許光孝, 胡 畔, 邵 晗

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

泡沫瀝青二次冷再生混合料不同穩(wěn)定劑的應(yīng)用

許光孝, 胡 畔, 邵 晗

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

分別采用泡沫瀝青與水泥作為穩(wěn)定劑對泡沫瀝青冷再生路面進(jìn)行二次冷再生試驗(yàn)研究.研究表明,以泡沫瀝青作穩(wěn)定劑進(jìn)行二次冷再生混合料設(shè)計(jì)形成的泡沫瀝青二次冷再生混合料,其抗拉性能、水穩(wěn)性能與二次冷再生混合料中細(xì)料含量有關(guān);高溫穩(wěn)定性能與銑刨料用量、銑刨料中瀝青老化程度以及二次冷再生混合料中細(xì)料含量有關(guān).以水泥作穩(wěn)定劑進(jìn)行二次冷再生混合料設(shè)計(jì),采用7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠很好地確定新添加骨料比例,適量的新添加骨料能明顯增大二次冷再生混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.根據(jù)室內(nèi)研究成果,對試驗(yàn)路段進(jìn)行輔筑,證明兩種二次冷再生技術(shù)可行,輔筑路段路用性能良好.

泡沫瀝青;水泥;冷再生混合料;配合比設(shè)計(jì);二次冷再生

泡沫瀝青冷再生技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù),近年來在我國迅速發(fā)展,但由于其在混合料配合比設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)、后期養(yǎng)護(hù)管理等方面經(jīng)驗(yàn)有所欠缺,早期修建的泡沫瀝青冷再生路面易出現(xiàn)不同程度的變形、車轍、水損害等早期損壞現(xiàn)象.早期修建的泡沫瀝青冷再生路面陸續(xù)進(jìn)入修復(fù)養(yǎng)護(hù)階段,如果直接將銑刨料(舊泡沫瀝青冷再生混合料)廢棄,大量的瀝青混合料不僅對環(huán)境造成嚴(yán)重污染,而且對于瀝青混合料本身也是一種資源的浪費(fèi).未來幾年內(nèi)我國公路建設(shè)將面臨大規(guī)模的泡沫瀝青冷再生路面大中修改造工程,為滿足我國公路維修養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)實(shí)國情,符合公路行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主題,如何將泡沫瀝青銑刨料變廢為寶,具有很強(qiáng)的研究應(yīng)用價(jià)值.

1 舊路面銑刨料研究

浙江省S102(02省道)杭昱線是杭州至昱嶺關(guān)的交通要道,是杭州與安徽黃山旅游區(qū)間黃金通道上的重點(diǎn)路段,在臨安市公路網(wǎng)中的地位十分重要.部分路段于2008年進(jìn)行泡沫瀝青冷再生大修工程改造,自建成通車以來,隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,其交通量增長迅速,沿線各類炒貨等食品廠區(qū)和工業(yè)廠區(qū)的增設(shè)、超限車輛的劇增,嚴(yán)重破壞了杭昱線的路況,主要破壞形式表現(xiàn)為車轍、水損等病害.

本次試驗(yàn)以浙江省S102(02省道)杭昱線為依托,展開泡沫瀝青銑刨料研究,并進(jìn)行二次冷再生試驗(yàn)路的鋪筑.對K73+900—K75+900段泡沫瀝青冷再生路面基層與面層分別進(jìn)行銑刨并取料,經(jīng)抽提后篩分發(fā)現(xiàn),泡沫瀝青基層銑刨料和面層銑刨料整體偏細(xì),如圖1所示,需加入適量粗集料調(diào)整級配.分析其原因,泡沫瀝青冷再生路面經(jīng)多年使用后其粗集料已發(fā)生破壞,并且在銑刨過程中,銑刨機(jī)對粗集料也產(chǎn)生破壞作用.此外,為提高泡沫瀝青二次冷再生混合料的密實(shí)性以及早期強(qiáng)度,需加入適量的石屑與水泥.

圖1 銑刨料經(jīng)抽提后合成篩分曲線Fig.1 Synthetic sieving curve of milling material after extraction

二次冷再生是指將基層泡沫瀝青銑刨料與面層銑刨料按合理比例進(jìn)行摻配,并加入一定量的新集料、水與穩(wěn)定劑,使其二次冷再生混合料滿足相關(guān)路用性能的要求[1].試驗(yàn)所用各種材料級配如表1所示.

表1 試驗(yàn)材料篩分級配Tab.1 Test materials’sieved gradation %

2 泡沫瀝青作穩(wěn)定劑二次冷再生配合比設(shè)計(jì)

2.1 級配組成設(shè)計(jì)

泡沫瀝青作穩(wěn)定劑進(jìn)行二次冷再生配合比設(shè)計(jì)時(shí),采用維特根冷再生手冊推薦使用的泡沫瀝青一次冷再生配合比上下限要求進(jìn)行設(shè)計(jì).本次實(shí)驗(yàn)參照泡沫瀝青一次冷再生銑刨料摻量[2],以大限度地利用銑刨料為目標(biāo)[3],進(jìn)行級配組成方案設(shè)計(jì).級配方案一:60%基層銑刨+20%面層銑刨+8.5%碎石+10%石屑+1.5%水泥;級配方案二:68%基層銑刨+22%面層銑刨+8.5%碎石+1.5%水泥;級配方案三:80%基層銑刨+17.5%碎石+1.5%水泥.

3種級配曲線如圖2所示,方案一共采用80%回收料,為增加其整體強(qiáng)度與密實(shí)度,分別加入8.5%碎石與10%石屑.方案二共采用90%回收料,為增加其整體強(qiáng)度,加入了8.5%碎石.方案三共采用80%回收料,且均為泡沫瀝青基層銑刨料,為增加整體強(qiáng)度,加入17.5%碎石.通過級配組成曲線可發(fā)現(xiàn),方案一中細(xì)料含量最多,方案二次之,方案三最少.此3種級配方案均滿足維特根冷再生手冊中推薦使用的上下限要求.為研究面層銑刨料與泡沫瀝青基層銑刨料對二次冷再生混合料的影響,本文將對此3種級配對應(yīng)的泡沫瀝青二次冷再生混合料力學(xué)性能進(jìn)行分析[4].

圖2 級配曲線圖Fig.2 Gradation curve

2.2 最佳拌和用水量的確定

泡沫瀝青二次冷再生混合料為滿足較好的拌和效果與壓實(shí)效果,在混合料進(jìn)行拌和與壓實(shí)過程中需加入適量的水.然而,過多或過少的拌和用水量均將影響混合料的拌和效果與壓實(shí)效果,進(jìn)而影響混合料的整體強(qiáng)度[5].因此,根據(jù)泡沫瀝青一次冷再生工程中的經(jīng)驗(yàn),在進(jìn)行泡沫瀝青二次冷再生混合料拌和時(shí)取最佳含水量的80%.

通過土工擊實(shí)試驗(yàn)獲得3種級配方案時(shí),泡沫瀝青二次冷再生混合料的最大干密度與最佳含水量如表2所示.

表2 擊實(shí)試驗(yàn)Tab.2 Compaction test

2.3 瀝青發(fā)泡與試件成型

目前,評價(jià)泡沫瀝青發(fā)泡效果的主要指標(biāo)為膨脹率與半衰期[6].本次試驗(yàn)采用鎮(zhèn)海AH-70瀝青拌制泡沫瀝青混合料,經(jīng)試驗(yàn)測得在發(fā)泡溫度為175℃、用水量為2.5%時(shí),瀝青發(fā)泡膨脹率為13倍,半衰期為15.3 s,說明已取得較好的發(fā)泡效果.在此條件下對每種方案級配分別添加1.5%,2%, 2.5%瀝青用量.

在室溫25℃左右將集料倒入拌和鍋,緩慢注入所需用水量,然后噴射泡沫瀝青,拌和完畢后立即成型馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件.自然條件下養(yǎng)生24 h后進(jìn)行脫模,再將試件放入40±2℃通風(fēng)箱內(nèi)養(yǎng)生72 h,取出試件后分別將3種級配方案所對應(yīng)的試件進(jìn)行干劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)[7].

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

路面各結(jié)構(gòu)層材料一般具有較高的抗壓強(qiáng)度,而抗拉、抗剪強(qiáng)度較弱[8].對于泡沫瀝青二次冷再生混合料,采用間接抗拉強(qiáng)度來評價(jià)混合料的抗拉性能[9].本試驗(yàn)對3種級配方案所對應(yīng)的泡沫瀝青二次冷再生混合料進(jìn)行干、濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)以及殘留強(qiáng)度比的測定.干、濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3—4所示,殘留強(qiáng)度比結(jié)果如下頁圖5所示.

圖3 二次冷再生混合料干劈裂強(qiáng)度Fig.3 Dry splitting strength of secondary cold recycled mixes

圖4 二次冷再生混合料濕劈裂強(qiáng)度Fig.4 Wet splitting strength of secondary cold recycled mixes

由試驗(yàn)結(jié)果分析,隨著瀝青含量的增多,混合料中自由瀝青含量不斷增加,當(dāng)瀝青含量達(dá)到某一最佳值后,隨著自由瀝青的增加將導(dǎo)致混合料之間粘聚力降低,干劈裂強(qiáng)度減小.同時(shí),隨著瀝青含量的增多,細(xì)料被裹附程度增大,混合料吸水能力降低,濕劈裂強(qiáng)度有增大的趨勢.方案三所對應(yīng)的二次冷再生混合料干劈裂強(qiáng)度和濕劈裂強(qiáng)度均很低,可能與再生混合料與泡沫瀝青結(jié)合方式有關(guān).泡沫瀝青與細(xì)集料結(jié)合形成瀝青砂漿,瀝青砂漿再以點(diǎn)焊的形式與更大粒徑集料相結(jié)合.方案三中沒有添加細(xì)料,未形成足夠的瀝青砂漿,且銑刨料用量比方案二中少10%,較低的細(xì)集料含量導(dǎo)致二次冷再生混合料抗拉強(qiáng)度較低.方案一所對應(yīng)的二次冷再生混合料干、濕劈裂強(qiáng)度、殘留強(qiáng)度比均較高,說明抗拉性能和水穩(wěn)性能均與混合料中細(xì)料的含量有一定關(guān)系.

圖5 二次冷再生混合料殘留強(qiáng)度比Fig.5 Residual strength ratio of secondary cold recycled mixes

馬歇爾穩(wěn)定度用以評價(jià)瀝青類混合料的高溫穩(wěn)定性能.本文對3種級配方案所對應(yīng)的混合料進(jìn)行60℃馬歇爾穩(wěn)定度測定,結(jié)果如圖6所示.

圖6 二次冷再生混合料穩(wěn)定度Fig.6 Stability of secondary cold recycled mixes

由試驗(yàn)結(jié)果分析,方案二所對應(yīng)的二次冷再生混合料使用高達(dá)90%的回收料,混合料中的瀝青含量最多,舊瀝青在60℃時(shí)粘性降低,導(dǎo)致二次冷再生混合料高溫穩(wěn)定性較差.方案一采用20%面層銑刨料與60%泡沫瀝青基層銑刨料以及新加入的石屑.方案三采用80%泡沫瀝青基層銑刨料,沒有加入石屑.兩種方案總的銑刨料使用量相同,但其高溫穩(wěn)定性有所差異.分析其原因,泡沫瀝青基層銑刨料經(jīng)過一次再生利用后,其混合料中的瀝青老化現(xiàn)象更為嚴(yán)重,泡沫瀝青基層銑刨料相對于面層銑刨料更接近于“黑石頭”的作用.通過試驗(yàn)說明二次冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性與銑刨料的用量、銑刨料中瀝青老化程度以及混合料中細(xì)料含量有關(guān).

由圖3—6,方案一所對應(yīng)的泡沫瀝青二次冷再生混合料干、濕劈裂強(qiáng)度均較高,殘留強(qiáng)度比在70%～80%范圍內(nèi),60℃馬歇爾穩(wěn)定度均在5 KN以上.同時(shí),在2%瀝青用量下,各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足路用性能要求,故本次S102杭昱線試驗(yàn)路的鋪筑采用方案一.

3 水泥作穩(wěn)定劑二次冷再生配合比設(shè)計(jì)

3.1 級配組成設(shè)計(jì)

為提高混合料強(qiáng)度,以水泥作穩(wěn)定劑進(jìn)行二次冷再生試驗(yàn),水泥的水化反應(yīng)以及水泥與顆粒之間的相互作用共同形成混合料的整體強(qiáng)度[10].原路面基層經(jīng)泡沫瀝青冷再生后,混合料中含有較多的瀝青顆粒及瀝青團(tuán)粒結(jié)構(gòu).為改善級配組成,本試驗(yàn)在原有材料基礎(chǔ)上,新添加一種碎石(19.5～31.5 mm),其篩孔通過率作為級配設(shè)計(jì)方案,如表3所示.

表3 碎石(19.5～31.5mm)篩分級配Tab.3 Gravel(19.5～31.5mm)sieved gradation

級配方案I:60%基層銑刨+20%面層銑刨+ 10%碎石+10%石屑;級配方案II:50%基層銑刨+ 16%面層銑刨+17%碎石+17%石屑;級配方案III:50%基層銑刨+16%面層銑刨+17%碎石+ 17%碎石(19.5～31.5 mm).

3種級配曲線如圖7所示,方案I、方案II均滿足普通水泥穩(wěn)定再生級配要求,方案III滿足骨架密實(shí)型級配要求.

3.2 最佳含水量與最大干密度確定

圖7 級配曲線圖Fig.7 Gradation curve

水泥作為穩(wěn)定劑發(fā)生水化反應(yīng)需要足夠的水,當(dāng)含水量過大時(shí),壓實(shí)過程中水泥漿易流失;含水量不足時(shí),導(dǎo)致水泥水化不完全,均不利于強(qiáng)度的形成.水泥穩(wěn)定中粒土和粗粒土作基層,水泥劑量在3%～7%之間;文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]在水泥穩(wěn)定瀝青路面銑刨料研究中水泥用量分別在4.0%～5.5%與4.0%～7.0%之間.參照文獻(xiàn)中水泥用量,本文擬選用4%,5%,6%的水泥添加量,通過土工擊實(shí)試驗(yàn)可以得出二次冷再生混合料的最佳含水量以及最大干密度,如表4所示.

表4 土工擊實(shí)試驗(yàn)Tab.4 Compaction test

由表4可看出,隨著水泥劑量的增加,最佳含水量不斷增加,最大干密度也在不斷增加.這是由于隨著水泥劑量的增加,水泥水化所需的水在不斷增加,并且水泥自身密度大于混合料密度.

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥作穩(wěn)定劑用于二次冷再生混合料最主要的指標(biāo)是7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其它指標(biāo)之間也具有較好的關(guān)系.因此,為評價(jià)二次冷再生混合料的性能并提供設(shè)計(jì)參數(shù),需選用7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來確定最佳新骨料的添加比例.強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

水泥作穩(wěn)定劑二次冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不高,導(dǎo)致整體強(qiáng)度不高,而新骨料的增加會導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加.由于原銑刨料中含有較多的瀝青顆粒及瀝青團(tuán)粒結(jié)構(gòu),瀝青裹附導(dǎo)致水分不能很好地在集料表面擴(kuò)散,影響水泥水化的形成,阻礙強(qiáng)度的形成與發(fā)展.新骨料的加入,即降低了瀝青的含量,可以有效提高強(qiáng)度.級配方案Ⅲ各水泥用量下所對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均最高,這是由于方案Ⅲ滿足骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的要求,其致密的結(jié)構(gòu)形態(tài)所對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比于其它兩個(gè)方案明顯較大.

水泥作穩(wěn)定劑二次冷再生混合料整體強(qiáng)度不高,但仍能滿足相關(guān)路用性能的要求,本次S102杭昱線試驗(yàn)路對級配方案Ⅱ和級配方案Ⅲ分別進(jìn)行試驗(yàn)路鋪筑.

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Tab.5 Unconfined compressive strength test

4 杭昱線試驗(yàn)路鋪筑

本試驗(yàn)分別以泡沫瀝青以及水泥作為穩(wěn)定劑進(jìn)行二次冷再生的研究,通過室內(nèi)試驗(yàn)確定其配合比組成,并進(jìn)行試驗(yàn)路的鋪筑.為控制二次冷再生混合料的均勻性,現(xiàn)場試驗(yàn)路鋪筑對于兩種再生技術(shù)均采用廠拌冷再生施工工藝.

泡沫瀝青作為穩(wěn)定劑進(jìn)行二次冷再生試驗(yàn)路攤鋪,攤鋪完成后即可進(jìn)行通車,并且在陰雨天氣下也不影響正常施工,如圖8所示.

圖8 泡沫瀝青作穩(wěn)定劑二次冷再生試驗(yàn)路Fig.8 Secondary cold regeneration test road with foamed bitumen as a stabilizer

水泥作穩(wěn)定劑進(jìn)行二次冷再生試驗(yàn)路攤鋪完畢后,要進(jìn)行封閉養(yǎng)護(hù),以增強(qiáng)其整體抗壓強(qiáng)度,如圖9所示(見下頁).

使用一年后進(jìn)行調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)兩種再生方法鋪筑的試驗(yàn)路段均成功地完成了承載要求,沒有出現(xiàn)任何早期損壞現(xiàn)象,如圖10—11所示.

圖9 水泥作穩(wěn)定劑二次冷再生試驗(yàn)路Fig.9 Secondary cold regeneration test road with cement as a stabilizer

圖10 泡沫瀝青作穩(wěn)定劑二次冷再生路面(一年后)Fig.10 Secondary cold regeneration pavement with foam asphalt as a stabilizer(after one year)

圖11 水泥作穩(wěn)定劑二次冷再生路面(一年后)Fig.11 Secondary cold regeneration pavement with cement as a stabilizer(after one year)

5 結(jié)束語

通過室內(nèi)試驗(yàn),采用兩種類別的穩(wěn)定劑——泡沫瀝青與水泥,初步探究了兩種混合料作為基層材料的相關(guān)性能.泡沫瀝青二次冷再生混合料的抗拉性能、抗水損能力、高溫穩(wěn)定性均能符合再生基層要求;而以水泥作為穩(wěn)定劑的二次冷再生混合料,其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也能滿足基層相關(guān)要求.通過現(xiàn)場試驗(yàn)路的鋪筑更加驗(yàn)證了兩種二次冷再生技術(shù)的可行性,且在一年后對試驗(yàn)路的調(diào)研中,二次冷再生路段路用性能良好.通過實(shí)際工程應(yīng)用,二次冷再生技術(shù)與傳統(tǒng)銑刨加鋪維修方法相比,明顯縮短了施工工期,并對資源進(jìn)行了最大限度的利用,減少污染物的排放,在經(jīng)濟(jì)上也有明顯的節(jié)約.本次二次冷再生室內(nèi)理論試驗(yàn)研究以及現(xiàn)場試驗(yàn)路的鋪筑,對于今后泡沫瀝青冷再生技術(shù)的發(fā)展有著重要的作用及指導(dǎo)依據(jù),為今后二次冷再生技術(shù)的發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn).

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(編輯:丁紅藝)

Application of Different Stabilizers in Secondary Cold-recycled Mixtures of Foamed Asphalt

XUGuangxiao, HUPan, SHAOHan
(School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Foamed bitumen and cement were respectively used as a stabilizer for foamed asphalt cold recycled roads to study the secondary cold recycling technology.The laboratory research results show that for the secondary cold recycled mixes with foamed bitumen as a stabilizer,their tensile properties and water-stable performance was related to the fines content in the mixes;the high temperature stability of secondary cold recycling mixes is related to the RAP(recycling asphalt pavement)content,the aging degree of asphalt and the fines content.Cement was adopted as a stabilizer in the second regeneration mix design,and the 7 d unconfined compressive strength was made in use to well determine the proportion of newly added aggregate.An appropriate new aggregate can significantly increase the 7 d unconfined compressive strength of mixes.Through the laboratory study and tested road application,the foundation of future development of the secondary cold recycling technology was laid.

foamed asphalt;cement;cold-recycled mixes;mix proportion design;secondary cold recycling

U 416.217

A

1007-6735(2015)05-0505-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.016

2014-07-22

許光孝(1989-),男,碩士研究生.研究方向:道路材料.E-mail:740787307@qq.com