冷再生瀝青路面材料結(jié)構(gòu)性能分析與成套施工技術(shù)

郭樹春

(中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

在我國交通事業(yè)快速發(fā)展時(shí)期，消耗了大量的瀝青、石料等原材料，同時(shí)帶來建后繁重的養(yǎng)護(hù)維修問題以及環(huán)境問題。大量舊瀝青路面材料的廢棄，再新鋪瀝青路面，不僅增加了養(yǎng)護(hù)成本，而且對(duì)環(huán)境造成不良影響，也面臨巨大的資源壓力。通過對(duì)舊瀝青路面材料(RAP)進(jìn)行回收、篩分，與一定比例的結(jié)合料混合進(jìn)行再生后作為下面層、基層、底基層材料，在最大限度利用原路面瀝青混合料的同時(shí)，節(jié)省大量的原材料(瀝青、粗細(xì)集料等)，不僅能夠降低公路工程的成本，而且具有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

銑刨料是采用銑刨機(jī)隨機(jī)選取某省道改建工程舊瀝青路面。剔除粒徑大于26.5 mm的銑刨料后，原銑刨料的篩分結(jié)果如表1所示。

表1 剔除粒徑大于26.5 mm的銑刨料后原銑刨料的篩分級(jí)配

再生混合料級(jí)配曲線如圖1所示。級(jí)配配合比為舊集料∶新集料(9.5～26.5)∶水泥∶ 礦粉=30%∶65%∶1.5%∶3.5%，非改性乳化瀝青摻量為3.0%～3.4%(外摻比例)、預(yù)加的水量2.0%～3.0%(外摻比例)。

圖1 再生混合料級(jí)配曲線

針對(duì)非改性乳化瀝青冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)，需要通過室內(nèi)試驗(yàn)，如劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、疲勞性能試驗(yàn)等，研究其再生瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量等參數(shù)。

1.1 劈裂強(qiáng)度

按照熱拌瀝青混合料的試驗(yàn)方法，對(duì)再生混合料進(jìn)行疲劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，其在溫度15 ℃條件下試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 再生混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，本試驗(yàn)的冷再生混合料劈裂強(qiáng)度最小值為0.75 MPa，均值為0.82 MPa，均滿足規(guī)范要求，且與AC-25混合料的劈裂強(qiáng)度中值基本相當(dāng)，表明乳化瀝青冷再生混合料與下面層熱拌瀝青混合料的抗彎拉性能基本相當(dāng)。

1.2 抗壓強(qiáng)度和回彈模量

按照熱拌瀝青混合料的試驗(yàn)方法，對(duì)冷再生瀝青混合料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析其抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量，結(jié)果表3如示。

由表3可知，再生瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度為2.49 MPa，抗壓回彈模量平均值為1 501.8 MPa(15 ℃)、1 276.2 MPa(20 ℃)，15 ℃時(shí)的最小值為1 467.5 MPa，均符合要求，并且與路面下面層熱拌瀝青混合料性能基本相當(dāng)?！豆窞r青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求在15、20 ℃時(shí)抗壓回彈模量分別為1 400～1 800、1 000～1 400 MPa。

表3 再生瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

1.3 疲勞性能試驗(yàn)

再生混合料疲勞控制參數(shù)

借助最基本的層狀力學(xué)分析軟件BISAR進(jìn)行理論分析，得到疲勞試驗(yàn)所需要的控制應(yīng)變。若疲勞作用次數(shù)滿足軸載作用次數(shù)的要求即認(rèn)為設(shè)計(jì)滿足要求，如不滿足則需要改變?yōu)r青路面結(jié)構(gòu)。在滿足了第1層次的設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上還需要滿足第2層次的超載設(shè)計(jì)要求，其思路參照第1層次。本次改建工程再生路面的等級(jí)為一級(jí)，荷載標(biāo)準(zhǔn)公路-I級(jí)及汽車-超20級(jí)，掛-120(利用老橋涵)，其結(jié)構(gòu)層如圖2所示。

圖2 乳化瀝青冷再生段加鋪后路面結(jié)構(gòu)

由圖2可知，上面層為4 cm厚的AR-AC13橡膠改性瀝青混凝土與6 cm厚的SUP25高性能瀝青混凝土；下面層包括4 cm厚的AC13細(xì)粒式瀝青混凝土與6 cm厚的AC25粗粒式瀝青混凝土。

針對(duì)路面結(jié)構(gòu)類型選取相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)荷載受條件進(jìn)行理論計(jì)算，相應(yīng)的層底拉應(yīng)變及彎沉計(jì)算結(jié)果見表4。再生層層底及舊瀝青層層底拉應(yīng)變均要小于100 με，故最小可取100 με作為疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變條件參數(shù)。

表4 理論計(jì)算結(jié)果

再生混合料疲勞試驗(yàn)

抗疲勞性能反映了路面瀝青混合料抵抗車輛荷載反復(fù)作用下彎拉應(yīng)力(應(yīng)變)的能力，可為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。采用“四點(diǎn)梁”疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞性能。疲勞試驗(yàn)以小梁試件勁度模量下降至初始勁度模量的50%為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到低控制應(yīng)變狀態(tài)下疲勞作用時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，根據(jù)力疊加原理，第2層次的超載設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)確定為150 με控制應(yīng)變，其他條件相同。分別選用150、200、300 με控制條件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

不同試驗(yàn)控制應(yīng)變條件下疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)年限車道預(yù)測(cè)累計(jì)當(dāng)量軸次為16 500 000次，當(dāng)相應(yīng)控制水平的疲勞試驗(yàn)累積作用次數(shù)高于此值時(shí)即判斷結(jié)構(gòu)可行。

圖3 疲勞作用次數(shù)與控制應(yīng)變關(guān)系

通過圖3回歸的疲勞作用次數(shù)和控制應(yīng)變的關(guān)系可得，100 με控制條件下疲勞累積作用次數(shù)為24 058 026次，能夠滿足設(shè)計(jì)交通量要求。針對(duì)考慮超載50%的情況，控制微應(yīng)變?yōu)?50 με，其疲勞累積作用次數(shù)為2 536 285次，占100 με控制微應(yīng)變的10.5%。

2 冷再生瀝青路面成套施工技術(shù)

結(jié)合廠拌冷再生瀝青混合料生產(chǎn)的實(shí)踐，重點(diǎn)從施工過程中原材料的破碎、篩分、拌和到乳化瀝青再生混合料的運(yùn)輸、攤鋪與碾壓等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，確保修筑出高質(zhì)量冷再生瀝青路面。在已有的瀝青混合料施工技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出更有利于乳化瀝青再生混合料的施工技術(shù)要求。

2.1 舊料(RAP料)破碎及篩分

在進(jìn)行冷再生瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)前，應(yīng)將原路面廢舊瀝青混合料(RAP料)進(jìn)行破碎并篩分，篩除RAP料中的團(tuán)塊，對(duì)篩余材料按粒徑大小進(jìn)行分類，以便再生瀝青混合料配置時(shí)進(jìn)行級(jí)配控制。

將原瀝青路面刨除的RAP料運(yùn)至拌和廠。由于銑刨工藝存在較大差異，RAP中常會(huì)摻雜一定比例的大顆粒RAP材料或者是RAP材料的成團(tuán)料，尤其是部分粗銑刨的情形。因此，RAP料運(yùn)至拌和廠后進(jìn)行集中破碎、篩分，并按一定的尺寸分級(jí)，宜采用10 mm方孔篩將原路面銑刨料分成粗細(xì)2種規(guī)格，用大尺寸篩(31.5 mm)對(duì)超尺寸顆粒進(jìn)行2次破碎。對(duì)原瀝青混合料破碎后，也可分成多級(jí)，用于再生料的級(jí)配設(shè)計(jì)，但不得使用未篩分的RAP料。

2.2 RAP料堆放和存儲(chǔ)

由于原路面混合料中瀝青的存在，RAP料在貯存一段時(shí)間后會(huì)形成較大尺寸的團(tuán)塊，尤其是在夏季高溫時(shí)。所以，RAP料堆放的高度不宜過高，貯存的時(shí)間不宜過長(zhǎng)，施工機(jī)械設(shè)備也不宜在RAP料堆上行走或停留。舊料破碎篩分的速度應(yīng)與再生瀝青混合料的拌和生產(chǎn)速度相協(xié)調(diào)，以使RAP料堆保持較小的貯存高度。同時(shí)RAP的含水量應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，特別是粒徑較小的RAP料，因此，對(duì)細(xì)規(guī)格的RAP材料，應(yīng)加覆蓋措施。

RAP材料應(yīng)堆放在堅(jiān)硬的場(chǎng)地上，并有良好的排水、防雨和通風(fēng)條件。RAP材料堆放附近嚴(yán)禁明火，并遠(yuǎn)離易燃物品。在堆放時(shí)，為防止出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象， RAP料堆高一般不超過2 m，且宜在進(jìn)料倉內(nèi)設(shè)破拱裝置，且當(dāng)天拌和結(jié)束后將料倉放空。氣溫較高時(shí)，銑刨料篩分容易導(dǎo)致篩網(wǎng)堵篩，篩分時(shí)應(yīng)避開銑刨料容易“粘黏”的高溫時(shí)段。

2.3 廠拌冷再生瀝青混合料施工工藝

再生料拌和

再生混合料的拌和系統(tǒng)可將RAP料、新集料、乳化瀝青、填料、水等均勻的拌和。其中RAP料、新集料的摻配比例由冷料倉的進(jìn)料速度進(jìn)行控制。混合料生產(chǎn)時(shí)各種原材料按照級(jí)配設(shè)計(jì)的用量加入到拌和鍋中，其拌和時(shí)間較熱拌瀝青混合料短。若混合料拌和時(shí)間長(zhǎng)，則粗集料表面瀝青易剝落，同時(shí)乳化瀝青可能會(huì)提前破乳，導(dǎo)致再生混合料的勁度模量過高。若再生混合料拌和不充分，可能會(huì)使集料不能完全均勻地被瀝青裹覆；但不必延長(zhǎng)拌和時(shí)間提高其裹覆程度，這是由于再生混合料在運(yùn)輸、攤鋪時(shí)，可進(jìn)一步提高裹覆程度。若集料難以被瀝青裹覆，則應(yīng)調(diào)整混合料的拌和方法。

生產(chǎn)過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控原材料的用量，施工前和施工時(shí)應(yīng)定期(每隔2 d)對(duì)再生瀝青混合料的組成成分進(jìn)行計(jì)量校驗(yàn)。拌和后不允許貯存冷拌的混合料。

運(yùn)輸

乳化瀝青的破乳時(shí)間應(yīng)能保證運(yùn)輸車輛有足夠的時(shí)間將拌和料運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)行攤鋪、碾壓。為避免部分再生混合料乳化瀝青提前破乳，在運(yùn)輸過程中應(yīng)進(jìn)行覆蓋。

下承層準(zhǔn)備

下承層應(yīng)密實(shí)平整，表面潔凈、無雜物等，強(qiáng)度符合要求。通過對(duì)舊路表面進(jìn)行拉毛處理，清理干凈后噴灑粘層油，提高原路面與再生層的粘接性和路面結(jié)構(gòu)的整體性。

再生混合料攤鋪

混合料攤鋪過程中，應(yīng)定期對(duì)混合料中的水和易揮發(fā)物含量進(jìn)行檢測(cè)、控制，采取強(qiáng)制通風(fēng)措施降低再生混合料中的水分含量，使再生料早強(qiáng)較快的形成，以利于再生混合料的碾壓；再生混合料攤鋪要求及機(jī)械同熱拌瀝青混合料。同時(shí)，混合料中合適的水可防止熨平板下的混合料發(fā)生“撕裂”、“脫空”等，熨平板也不必預(yù)熱，以防止水分散失過快而影響再生混合料的和易性。

再生混合料壓實(shí)厚度為每層不超過160 mm，多層鋪筑時(shí)宜在下層養(yǎng)生2～5 d后進(jìn)行鋪筑上層，攤鋪時(shí)氣溫不宜低于10 ℃。

再生混合料壓實(shí)

冷再生混合料的壓實(shí)機(jī)械、方法與熱拌瀝青混合料相似，一般采用鋼輪壓路機(jī)輪胎壓路機(jī)。冷再生混合料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)工藝為：初壓采取鋼輪壓路機(jī)，靜壓1～2遍;復(fù)壓采用高頻低幅方式振動(dòng)碾壓3～4遍后采用大噸位(23 t以上)的輪胎壓路機(jī)碾壓4～6遍; 終壓采用雙鋼輪壓路機(jī)碾壓，消除輪跡。

冷再生混合料松鋪厚度可根據(jù)試驗(yàn)段確定，以滿足壓實(shí)要求。由于乳化瀝青的材料特征，其與RAP料混合后，乳化瀝青顆粒表面與RAP料表面的電荷相互中和，瀝青顆粒之間相互聚集形成瀝青膜，早期時(shí)強(qiáng)度較小，隨著水分的蒸發(fā)，其強(qiáng)度逐漸增大。因此水分對(duì)再生混合料壓實(shí)具有較大影響，適量的水分有助于集料的潤(rùn)滑和壓實(shí)。經(jīng)過碾壓，水分?jǐn)D出，在路面形成一層薄薄的水膜；但水分含量過高會(huì)降低再生混合料密度，延長(zhǎng)其養(yǎng)生時(shí)間。

根據(jù)乳化瀝青破乳時(shí)間要求，再生瀝青混合料應(yīng)在攤鋪完成30 min內(nèi)開始碾壓；終壓應(yīng)不晚于攤鋪后1 h。

養(yǎng)生

隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，水分蒸發(fā)，瀝青膜強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)再生瀝青基層水分含量蒸發(fā)至低于2%時(shí)，方可鋪筑瀝青面層。養(yǎng)生期間應(yīng)封閉交通。

3 結(jié)語

本文在對(duì)冷再生瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)(劈裂強(qiáng)度、單軸壓縮、疲勞性能試驗(yàn)等)基礎(chǔ)上，通過研究冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)以及路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析確定疲勞試驗(yàn)參數(shù)，并結(jié)合公路交通量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行疲勞性能驗(yàn)算。從冷再生瀝青混合料的破碎、篩分、儲(chǔ)存到現(xiàn)場(chǎng)的攤鋪、碾壓等一系列工序進(jìn)行分析，形成了成套的施工技術(shù)工藝。

(1)同熱拌瀝青下面層混合料相比，乳化瀝青冷再生混合料的路面性能與其基本相當(dāng)，確定疲勞試驗(yàn)控制應(yīng)變參數(shù)為100 με，并通過疲勞試驗(yàn)與公路交通量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行的疲勞性能驗(yàn)算；

(2)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料路面施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，形成了成套的生產(chǎn)施工工藝。