分析表11可知,泡沫沥青就地冷再生相比于普通沥青AC-25的节能量为6.51 kgce/t,二氧化碳减排量为6.35 kg/t。

5.2 经济效益

改性SMA-13综合单价为1700元/m3,改性AC-16综合单价为1 300元/m3,改性AC-20综合单价为1 200元/m3;AC-20综合单价为1 100元/m3,AC-25综合单价为1 000元/m3,就地冷再生沥青混合料综合单价为420元/m3。残值统一用8年后的残值计算,新材料按70%计算,再生材料按50%计算,折现率为7%。经过测算,得到8年内三种结构每公里费用成本如表12所示。