乳化瀝青冷再生技術(shù)在公路改造中的應(yīng)用研究

崔元龍

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西 孝義 032300）

隨著我國公路網(wǎng)的進(jìn)一步完善，公路建設(shè)未來對(duì)于公路養(yǎng)護(hù)、公路改造升級(jí)等方面的需求將進(jìn)一步增加[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，我國公路總里程達(dá)519.81萬km，其中高速總里程16.10萬km，公路養(yǎng)護(hù)里程514.4萬km，在公路里程中占比99%[2].大規(guī)模的公路養(yǎng)護(hù)、改造工程將會(huì)廢棄掉巨大的廢舊瀝青混合料資源[3]，而且對(duì)這些廢舊材料的處置也會(huì)造成環(huán)境污染?！笆奈濉币?guī)劃提出，要求對(duì)廢舊資源循環(huán)再生利用效率進(jìn)一步提高[4]。如何運(yùn)用合理的新技術(shù)、新材料、新工藝，更科學(xué)地實(shí)施公路養(yǎng)護(hù)、改造，提升公路使用品質(zhì)，延長(zhǎng)路面使用壽命，是目前亟需解決的重點(diǎn)問題。

乳化瀝青冷再生是指通過將瀝青乳化，無需加熱即可賦予其流動(dòng)性、拌和工作性，與廢舊回收料、新料、水、水泥等進(jìn)行拌和、鋪筑成型新結(jié)構(gòu)層，并恢復(fù)路面使用性能的技術(shù)[5]。乳化瀝青冷再生技術(shù)作為一種兼具社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的綠色道路維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)，應(yīng)用于工程中可降低公路建設(shè)成本、合理利用資源，對(duì)于公路建設(shè)意義重大。

本文依托山西某省道改造項(xiàng)目，通過配伍性試驗(yàn)進(jìn)行乳化瀝青選型，開展混合料配合比設(shè)計(jì)及性能研究，總結(jié)提煉冷再生路面施工工藝，并進(jìn)行施工質(zhì)量控制研究。

1 乳化瀝青配伍性

乳化瀝青的選型對(duì)于乳化瀝青冷再生技術(shù)尤為關(guān)鍵[6]，通過采用配伍性試驗(yàn)進(jìn)行比選，以保證乳化瀝青的活性與石料本身的惰性具有一定的匹配性、相容性。防止兩者化學(xué)反應(yīng)致使混合料拌和工作性差、裹覆不完全，或者兩者不易結(jié)合導(dǎo)致混合料膠結(jié)過慢，影響后續(xù)施工及養(yǎng)生成型。因此，在冷再生層開工前期需對(duì)乳化瀝青配伍性開展大量工作，以確保后期工序順利進(jìn)行。

1.1 拌和裹覆試驗(yàn)

初選 4種不同配方的乳化瀝青 E1、E2、E3、E4，按照經(jīng)驗(yàn)選取3.0%、3.5%、4.0%三個(gè)乳化瀝青用量作為平行試驗(yàn)對(duì)4種乳化瀝青進(jìn)行評(píng)價(jià)，在每種乳化瀝青、各用量條件下與待穩(wěn)定的混合料分別進(jìn)行試拌，待拌和完成后，每隔1 h觀察并記錄混合料的拌和裹覆情況、混合料的顏色及漿態(tài)。結(jié)果見表1。

表1 拌和裹覆試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)拌和試驗(yàn)結(jié)果，乳化瀝青與石料拌和后表面顏色與乳化瀝青本身顏色基本一致，呈褐色狀態(tài)，剛拌和完成的再生混合料裹覆較均勻，基本無花白料。隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，乳化瀝青E1、E2拌和裹覆狀態(tài)、工作性最好，E3乳化瀝青與石料間結(jié)合性差，存在漿體流淌現(xiàn)象，出現(xiàn)了花白料，E4乳化瀝青破乳較快，出現(xiàn)了早期部分黏結(jié)，不易于施工控制。

1.2 早期強(qiáng)度試驗(yàn)

選擇E1、E2兩組乳化瀝青配方，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制作試件，然后放置于25℃溫度環(huán)境下養(yǎng)生4 h。采用黏結(jié)力試驗(yàn)、磨耗試驗(yàn)分別來評(píng)價(jià)冷再生混合料內(nèi)部和表面的黏聚力成型情況，以判定其早期強(qiáng)度[7-8]。早期強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 黏結(jié)力和磨耗試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)黏結(jié)力、磨耗試驗(yàn)結(jié)果來看，采用乳化瀝青E1時(shí)磨耗損失率較采用E2時(shí)更小，僅為0.68%，且黏結(jié)力更大，實(shí)測(cè)值為218.7 g/cm2。說明采用E1的再生混合料表面和內(nèi)部整體的早期黏聚力形成狀況更好，在鋪筑成型早期開放交通的條件下，再生層表面和內(nèi)部抵抗荷載破壞作用能力較強(qiáng)一些[9]。

本文通過乳化瀝青配伍性試驗(yàn)比選，最終選擇乳化瀝青E1進(jìn)一步開展配合比設(shè)計(jì)及相關(guān)應(yīng)用研究。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

瀝青路面在運(yùn)營期間會(huì)受到交通荷載的作用，集料會(huì)存在一定程度的磨損及破碎，養(yǎng)護(hù)維修階段在對(duì)舊路面銑刨過程中由于刀頭的破碎作用，也會(huì)使得銑刨回收料級(jí)配細(xì)化。由于瀝青的膠結(jié)作用，銑刨回收料中細(xì)料大部分仍然會(huì)黏附于粗料顆粒中，因此在RAP級(jí)配中細(xì)料也存在欠缺。所以，銑刨回收料RAP在級(jí)配上最終會(huì)表現(xiàn)為粗細(xì)料均不足，而中間檔的集料較多。

本文中采用的銑刨回收料RAP由山西某省道改造項(xiàng)目原路面瀝青層銑刨獲取，并經(jīng)過破碎篩分，按10～30 mm、5～10 mm、0～5 mm三檔規(guī)格進(jìn)行級(jí)配控制。為提高舊料的重復(fù)利用率及再生混合料的穩(wěn)定性，新加集料選擇10～20 mm、0～5 mm兩種規(guī)格。同時(shí)添加礦粉以減小空隙率、改善拌和工作性，添加水泥來提高早期強(qiáng)度、調(diào)節(jié)乳化瀝青破乳速度[10]。根據(jù)設(shè)計(jì)文件及規(guī)范要求，冷再生混合料級(jí)配采用AC-20的級(jí)配范圍進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

各原材料的比例為 10～20 mm∶10～20 mm（RAP）∶5～10 mm（RAP）∶0～5 mm（RAP）∶0～5 mm∶礦粉∶水泥=12%∶27%∶20%∶19%∶18.5%∶2%∶1.5%.各規(guī)格銑刨料、礦料及水泥的篩分結(jié)果見表3，混合料的合成級(jí)配曲線如圖1。

表3 篩分試驗(yàn)結(jié)果

圖1 級(jí)配曲線

2.2 最佳含水率

雖然乳化瀝青呈液態(tài)，但想要更好地將其與集料拌和裹覆均勻依然存在難度，一般在拌和過程中會(huì)添加一定的預(yù)濕水量。拌和用水的添加可以使集料表面的摩擦力減小，易于混合料拌和，同時(shí)可使乳化瀝青拌和分散更均勻，冷再生混合料碾壓成型后更密實(shí)，性能更好。本文中采用的預(yù)估乳化瀝青用量為3.8%，通過變化拌和用水量，根據(jù)規(guī)范（JTG E40—2007）T0131中試驗(yàn)方法開展室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，確定最佳含水率。擊實(shí)曲線如圖2。

圖2 擊實(shí)曲線

由擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以計(jì)算出混合料的最佳用水量，根據(jù)關(guān)系曲線圖可得出最佳拌和用水為3.0%，最大干密度為2.228 g/cm3。此外，計(jì)算混合料的最佳含水率時(shí)還應(yīng)將乳化瀝青中的水及各檔原材料本身的含水率考慮在內(nèi)。擊實(shí)試驗(yàn)前對(duì)各檔原材料進(jìn)行了測(cè)定，原材料幾乎不含水，可忽略不計(jì)。乳化瀝青經(jīng)檢測(cè)固含量為60%，因此最佳含水率結(jié)果為3.0%+3.8%×（1-60%）=4.52%.

2.3 確定最佳瀝青用量

根據(jù)已經(jīng)確定的乳化瀝青、混合料配比及最佳含水率，每間隔0.3%選定5個(gè)乳化瀝青用量（3.2%、3.5%、3.8%、4.1%、4.4%）進(jìn)行拌和成型試件。首先分別計(jì)算出各乳化瀝青用量下對(duì)應(yīng)的拌和預(yù)濕水量，然后準(zhǔn)確稱量好各檔干料與水泥一起倒入拌和設(shè)備中攪拌30 s；按計(jì)算結(jié)果分別加入拌和用水，攪拌1 min，最后邊加入乳化瀝青邊進(jìn)行攪拌，乳化瀝青添加結(jié)束后再攪拌1 min。

將試件放置在60℃鼓風(fēng)烘箱進(jìn)行養(yǎng)生40 h后，再雙面各擊實(shí)25次，置于室溫環(huán)境12 h后脫模，然后分別對(duì)各組試件進(jìn)行干、濕劈裂試驗(yàn)。干劈裂試驗(yàn)：15℃水浴 2 h劈裂試驗(yàn)；濕劈裂試驗(yàn)：25℃浸泡22 h+15℃水浴2 h劈裂試驗(yàn)。按照再生規(guī)范（JTG/T 5521—2019）附錄F中的步驟及要求開展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 劈裂試驗(yàn)

由干、濕劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，乳化瀝青用量的提高，試件的劈裂強(qiáng)度結(jié)果會(huì)出現(xiàn)先升高后降低的過程，ITSR與乳化瀝青的關(guān)系曲線存在峰值。根據(jù)再生混合料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及規(guī)范中對(duì)干劈裂強(qiáng)度≥0.60 MPa、強(qiáng)度比≥80%的要求，本文中最終確定最佳乳化瀝青用量為3.8%，此時(shí)干劈裂強(qiáng)度結(jié)果為0.71 MPa，ITSR結(jié)果為91.5%，均可達(dá)到規(guī)范中提出的要求范圍。

2.4 性能檢驗(yàn)

由于冷再生混合料拌和成型過程中都有水的參與，后期水分消耗也必然會(huì)導(dǎo)致混合料內(nèi)部空隙產(chǎn)生[11]，乳化瀝青再生混合料試件空隙率的要求范圍為8%～13%.內(nèi)部空隙不密實(shí)將影響路面的使用性能，尤其是想要將冷再生用于面層時(shí)，需要對(duì)其凍融劈裂強(qiáng)度比和動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。性能檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 性能檢驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知，冷再生混合料試件的凍融劈裂強(qiáng)度比結(jié)果為82.5%，動(dòng)穩(wěn)定度檢測(cè)結(jié)果為6 012次/mm，均滿足規(guī)范中TSR≥75%，60℃動(dòng)穩(wěn)定度≥2 000次/mm的要求。

3 工程應(yīng)用

依托山西某省道改造項(xiàng)目，通過運(yùn)用乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)對(duì)舊路改造升級(jí)。由于超限、超載車輛多，重載交通運(yùn)輸需求較大，導(dǎo)致原路面破損嚴(yán)重，而且路面處于超齡服役、瀝青老化，已造成瀝青路面產(chǎn)生坑槽、網(wǎng)裂、推移等諸多病害，行車安全性差。該次改造方案為銑刨8 cm原瀝青路面，對(duì)下承層病害處理后，采用4 cm改性瀝青混凝土+8 cm特種改性乳化瀝青廠拌冷再生進(jìn)行修復(fù)。

3.1 施工工藝

該路面改造工程中特種改性乳化瀝青冷再生下面層施工工藝如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖

a）舊路銑刨 回收舊料前需要先封閉交通，然后銑刨原破損路面，銑刨過程中速度一般控制在4～6 m/min，具體根據(jù)銑刨回收料的級(jí)配進(jìn)行調(diào)整，以提高廢舊料的再生利用率。該項(xiàng)目前期采集了不同速度下的篩分結(jié)果，將最終銑刨速度選定為6 m/min。過程中通過勻速、穩(wěn)定作業(yè)，保證了銑刨回收料級(jí)配的穩(wěn)定。

b）舊料篩分 將舊路面銑刨回收料運(yùn)送至拌和站，篩分后分檔分別堆放。銑刨料堆放不超過3 m，避免內(nèi)部黏結(jié)成塊，并采取覆蓋遮擋處理。舊料篩分見圖5。

圖5 舊料篩分

c）配合比設(shè)計(jì) 對(duì)銑刨回收料開展配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定乳化瀝青用量等相關(guān)參數(shù)。

d）現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備 現(xiàn)場(chǎng)施工前封閉交通，進(jìn)行下承層表面的清理，采用稀漿封層達(dá)到密水效果。

e）拌和、攤鋪 采用專用冷再生拌和站進(jìn)行兩級(jí)拌和，見圖 6。將新料 10～20 mm、RAP（10～20 mm、5～10 mm）加入部分水、乳化瀝青進(jìn)行一級(jí)拌和，然后添加0～5 mm、水泥、礦粉、水及乳化瀝青二級(jí)拌和，確?；旌狭习韬凸簿鶆?。將拌制好的冷再生混合料運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)輸過程中覆蓋嚴(yán)密防止水分損失。采用福格勒2100攤鋪機(jī)進(jìn)行冷再生混合料的現(xiàn)場(chǎng)攤鋪，速度為2～3 m/min，攤鋪中防止發(fā)生離析。冷再生層現(xiàn)場(chǎng)攤鋪見圖7。

圖6 冷再生拌和站

圖7 冷再生層攤鋪

f）碾壓 在初壓過程中采用13 t雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，前靜后振碾壓兩遍，以保證混合料不會(huì)出現(xiàn)推移、輪跡等現(xiàn)象，碾壓速度控制在1.5～3 km/h；復(fù)壓采用2臺(tái)30 t輪胎壓路機(jī)進(jìn)行揉壓，確保冷再生混合料碾壓密實(shí)，頻次為6遍到8遍，速度為2～4 km/h；終壓采用2臺(tái)鋼輪壓路機(jī)碾壓，直至消除輪跡，確保路面冷再生層平整度，速度為2～3 km/h?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓見圖8。

圖8 冷再生層碾壓

g）養(yǎng)生 碾壓結(jié)束后自然養(yǎng)生，養(yǎng)生時(shí)間一般為7 d。至少應(yīng)封閉交通養(yǎng)生24 h后，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要適當(dāng)限制重型車輛通行。若遇雨天應(yīng)及時(shí)覆蓋冷再生層，避免雨水沖刷、浸泡對(duì)冷再生層強(qiáng)度成型造成影響。

3.2 施工質(zhì)量控制

a）室內(nèi)檢測(cè) 乳化瀝青冷再生混合料拌和裹覆均勻，拌和站出料正常后，在料車上均勻取料成型試件，進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)，與配合比設(shè)計(jì)階段混合料性能對(duì)比，判定拌和站拌料、出料是否正常。檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 室內(nèi)檢測(cè)結(jié)果

由表5可知，乳化瀝青冷再生混合料的各項(xiàng)性能均能很好地滿足相關(guān)規(guī)范中的技術(shù)要求。與配合比設(shè)計(jì)階段結(jié)果相比，劈裂強(qiáng)度、TSR、動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)略低一些，可能是由拌和站計(jì)量不夠精準(zhǔn)、取料過程水分蒸發(fā)、試驗(yàn)操作、溫度變化等因素造成的，但均滿足要求，再生混合料性能良好。

b）室外檢測(cè) 對(duì)冷再生層厚度、壓實(shí)度、滲水系數(shù)、鉆芯空隙率等進(jìn)行了檢測(cè)控制。冷再生層壓實(shí)結(jié)束后采用灌砂法檢測(cè)了壓實(shí)度，見圖9。由于冷再生層用于下面層，密水性對(duì)其路用性能及耐久性影響尤為重要，對(duì)冷再生下面層滲水系數(shù)進(jìn)行了抽檢。養(yǎng)生7 d后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆芯，見圖10，評(píng)價(jià)芯樣完整性，并檢測(cè)了芯樣的空隙率、劈裂強(qiáng)度。檢測(cè)結(jié)果見表6。

圖9 壓實(shí)度檢測(cè)

圖10 鉆取芯樣

表6 室外檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，冷再生下面層室外檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范中提出的要求。通過現(xiàn)場(chǎng)施工控制質(zhì)量，乳化瀝青冷再生層鋪筑厚度均勻，碾壓密實(shí)，密水性良好，鉆取的芯樣密實(shí)、完整。將乳化瀝青冷再生技術(shù)應(yīng)用于省道改造下面層工程可完全滿足其使用性能。

4 結(jié)語

本文中通過對(duì)乳化瀝青冷再生的相關(guān)試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

a）采用配伍性試驗(yàn)可進(jìn)行乳化瀝青選型，保證乳化瀝青與石料之間的匹配性和相容性。乳化瀝青E1拌和后裹覆全面、和易性好、漿體不流淌，表面磨耗損失為0.68%、內(nèi)部黏聚力為218.7 g/cm2，冷再生混合料拌和效果及早期黏聚力、強(qiáng)度成型更佳。

b）通過冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證，確定各檔原材料配比，最佳含水率結(jié)果為4.52%，最佳乳化瀝青用量為3.8%，凍融劈裂強(qiáng)度比為82.5%，動(dòng)穩(wěn)定度為6 012次/mm，冷再生下面層高溫抗車轍性及抗水損害性良好。

c）總結(jié)提煉乳化瀝青冷再生下面層施工工藝，并進(jìn)行質(zhì)量控制?，F(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)平均值99.4%，空隙率11.1%，冷再生層鋪筑厚度均勻，碾壓密實(shí)，密水性良好，芯樣密實(shí)、完整。乳化瀝青冷再生下面層各項(xiàng)指標(biāo)性能均良好，可完全滿足其使用性能。