二次就地?zé)嵩偕鸀r青路面性能及經(jīng)濟(jì)效益研究

陳 濤，洪盛祥，王鴻森,黃九達(dá),張 楊

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019； 2. 新型道路材料國家工程研究中心，南京 211112)

瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)可實現(xiàn)舊料的再次利用，節(jié)約資源，減少污染，符合國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)[1-3]。目前，許多早期實施的就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)工程已產(chǎn)生了二次養(yǎng)護(hù)的需求，而一次就地?zé)嵩偕?簡稱“一次再生”)后，再次養(yǎng)護(hù)多以銑刨重鋪處治，難以實現(xiàn)舊料的再次利用，因而已有學(xué)者開始探索二次就地?zé)嵩偕?簡稱“二次再生”)技術(shù)[4-6]。二次再生技術(shù)在設(shè)計理念上與一次再生無異，關(guān)鍵在于處理一次再生后集料級配細(xì)化和瀝青老化的問題，難點在于實現(xiàn)集料級配恢復(fù)和瀝青性能恢復(fù)。目前，針對二次再生混合料性能、工程應(yīng)用效果以及二次再生后路面后期性能衰變情況的相關(guān)研究及應(yīng)用觀測較少，養(yǎng)護(hù)經(jīng)濟(jì)效益難以估算，而這些都是管養(yǎng)部門關(guān)注的重點[7-8]。本文在一次再生混合料的基礎(chǔ)上，通過添加適當(dāng)?shù)男铝虾驮偕鷦?，恢?fù)瀝青混合料的級配和性能，同時引入路面預(yù)銑刨工藝，摻加更多新料，提升二次再生瀝青混合料的性能，并在實際工程中應(yīng)用，跟蹤觀測其應(yīng)用效果并評估其經(jīng)濟(jì)效益。

1 一次再生后路面材料性能研究

1.1 級配變化

為分析一次再生后路面材料的性能變化，進(jìn)行取樣對比試驗研究。取樣的一次再生路段已實施5年，所使用的集料是改性瀝青AC-13S，對比路段是鄰近的歷史上未再生(同時也未養(yǎng)護(hù))的路段，使用集料同樣為AC-13S。一次再生路段和未再生路段取樣試驗結(jié)果如表1所示，一次再生路段和未再生路段級配如圖1所示。

圖1 一次再生路段和未再生路段級配

表1 一次再生路段和未再生路段取樣試驗結(jié)果

由表1和圖1可知，相較于未再生路段，一次再生后AC-13S在2.36 mm、4.75 mm和9.5 mm篩孔的通過率均有一定程度的提高，級配存在一定程度的細(xì)化，而未再生的AC-13S級配更趨向于S形曲線。

1.2 回收瀝青性能

為評價一次再生后的瀝青性能，檢測一次再生路段回收舊瀝青的三大指標(biāo)，回收瀝青試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，與未再生路段相比，一次再生路段回收瀝青的針入度、延度均有所下降，軟化點有所提升，可知經(jīng)過一次再生的施工加熱等操作后，瀝青變硬、變脆，老化較明顯。根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)，一次再生料瀝青滿足進(jìn)一步再生要求。

表2 回收瀝青試驗結(jié)果

1.3 一次再生瀝青性能

向一次再生瀝青中摻入1%～4%的再生劑并進(jìn)行三大指標(biāo)試驗，再生劑的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示，摻加再生劑后一次再生瀝青的三大指標(biāo)試驗結(jié)果如表4所示。由表4可知，摻入再生劑后，回收瀝青的性能得到了一定的改善，針入度和延度均有提升。摻加4%的再生劑后，一次再生瀝青的三大指標(biāo)試驗結(jié)果達(dá)到《瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(DB32/T 3134—2016)中的再生要求。

表3 再生劑的主要技術(shù)指標(biāo)

表4 摻加再生劑后一次再生瀝青的三大指標(biāo)試驗結(jié)果

2 二次再生配合比設(shè)計

2.1 預(yù)銑刨工藝

進(jìn)一步細(xì)化二次再生集料級配。瀝青已經(jīng)歷過一次再生老化，若采用傳統(tǒng)就地?zé)嵩偕に嚕瑑H考慮車轍修復(fù)而摻加新料，摻加比例較小，形成的二次再生混合料存在后期性能快速衰減的風(fēng)險。因而，為保證二次就地?zé)嵩偕旌狭闲阅芊€(wěn)定，通過預(yù)銑刨工藝，預(yù)銑刨部分原路面，以摻加更多新料。

結(jié)合相關(guān)工程的施工經(jīng)驗，現(xiàn)場采用邊側(cè)預(yù)銑刨工藝，計劃通過預(yù)銑刨添加25%的新料，預(yù)銑刨車道邊側(cè)寬1 m、厚4 cm的區(qū)域(上面層)。擬實施二次再生路段現(xiàn)場車轍深度為10 mm，根據(jù)《瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(DB32/T 3134—2016)提出的計算方法，修復(fù)車轍的新料摻入量為13%(外摻)，合計新料外摻比例為38%(即新料內(nèi)摻比例28%)。

2.2 新料級配設(shè)計

初選兩種二次再生合成級配如圖2所示。分析可知，二次再生合成級配相比一次再生級配更趨向于S形曲線，更加嵌擠密實。摻入4%的再生劑，按照新料內(nèi)摻比例28%成型馬歇爾試件，兩種級配試件馬歇爾試驗結(jié)果如表5所示。合成級配1和合成級配2的空隙率分別為4.4%和4.3%，礦料間隙率分別為15.8%和16.1%，飽和度分別為72.1%和73.3%，體積指標(biāo)均滿足技術(shù)要求且差異性較小，結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗，選擇合成級配1為設(shè)計級配。

圖2 兩種二次再生合成級配

表5 兩種級配試件馬歇爾試驗結(jié)果

2.3 確定最佳油石比

以4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的新料油石比分別成型馬歇爾試件，試件體積指標(biāo)檢測結(jié)果如表6所示，并繪制各項指標(biāo)與油石比的關(guān)系曲線如圖3所示。

表6 試件體積指標(biāo)檢測結(jié)果

(a) 密度隨油石比變化曲線

(b) 穩(wěn)定度隨油石比變化曲線

(c) 空隙率隨油石比變化曲線

(d) 流值隨油石比變化曲線

(e) 飽和度隨油石比變化曲線

(f) 最佳油石比確定圖3 各項指標(biāo)與油石比的關(guān)系曲線

分析可知，OAC1(最佳新瀝青摻量)為4.95%，OAC2為4.94%，OAC1與OAC2的均值為5.0%，定為新料最佳油石比。

2.4 混合料性能檢驗

根據(jù)二次再生混合料配合比設(shè)計結(jié)果進(jìn)行性能檢驗，并與一次再生混合料(兩個斷面試驗結(jié)果記為一次再生①、一次再生②)進(jìn)行對比，再生混合料性能檢驗結(jié)果如表7所示。由表7可知，一次再生混合料兩個斷面的穩(wěn)定度分別為14.05 kN、14.35 kN，兩個斷面的動穩(wěn)定度分別為5 039次/mm、4 838次/mm，二次再生混合料穩(wěn)定度為15.61 kN，動穩(wěn)定度為5 239次/mm。綜上，二次再生混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及高溫穩(wěn)定性可達(dá)到一次再生性能水平，動穩(wěn)定度指標(biāo)略有提高，高溫性能有所提升。

表7 再生混合料性能檢驗結(jié)果

3 工程應(yīng)用效果

3.1 工程實施效果

根據(jù)本次配合比設(shè)計結(jié)果，在江蘇省某高速公路應(yīng)用二次就地?zé)嵩偕夹g(shù)，同時引入預(yù)銑刨1 m寬工藝。該高速公路為雙向四車道，瀝青面層厚度為17 cm，實施二次就地?zé)嵩偕穆范卧?年前實施過一次就地?zé)嵩偕?，隨著交通量日益增加，出現(xiàn)了輕微車轍和少量橫向裂縫病害，樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用(PSSI)為100，路面損壞狀況指數(shù)(PCI)為91，為處治病害并提高路面行駛質(zhì)量，實施二次就地?zé)嵩偕?，實施長度為800 m。

實施二次再生AC-13S，二次再生路段現(xiàn)場以200 m為間隔共檢測6處，二次再生路段現(xiàn)場檢測結(jié)果如表8所示。

表8 二次再生路段現(xiàn)場檢測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，路面平整度(σ)為0.7 mm、滲水系數(shù)為18 mL/min、構(gòu)造深度為0.8 mm、摩擦系數(shù)(BPN)為64，均滿足技術(shù)要求，表明實施效果良好。現(xiàn)場實施效果如圖4所示。

3.2 案例跟蹤觀測

統(tǒng)計江蘇省近年來的二次再生應(yīng)用案例以及一次再生、銑刨重鋪養(yǎng)護(hù)后的車轍深度和橫縫數(shù)量指標(biāo)變化，以便直觀反映路面材料高溫抗車轍和低溫抗裂性能，車轍深度變化趨勢如圖5所示，橫縫數(shù)量變化趨勢如圖6所示。從車轍指標(biāo)來看，一次再生路段的車轍指標(biāo)在5～6年衰減至養(yǎng)護(hù)前水平，銑刨重鋪路段車轍指標(biāo)在7～8年衰減至養(yǎng)護(hù)前的水平，而二次再生路段目前已觀測4年左右，未衰減至養(yǎng)護(hù)前水平，預(yù)期車轍保持效果也可達(dá)到5年以上。從橫縫數(shù)量來看，一次再生路段的橫縫數(shù)量在前期2年內(nèi)發(fā)展較平緩，中期3～4年發(fā)展較快，后期趨于平穩(wěn)；與一次再生、銑刨重鋪相比，二次再生路段中期橫縫發(fā)展較快，可能與二次再生瀝青老化相關(guān)，但目前也保持了4年養(yǎng)護(hù)效果。總的來說，二次再生養(yǎng)護(hù)效果可以保持4～5年，基本能達(dá)到一次再生水平。

圖6 橫縫數(shù)量變化趨勢

4 經(jīng)濟(jì)效益

從室內(nèi)試驗及工程應(yīng)用結(jié)果來看，二次再生路用性能可以達(dá)到一次再生水平?；谌珘勖芷诶砟睿捎?5年的分析期對二次再生經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，并與銑刨重鋪進(jìn)行對比。測算經(jīng)濟(jì)效益包括初建費用、養(yǎng)護(hù)費用以及殘值，并考慮貼現(xiàn)率8%。

4.1 初建費用

以單車道1 km進(jìn)行測算，常規(guī)就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)費用為26萬元，摻加約25%的新料(以AC-13S為例)，將增加11萬元，即二次再生初建費用為37萬元，銑刨重鋪(以AC-13S為例)費用則為54萬元。

4.2 養(yǎng)護(hù)費用

計算分析期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)費用，需主要考慮大中修養(yǎng)護(hù)，結(jié)合養(yǎng)護(hù)措施效果跟蹤及工程經(jīng)驗，再生壽命以5年計算，銑刨重鋪壽命以7年計算?？紤]到二次再生后材料性能衰減的風(fēng)險，二次再生后采用銑刨重鋪，而后采用一次再生，分析期內(nèi)養(yǎng)護(hù)費用如表9所示，考慮貼現(xiàn)率8%。

表9 分析期內(nèi)養(yǎng)護(hù)費用

4.3 殘值

按照《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計規(guī)范》(JTG 5421—2018)中的計算方式分析期末殘值如表10所示，考慮貼現(xiàn)率8%。

表10 分析期末殘值

4.4 經(jīng)濟(jì)效益

參考《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計規(guī)范》(JTG 5421—2018)中的費用現(xiàn)值指標(biāo)(PVC)進(jìn)行評價，不考慮道路使用者費用，PVC經(jīng)濟(jì)效益如表11所示。

表11 PVC經(jīng)濟(jì)效益 (萬元)

二次再生PVC為73萬元，銑刨重鋪PVC為83萬元。與銑刨重鋪相比，二次再生全壽命周期內(nèi)減少了14%左右的經(jīng)濟(jì)投入，經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，就地?zé)嵩偕軌蛱岣呓ㄖU料利用率，節(jié)約自然資源，減少碳排放，具有良好的環(huán)境效益。

5 結(jié)論

本文對二次再生瀝青路面的性能及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1) 一次再生后混合料中的集料級配會出現(xiàn)細(xì)化、瀝青變硬變脆的情況，在加入適當(dāng)?shù)男铝弦约霸偕鷦┖?，仍可滿足再生的要求。

(2) 通過邊側(cè)預(yù)銑刨施工工藝，可提高二次再生新料摻量至38%，以更好地保證二次再生混合料的性能。

(3) 二次再生混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和高溫性能均能達(dá)到一次再生后的性能水平。觀測結(jié)果顯示，二次再生工程應(yīng)用效果良好，可延長4～5 年的路面使用年限。

(4) 二次再生養(yǎng)護(hù)措施與銑刨重鋪相比，全壽命周期內(nèi)可減少14%的養(yǎng)護(hù)經(jīng)費投入，同時環(huán)境效益顯著。