泡沫瀝青就地冷再生基層施工技術(shù)與質(zhì)量控制

王曉飛, 丁蘋蘋, 張鴻斌, 魏 歡

(1.西烏珠穆沁旗交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心,巴拉嘎爾高勒 026200; 2.錫林浩特市公路養(yǎng)護(hù)中心, 錫林浩特 026000;3.武理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)是采用專用冷再生機(jī)組直接將基層銑刨料、新集料、泡沫瀝青、水、水泥按試驗(yàn)室設(shè)計(jì)配合比現(xiàn)場(chǎng)銑刨混和,再經(jīng)就地拌合、攤鋪、碾壓、養(yǎng)生等系列工藝形成新的半柔性再生基層結(jié)構(gòu)。該技術(shù)100%利用了舊路材料,且再生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠,同時(shí)降低了養(yǎng)護(hù)工程成本,是道路養(yǎng)護(hù)工程常用的施工方案之一。國(guó)道307線西烏旗至白音華段養(yǎng)護(hù)工程全長(zhǎng)24.8 km,設(shè)計(jì)舊路基層補(bǔ)強(qiáng)處理段12.6 km,涉及舊路水穩(wěn)基層需挖除量約30 000 m3。如采用傳統(tǒng)的挖除重鋪水穩(wěn)層工藝,工程量大、工期長(zhǎng),且影響交通行車安全。同時(shí),舊水穩(wěn)挖除產(chǎn)生的廢棄料如不加以利用也是極大的浪費(fèi)。有鑒于此,項(xiàng)目決定采用泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)對(duì)基層補(bǔ)強(qiáng)段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

1 原材料性能

1.1 基層銑刨料

項(xiàng)目采用維特根WR2500S型銑刨機(jī)對(duì)舊路路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行全厚度銑刨,一次銑刨深度25 cm。經(jīng)過試驗(yàn)段的試銑刨工作,確定銑刨機(jī)的各項(xiàng)工作參數(shù),并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)銑刨料進(jìn)行取樣試驗(yàn),分析了基層水穩(wěn)銑刨料的顆粒級(jí)配,銑刨料的粒徑分布如表1所示。

表1結(jié)果表明,經(jīng)過銑刨機(jī)刀頭破碎的基層料整體偏細(xì),>19 mm以上粗集料含量約10%,含量偏少,<4.75 mm以下細(xì)集料部分約占銑刨料的50%以上,細(xì)料偏多,且混合料通過率不滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T5521—2019)[1]無機(jī)結(jié)合料再生混合料I型級(jí)配要求,其19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.6 mm、0.075 mm篩孔已超出范圍上限,需要補(bǔ)充部分粗集料來改善合成級(jí)配。

表1 基層銑刨料粒徑分布結(jié)果

1.2 瀝青材料

1.2.1 基質(zhì)瀝青

制備泡沫瀝青的基質(zhì)瀝青選用盤錦90號(hào)道路石油瀝青,其主要性能為:針入度93(0.1 mm)、延度(15 ℃)>100 cm、軟化點(diǎn)46.5 ℃、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)后質(zhì)量變化-0.09%、殘留針入度比78.4%、殘留延度(10 ℃)16.5 cm。

1.2.2 泡沫瀝青

采用WLB-10型發(fā)泡試驗(yàn)機(jī),在試驗(yàn)室進(jìn)行160 ℃、165 ℃、170 ℃下的發(fā)泡試驗(yàn),用水量按照1.5%、2.0%、2.5%、3.0%控制,確定瀝青的最佳發(fā)泡溫度、用水量、膨脹率、半衰期等參數(shù)?！豆こ淌┕U棄物再生利用技術(shù)規(guī)范》(GB T50743—2012)發(fā)泡瀝青技術(shù)指標(biāo)要求膨脹率>10倍、半衰期>8 s[2]。項(xiàng)目泡沫瀝青發(fā)泡特性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 瀝青發(fā)泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果,采用內(nèi)插法分別計(jì)算出不同發(fā)泡溫度下膨脹率>10倍、半衰期>8 s時(shí)的用水量結(jié)果和該發(fā)泡溫度下的最佳用水量,再根據(jù)計(jì)算最佳用水量查找相對(duì)應(yīng)的發(fā)泡瀝青膨脹率和半衰期結(jié)果:

1)發(fā)泡溫度160 ℃時(shí),膨脹率10倍時(shí)用水量w1=2.0%,半衰期8 s時(shí)用水量w2=2.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(2.0%+2.75%)/2=2.4%,計(jì)算得2.4%用水量對(duì)應(yīng)膨脹量為15倍,半衰期為11 s。

2)發(fā)泡溫度165 ℃時(shí),膨脹率10倍時(shí)用水量w1=1.75%,半衰期8 s時(shí)用水量w2=3.0%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.75%+3.0%)/2=2.4%,計(jì)算得2.4%發(fā)泡用水量時(shí)對(duì)應(yīng)膨脹量約為16倍,半衰期為12 s。

3)發(fā)泡溫度170 ℃時(shí),膨脹率10倍時(shí)用水量w1=1.4%,半衰期8 s時(shí)用水量w2=1.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.4%+1.75%)/2=1.6%,計(jì)算得1.6%用水量對(duì)應(yīng)的膨脹量約為11倍,半衰期為8 s。

根據(jù)瀝青發(fā)泡試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果,170 ℃發(fā)泡時(shí),最佳用水量1.6%,膨脹量11倍,半衰期8 s。165 ℃發(fā)泡時(shí),最佳用水量2.4%,膨脹量16倍,半衰期12 s。160 ℃發(fā)泡時(shí),最佳用水量2.4%,膨脹量15倍,半衰期11 s。表明在165 ℃下的發(fā)泡膨脹率和半衰期效果最好,該項(xiàng)目所用90號(hào)瀝青的發(fā)泡溫度確定為165 ℃,最佳發(fā)泡用水量為2.4%。

1.3 水泥

采用錫林浩特中聯(lián)PSA32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥,初凝時(shí)間260 min,終凝時(shí)間330 min,其他指標(biāo)符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》[3]相關(guān)技術(shù)要求。

1.4 新集料

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)地碎石材料情況,摻用10～30 mm碎石,集料顆粒級(jí)配如表3所示。

左小龍雖然在每擰下一次油門的時(shí)候都會(huì)把大帥的摩托車和自己的西風(fēng)做比較，然后唏噓，但是他依然執(zhí)著的向著……不知道什么地方開去。他只是在想，他熱愛自己的家園，但如果每天能做的只是發(fā)射鵝卵石，未免太過英雄氣短。但他轉(zhuǎn)念一想，每個(gè)人都有自己的報(bào)仇方式，有些人報(bào)仇為了報(bào)仇，有些人報(bào)仇為了悅己。況且這些不是仇恨，只是恨。

表3 新?lián)剿槭Y分試驗(yàn)結(jié)果

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

以I型級(jí)配范圍為合成目標(biāo),結(jié)合表1、表3篩分結(jié)果進(jìn)行再生水穩(wěn)基層的級(jí)配合成。經(jīng)計(jì)算機(jī)擬合計(jì)算,新集料與銑刨料按照質(zhì)量比15%∶85%摻配時(shí),再生混合料曲線滿足級(jí)配范圍,合成通過率如表4所示。根據(jù)再生規(guī)范要求,選定外摻水泥用量為1.5%。

表4 再生基層合成通過率結(jié)果

2.2 最佳含水率和最佳瀝青用量

水泥用量1.5%,泡沫瀝青用量2.0%、2.5%、3.0%、3.5%,依照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE51—2009)[4]分別進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn),確定混合料最大干密度和最佳含水率。并以最佳含水率的80%作為再生混合料拌合用水量,分別拌制不同瀝青用量下的再生混合料,依照J(rèn)TG/T5521—2019試驗(yàn)方法成型試件并養(yǎng)生,到期后測(cè)試試件15 ℃及浸水24 h后15 ℃劈裂強(qiáng)度,重?fù)魧?shí)試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖1所示。

表5 不同瀝青用量下混合料重?fù)魧?shí)試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表5重?fù)魧?shí)試驗(yàn)結(jié)果可知,再生混合料最大干密度隨著瀝青用量的增加先變大后減小,在瀝青用量3.0%時(shí)干密度出現(xiàn)峰值為2.162,最佳含水率5.4%。 圖1劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知:混合料干、濕劈裂強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)瀝青用量均為3.0%,隨著瀝青用量增加,劈裂強(qiáng)度先增大后減小,在3.0%附近時(shí)達(dá)到最大值,說明適宜的泡沫瀝青用量能增加再生混合料的強(qiáng)度,過少或過多的泡沫瀝青會(huì)影響混合料的路用性能。試驗(yàn)確定該項(xiàng)目再生基層混合料最佳含水量5.4%,最大干密度2.162,最佳瀝青用量3.0%。

3 施工工藝與質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

泡沫瀝青就地冷再生基層施工流程如圖2所示。

3.2 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)施工準(zhǔn)備階段

施工人員進(jìn)場(chǎng)后,組織技術(shù)人員編制詳細(xì)的施工組織方案,并進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)和施工技術(shù)交底。人員做到定崗定責(zé),各司其職。試驗(yàn)室做好前期配合比設(shè)計(jì)工作,確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)施工材料用量和質(zhì)量控制參數(shù),如泡沫瀝青最佳發(fā)泡溫度、最佳用水量、再生混合料最大干密度、最佳用水量、最佳瀝青用量、每平米新碎石攤鋪量、水泥灑布量等,并把控好原材料質(zhì)量關(guān)[5]。

2)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備階段

確定基層補(bǔ)強(qiáng)段封閉段長(zhǎng)度,一個(gè)封閉段按0.5～1.0 km控制。做好測(cè)量放樣及作業(yè)面清理工作,在施工區(qū)域兩端設(shè)置顯著減速標(biāo)識(shí)及專職安全員引導(dǎo)社會(huì)交通。

3)鋪面材料用量計(jì)算

通過舊路基層鉆芯取樣,測(cè)得舊路基層平均芯樣密度ρ=2.08 t/m3,平均芯樣厚度h=19.0 cm,按照新碎石∶銑刨料=15%∶85%的比例,外加水泥1.5%,補(bǔ)強(qiáng)段每m2碎石和水泥鋪布量分別為

M碎石= 2.08×0.19×1×1 000×15/85=69.74 kg/m2

(1)

M水泥=(2.08×0.19×1×1 000+69.74)×1.5/98.5=7.08 kg/m2

(2)

根據(jù)計(jì)算的補(bǔ)強(qiáng)段每m2碎石和水泥用量,采用專門的碎石布料車和水泥布料車分層將碎石和水泥逐層平鋪在作業(yè)面上,先鋪碎石層,再鋪水泥層,使水泥均勻地分布在新碎石間隙中。

4)設(shè)備就位

WR2500S冷再生機(jī)最大工作深度50 cm、最大工作寬度250 cm。養(yǎng)護(hù)路段平均施工深度23 cm、半幅施工寬度450 cm。冷再生機(jī)縱向分兩幅施工,銑刨深度一次到位,相鄰兩幅重疊20～30 cm,拌和機(jī)行進(jìn)速度3～6 m/min控制,瀝青冷再生機(jī)與瀝青罐車、灑水車縱向串聯(lián)在一起停在養(yǎng)護(hù)路段起點(diǎn)待命。

5)銑刨施工

施工時(shí)應(yīng)確保每一封閉路段從加水銑刨到壓實(shí)結(jié)束的時(shí)間,應(yīng)保證在水泥初凝前完成。根據(jù)再生機(jī)組工作速度、半幅施工所分幅數(shù)以及誤工損耗,將施工現(xiàn)場(chǎng)每150～200 m劃為一個(gè)施工段落。再生機(jī)對(duì)基層銑刨料、新碎石、水泥、泡沫瀝青、水進(jìn)行充分拌和。泡沫瀝青由專用瀝青發(fā)泡機(jī)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡后通過管道連續(xù)輸送到再生機(jī)噴灑系統(tǒng),由噴灑系統(tǒng)噴在拌和罩內(nèi)的再生混合料中。拌和水由水罐車通過軟管輸送給再生機(jī)拌合系統(tǒng),供水量由電腦按施工用水量自動(dòng)計(jì)量,現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員可根據(jù)實(shí)際拌合效果及時(shí)調(diào)整拌合用水。

施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)員應(yīng)全程跟蹤,對(duì)再生混合料拌合效果、拌合深度以及泡沫瀝青分散情況實(shí)時(shí)觀測(cè),并將混合料按抽檢頻率取樣送后方檢測(cè)室,對(duì)混合料含水量、水泥劑量、瀝青含量等進(jìn)行取樣試驗(yàn)以指導(dǎo)后續(xù)施工。

6)整平及初壓

拌和完成,輔助人員緊跟再生機(jī)后,對(duì)局部坑洞、離析等缺陷進(jìn)行修補(bǔ)或挖除。先用單鋼輪壓路機(jī)靜壓一遍,后由平地機(jī)緊跟進(jìn)行一次初平,再靜壓一遍,再整平一遍,一般通過 2～3 遍整平即可以滿足平整度要求。在整平過程中應(yīng)遵循“寧刮勿補(bǔ)”的原則,嚴(yán)禁薄層貼補(bǔ),確保整平碾壓不起皮、不松散、不離析[6]。

7)壓實(shí)成型

由于摻加了泡沫瀝青,初壓結(jié)束后,先用膠輪壓路機(jī)碾壓2～3遍。通過膠輪壓路機(jī)的搓揉作用使柔性基層骨架結(jié)構(gòu)達(dá)到二次就位,瀝青膠漿充盈于混合料間隙中。膠輪壓實(shí)完成后,灑水車霧狀灑水潤(rùn)濕表面,再用單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)先強(qiáng)振1遍、弱振2～3遍,以確保施工壓實(shí)度,再用輪胎壓路機(jī)搓揉1遍,保證在水泥初凝之前完成壓實(shí)過程,碾壓完成及時(shí)檢測(cè)壓實(shí)度。

8)接縫處理

再生機(jī)分幅銑刨產(chǎn)生的縱向接縫,在拌和時(shí)相鄰下一幅時(shí),兩幅重疊30～40 cm,防止幅與幅之間有拌和不均勻現(xiàn)象。對(duì)于段落與段落之間的橫向搭接縫,若是連續(xù)作業(yè),搭接長(zhǎng)度50～100 cm;若中間停頓超過4 h或隔天施工,搭接長(zhǎng)度應(yīng)在100 cm 以上,同時(shí)要在搭接處摻水泥,并要求接縫平整、密實(shí)。

9)養(yǎng)生及交通管制

壓實(shí)結(jié)束的基層經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),各項(xiàng)指標(biāo)合格,根據(jù)表面干濕狀況確定是否補(bǔ)水,再覆膜養(yǎng)生。養(yǎng)生膜采用一布一膜型土工布,既保濕還能保溫,有利于基層強(qiáng)度增長(zhǎng),縮短養(yǎng)生時(shí)間。養(yǎng)生期間禁止一切車輛上路行駛,待基層取芯強(qiáng)度滿足要求、鋪完瀝青面層方可開放交通。

4 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)道307線西烏旗至白音華段大中修養(yǎng)護(hù)工程歷時(shí)50 d,舊路補(bǔ)強(qiáng)再生基層12.6 km全部采用泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)?；鶎友a(bǔ)強(qiáng)工期凈用時(shí)20 d,平均每天處理再生基層630 m,補(bǔ)強(qiáng)段基層養(yǎng)生5 d即能取出完整、密實(shí)的芯樣,芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。項(xiàng)目銑刨舊料利用率達(dá)100%,節(jié)約工程材料直接費(fèi)150余萬(wàn)元,充分說明了泡沫瀝青冷再生基層技術(shù)的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也表明在瀝青冷再生混合料的質(zhì)量控制方面已經(jīng)有一套比較成熟的控制方法,可以在錫盟地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用。