基于路面芯樣的就地熱再生工程應(yīng)用效果評價

李 俊，李明亮，武 昊

(交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引 言

瀝青路面在通車運營過程中，由于受到交通荷載和氣候環(huán)境的持續(xù)作用，路面材料性能會不斷衰減，導(dǎo)致路面產(chǎn)生車轍、裂縫和破損等病害，從而影響路面的正常使用。當路面性能衰減到一定程度時，需要及時養(yǎng)護，以免病害大規(guī)模出現(xiàn)而縮短路面的使用年限。

就地熱再生是一種連續(xù)的現(xiàn)場作業(yè)方式，可以100%利用現(xiàn)有舊料，不需要使用新的砂、石和瀝青等原材料，也不會產(chǎn)生廢舊瀝青混合料。與傳統(tǒng)的銑刨重鋪相比，就地熱再生具有顯著的節(jié)能減排效益，而且成本上僅占傳統(tǒng)銑刨重鋪方式的30%～40%。就地熱再生維修時只需封閉1個車道，最大限度地減少了路面維修給交通帶來的干擾和影響。就地熱再生作為一種綠色養(yǎng)護技術(shù)，近年來在瀝青路面養(yǎng)護工程中得到大量應(yīng)用[1]。

根據(jù)再生工藝的不同，就地熱再生可以分為整形再生、復(fù)拌再生和加鋪再生。無論采用哪種再生工藝，再生瀝青混合料的材料組成均會對其路用性能和施工質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響[2]。新瀝青混合料摻量對再生瀝青混合料級配產(chǎn)生的影響較大，摻量的選擇受到機械狀況、原路面狀況等影響，而且再生混合料合成級配越偏離RAP級配，摻量變化產(chǎn)生的影響就越顯著，因此控制級配變異性是提高就地熱再生施工質(zhì)量的有效做法[3-5]。再生劑在整個再生瀝青混合料中的用量很少，但是其對再生瀝青混合料水穩(wěn)定性和低溫抗裂性的影響十分顯著[6-7]。就地熱再生的加熱、銑刨、拌和攤鋪等現(xiàn)場施工工藝亦會對就地熱再生路面的施工質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響，尤其是再生混合料的拌和均勻性，是路面施工質(zhì)量影響因素的重中之重[8-10]。采用就地熱再生技術(shù)對路面進行養(yǎng)護，可能會對路面的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性產(chǎn)生不利影響，但是可以一定程度提高路面的抗車轍能力，這從路面通車后的車轍發(fā)展狀況可以得到驗證[11-12]。SMA作為一種骨架密實結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，其“三多一少”的材料組成特性給再生利用帶來了難度，胡宗文等、楊彥海等、趙博等分別對SMA再生瀝青混合料的路用性能進行了研究[13-15]。于玲等則采用層次分析法通過路面破損狀況指數(shù)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)、路面車轍深度指數(shù)以及路面抗滑性能指數(shù)對就地熱再生路面使用性能進行后評估[16]。

由以上分析可知，關(guān)于就地熱再生路面的材料組成設(shè)計、混合料性能、施工質(zhì)量控制以及特殊瀝青混合料再生等方面已有較多的研究成果，也有學(xué)者從路面使用性能指數(shù)的角度對就地熱再生工程應(yīng)用效果進行后評估。但是針對就地熱再生路面材料性能的研究，目前主要采用再生瀝青混合料室內(nèi)成型試件的方式，基于成品路面通過取芯對其實施效果進行評價的研究仍較少。

1 試驗設(shè)計

1.1 工程概況

本文分別在G233國道揚州段和S264省道揚州段2條干線公路上取芯，通過路面芯樣對就地熱再生工程的應(yīng)用效果進行評價。

2017年10月底，在G233國道上、下行超車道(K57+436～K58+100)及上行行車道(K63+250～K65+350)車轍發(fā)展嚴重的路段進行就地熱再生專項處治。2016年11月底，在S264省道雙向K113+100～K113+725進行就地熱再生專項處治。取芯時G233國道為再生后1年，S264省道再生后2年。2條干線公路均為2層面層結(jié)構(gòu)，下層混合料類型為AC-20。

1.2 試驗方案

以相鄰路段銑刨重鋪方案作為對比，分別在就地熱再生段落內(nèi)挑選淺車轍和深車轍斷面鉆取芯樣，開展抽提篩分試驗、馬歇爾穩(wěn)定度試驗以及劈裂試驗，對就地熱再生路面的混合料材料組成、高溫穩(wěn)定性以及抗開裂性能等材料性能進行評價。

取芯情況見表1，其中馬歇爾穩(wěn)定度試驗經(jīng)歷了高溫水浴養(yǎng)生的過程，可以一定程度上評價路面的高溫穩(wěn)定性和抵抗水損壞能力。劈裂試驗屬于間接拉伸試驗，可以一定程度上評價路面的常溫抗裂性。表1中HIR(Hot In-place Recycling)代表就地熱再生，MR(Milling-Repaving)代表銑刨重鋪，Deep代表深車轍，Shallow代表淺車轍。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抽提篩分試驗

抽提篩分試驗結(jié)果見表2，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)推薦的SMA-13和AC-13礦料級配范圍見表3。

由抽提篩分試驗結(jié)果可知，對于銑刨重鋪斷面，除了0.075 mm篩孔通過率偏大之外，整體礦料級配曲線良好，基本處在AC-13級配范圍之內(nèi)。對于就地熱再生斷面，從礦料級配組成來看，混合料級配更接近于AC-13，但是其細集料含量較多，接近或超過上限，尤其是0.075 mm篩孔通過率明顯超過上限。此外，就地熱再生混合料的油石比大于AC-13的經(jīng)驗值。就地熱再生路面富油和多細集料的配合比對路面的長期高溫穩(wěn)定性不利，這從路面通車1～2年后局部位置即發(fā)生了嚴重的車轍病害可以得到驗證。

表1 典型斷面路面芯樣信息

注：Φ100 mm芯樣6個，其中3個用于馬歇爾穩(wěn)定度試驗，3個用于劈裂試驗；Φ300 mm芯樣2個，用于抽提篩分試驗。

表2 不同斷面芯樣抽提篩分試驗結(jié)果

表3 規(guī)范推薦的礦料級配范圍

2.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中“T 0710—2011 瀝青路面芯樣馬歇爾試驗”的相關(guān)規(guī)定，進行路面芯樣的馬歇爾試驗，并對試驗結(jié)果進行修正。修正后的馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果見表4，以及如圖1～3所示。

由圖1～3可知，銑刨重鋪和就地熱再生路面芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度均大于8 kN，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)相關(guān)的技術(shù)要求。對于不同車轍深度的路面芯樣，雖然氣候條件和交通量狀況均差異不大，但是深車轍斷面的馬歇爾穩(wěn)定度要明顯小于淺車轍斷面，表明路面結(jié)構(gòu)的材料性能對抗車轍性能影響顯著。

表4 不同斷面芯樣馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

圖1 G233銑刨重鋪斷面馬歇爾穩(wěn)定度

圖2 G233就地熱再生斷面馬歇爾穩(wěn)定度

圖3 S264就地熱再生斷面馬歇爾穩(wěn)定度

對于G233國道，銑刨重鋪上面層的馬歇爾穩(wěn)定度要大于就地熱再生上面層，這與銑刨重鋪采用新瀝青混合料，而就地熱再生采用再生瀝青混合料有關(guān)。但是現(xiàn)場測試表明所取銑刨重鋪斷面的車轍深度要大于就地熱再生斷面，通過對比不同養(yǎng)護措施下斷面下面層的馬歇爾穩(wěn)定度可知，銑刨重鋪斷面下面層的馬歇爾穩(wěn)定度要小于就地熱再生斷面，表明下承層高溫性能不良同樣能對路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性產(chǎn)生不利影響。因此在舊路面病害處治時，除了對病害發(fā)生層位進行處治之外，需對下承層性能進行評價，必要時也對下承層進行處治。

此外，通過對比G233國道和S264省道就地熱再生路面芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度可知，S264路面芯樣要明顯好于G233國道，與G233國道銑刨重鋪的馬歇爾穩(wěn)定度相當。這與S264省道就地熱再生路面通車2年，但是車轍深度小于G233國道就地熱再生路面通車1年的實際狀況吻合。

2條干線公路就地熱再生路面的使用狀況表明，設(shè)計、施工良好的就地熱再生路面可以改善路面的抗車轍性能，達到與銑刨重鋪路面相當?shù)乃健?/p>

2.3 劈裂試驗

按照中國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中“T 0716—2011 瀝青混合料劈裂試驗”相關(guān)規(guī)定，進行路面芯樣的劈裂試驗，試驗結(jié)果見表5，以及圖4～6所示。

表5 不同斷面芯樣劈裂強度試驗結(jié)果

圖4 G233銑刨重鋪斷面劈裂強度

圖5 G233就地熱再生斷面劈裂強度

圖6 S264就地熱再生斷面劈裂強度

由圖4～6可知，銑刨重鋪和就地熱再生路面芯樣的劈裂強度均大于1.2 MPa，即《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2006)附錄E推薦范圍的下限。銑刨重鋪路面芯樣的劈裂強度整體上要大于就地熱再生路面，尤其是淺車轍斷面，銑刨重鋪路面芯樣明顯優(yōu)于就地熱再生路面。這與再生路面瀝青老化較嚴重，抗開裂性能衰減程度較大有關(guān)。

3 結(jié) 語

(1)取芯斷面的再生路面礦料級配偏細，細集料含量偏多，尤其是0.075 mm篩孔通過率超出AC-13瀝青混合料的級配上限，并且再生混合料的油石比偏大，導(dǎo)致再生路面通車1～2年后即產(chǎn)生較嚴重的車轍。

(2)采用就地熱再生技術(shù)對車轍嚴重路段進行處治，可以改善舊路面的高溫穩(wěn)定性。設(shè)計、施工良好的就地熱再生路面的馬歇爾穩(wěn)定度與銑刨重鋪路面相當。但是下承層的高溫性能對路面結(jié)構(gòu)的整體抗車轍能力影響顯著，高溫性能不良的下承層，即便上面層性能良好，仍會產(chǎn)生較大的車轍。

(3)再生路面的瀝青老化程度較銑刨重鋪路面嚴重，礦料級配組成也不如銑刨重鋪路面良好，因此再生路面的劈裂強度小于銑刨重鋪路面，導(dǎo)致其抗開裂性能差于后者。