瀝青路面就地?zé)嵩偕旌狭显偕鷦┯昧考凹?jí)配優(yōu)化

梁毓珂

(山西省公路局長治分局,山西 長治 046600)

就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性能、疲勞性能及耐老化性能方面需要大力研究。學(xué)者們?cè)谑覂?nèi)完成了諸多方面的研究[5-6],由于舊瀝青混合料的均勻性較差,導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際施工過程中存在較大差異,進(jìn)而導(dǎo)致室內(nèi)結(jié)果與現(xiàn)場的路用性能存在很大的差距。因此,在現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合太佳高速西段瀝青路面就地?zé)嵩偕氖┕?shí)例,進(jìn)行瀝青混合料的級(jí)配優(yōu)化研究,為工程提供技術(shù)支持。

1 再生工程資料收集

首先,收集路面各結(jié)構(gòu)層厚度和類型、瀝青和集料等原材料的種類、瀝青混合料級(jí)配和油石比、新建施工過程檢測資料和工程驗(yàn)收資料等。其次,收集養(yǎng)護(hù)資料,如各年度路面破損情況、養(yǎng)護(hù)維修方式和資料,以及路況定期檢測資料。再次,收集交通量和氣候資料,如道路年平均日交通量、貨車比例、軸載分布與超載情況、工程所在地區(qū)的年降雨量、年平均氣溫與極端氣溫等情況。最后,原路面病害調(diào)查可采用人工步巡或路面綜合檢測車進(jìn)行,詳細(xì)記錄病害的位置、類型、面積和嚴(yán)重程度等特征,并進(jìn)行整理以形成分析報(bào)告。

在對(duì)路面病害成因進(jìn)行分析時(shí),一般應(yīng)根據(jù)所收集的工程資料和原路面病害調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行。也可進(jìn)行現(xiàn)場檢測或者取樣后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析。路面病害的成因往往可能是多種因素并存,但重點(diǎn)是要確定道路的中、下面層以及各層結(jié)構(gòu)本身是否有比較嚴(yán)重的問題,如有嚴(yán)重問題,需修復(fù)完善下面層后,再進(jìn)行上、中面層再生。另外,如有薄層罩面等加鋪時(shí),應(yīng)通過級(jí)配確認(rèn)加鋪層是否可與再生層一起再生,如級(jí)配變異過大,應(yīng)清除該層后再生。

2 舊路面材料回收及試驗(yàn)

選用就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)技術(shù),再生瀝青混合料用原材料為SBS(Ι-D)改性瀝青、輝綠巖集料、石灰?guī)r磨細(xì)礦粉,高性能再生劑為重慶伍圣建材有限公司AZ瀝青熱再生劑,以上瀝青、集料、礦粉滿足規(guī)范[7]要求。本次就地?zé)嵩偕旌狭辖Y(jié)構(gòu)仍選擇原路面SBS改性AC-13型瀝青混合料結(jié)構(gòu)。首先,對(duì)原路面隨機(jī)抽取3個(gè)代表點(diǎn),進(jìn)行小型加熱機(jī)加熱回收取樣,采用阿布森法回收舊瀝青,通過對(duì)回收瀝青、回收集料的試驗(yàn),舊瀝青混合料的平均油石比為4.6%。回收瀝青混合料的級(jí)配見表1,回收瀝青的檢測結(jié)果見表2。

表1 回收瀝青混合集料級(jí)配

表2 回收瀝青檢測結(jié)果

由表1可知,舊混合集料的級(jí)配部分篩孔已超出級(jí)配上下限范圍,并呈現(xiàn)10～15 mm集料用量明顯不足,5～10 mm集料明顯過多的現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致路面抗車轍性能不足等問題。從表2可知,針入度下降明顯,5 ℃延度下降更為嚴(yán)重,表明瀝青混合料在使用過程中老化非常嚴(yán)重,但依據(jù)針入度檢測結(jié)果為31(0.1 mm),滿足就地?zé)嵩偕袕?fù)拌再生針入度≥30(0.1 mm)的要求,所以,本項(xiàng)目維修養(yǎng)護(hù)選用復(fù)拌再生工藝。

3 再生混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 再生劑用量設(shè)計(jì)

現(xiàn)有成品再生劑的主要成分由芳香粉以及其他輕質(zhì)組分組成,主要作用為補(bǔ)充舊瀝青中被老化的芳香分,溶解舊瀝青中的瀝青質(zhì),恢復(fù)再生瀝青的各項(xiàng)性能。通過試驗(yàn),不同再生劑摻量的情況下,再生瀝青的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 再生瀝青再生效果

由表3可知,通過再生試驗(yàn),隨著再生劑的增加,針入度逐漸增加,并滿足了規(guī)范[7]改性瀝青Ι-D的技術(shù)要求。軟化點(diǎn)逐漸降低,5 ℃延度逐漸增加。依據(jù)規(guī)范[8],再生瀝青的性能恢復(fù)至原瀝青低1個(gè)等級(jí)即可,依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,再生劑摻量為4%時(shí),即可滿足規(guī)范[8]要求。所以本次設(shè)計(jì)再生劑用量為舊瀝青混合料質(zhì)量的4%。

回收瀝青往往不能完全恢復(fù)到原樣瀝青的標(biāo)準(zhǔn),主要原因?yàn)?在抽提回收過程中,部分較細(xì)的礦粉不能完全從瀝青中分離出去,所以瀝青的黏度、延度將受到比較大的影響,所以當(dāng)恢復(fù)到比原瀝青低1個(gè)等級(jí)的時(shí)候,實(shí)際瀝青基本可以達(dá)到原瀝青的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)小規(guī)模突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，市場價(jià)格不會(huì)發(fā)生變化，而市場需求會(huì)發(fā)生改變，市場需求的分布函數(shù)F(x)及密度函數(shù)f(x)波動(dòng)為G(x)和g(x)，G(x)和g(x)的性質(zhì)與F(x)和f(x)相同，且市場需求的期望為μG=E(x)=xg(x)dx.

3.2 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保證就地再生后高程與原路面相同,不增加路面厚度,本項(xiàng)目采用復(fù)拌再生工藝,依據(jù)舊瀝青混合料的級(jí)配發(fā)現(xiàn),舊瀝青混合料級(jí)配偏細(xì),需添加一部分新的瀝青混合料,以優(yōu)化調(diào)整再生瀝青混合料的集配,使再生后的瀝青混合料具有抗車轍性能強(qiáng)、低溫性能好、耐久性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。舊瀝青混合料及新瀝青混合料的級(jí)配組成見表4,新集料與舊集料的用量比為16%∶84%。再生瀝青混合料中油石比為以再生混合料、再生劑、新集料設(shè)計(jì)的油石比,該油石比為新添加的瀝青與再生混合料、再生劑、新集料之和的比值。通過瀝青混合料的再生混合料的馬歇爾試驗(yàn),確定再生瀝青混合料的油石比為4.7%。經(jīng)再生瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn),結(jié)果見表5。

表4 合成瀝青混合料的級(jí)配組成

表5 再生瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)試驗(yàn)時(shí),再生劑用量為舊瀝青混合料質(zhì)量的4%,新集料用量為舊瀝青混合料質(zhì)量的18.2%,新瀝青用量為舊瀝青混合料質(zhì)量的5.7%。拌和流程為先將舊瀝青混合料與再生劑拌和90 s,再加入新集料、新瀝青拌和90 s即可。

運(yùn)用于生產(chǎn)時(shí),新瀝青混合料的油石比為32%,經(jīng)試拌油石比為32%的新瀝青混合料,瀝青析出嚴(yán)重,進(jìn)一步試拌該級(jí)配得出新瀝青混合料油石比為4.5%時(shí),基本保證了混合料拌和均勻、不泛油,余下的瀝青需在再生劑添加時(shí)單獨(dú)加入再生混合料中。加入流程為:在舊瀝青混合料與再生劑拌和后,隨后在舊瀝青混合料中加入舊瀝青混合料質(zhì)量4.9%的新瀝青,再加入預(yù)拌好新瀝青混合料,即可完成再生混合料的拌和,隨后現(xiàn)場壓實(shí)。

4 再生混合料性能驗(yàn)證

4.1 高溫性能檢驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)60 ℃的恒溫條件下,采用0.7 MPa的壓應(yīng)力水平,檢測再生瀝青混合料的高溫性能。在檢測前首先測試車轍試件的空隙率,使空隙率符合馬歇爾設(shè)計(jì)空隙率的±1%之內(nèi)[9]的要求。測試結(jié)果見表6。

表6 再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知,再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度滿足規(guī)范≥2 800次/mm的技術(shù)要求。

隨著廢舊瀝青混合料的再生,再生瀝青混合料抵抗變形能力增強(qiáng),主要原因?yàn)樵偕鸀r青混合料中的舊瀝青富含較高的瀝青質(zhì),在再生劑的作用下,舊瀝青中的瀝青質(zhì)發(fā)生重組、溶解,當(dāng)新瀝青加入后,RAP中的老化瀝青對(duì)新瀝青起到了改性作用,新瀝青與舊瀝青發(fā)生融合,此時(shí),新瀝青的黏度有所提升,導(dǎo)致瀝青混合料在高溫狀態(tài)下的感溫性能降低,抗變形能力增加,從而使再生瀝青混合料高溫抵抗變形能力得到大幅度的提升。

4.2 低溫性能檢驗(yàn)

通過低溫彎曲試驗(yàn),表征再生瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗(yàn)溫度:-10 ℃,加載速率:50 mm/min,試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知,就地?zé)嵩偕蜏匦阅芫軡M足規(guī)范[7]破壞應(yīng)變≥2 800 με的技術(shù)要求。表明該再生瀝青混合料在低溫情況下可表現(xiàn)出很強(qiáng)的韌性及低溫變形能力,抑制和延緩開裂效果明顯,主要原因?yàn)樵偕鷦┲械姆紵N油改變了舊瀝青混合料中瀝青的特性,再生劑通過滲透、包裹作用,在重新加熱拌和后,消除了原混合料中的宏觀裂縫,阻斷了微觀銀紋的發(fā)生發(fā)展,使舊瀝青的性能基本恢復(fù)了應(yīng)力松持的特性。所以,低溫情況下,新瀝青、再生劑使再生瀝青混合料的應(yīng)變能力得到大幅度的提升。

4.3 水穩(wěn)定性能檢驗(yàn)

為研究再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能,分別開展了浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),來評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能,試驗(yàn)過程中采用50次擊實(shí),結(jié)果見表8、表9。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表9 凍融劈裂TSR試驗(yàn)結(jié)果

從表8、表9可知,殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂TSR強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求,表明廢舊瀝青混合料再生效果明顯,均滿足熱拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能指標(biāo)。再生瀝青混合料中舊料與新混合料拌和后,在再生劑的作用下,新舊瀝青發(fā)生了一定程度的融合,新瀝青、再生劑在舊集料、舊瀝青膠團(tuán)表面的裹覆下,阻斷了水分進(jìn)入舊集料、舊瀝青膠團(tuán)的通道,使再生混合料的抗水損害能力大幅度提升,同時(shí),隨著時(shí)間的延長,再生劑進(jìn)一步發(fā)生滲透,對(duì)舊瀝青產(chǎn)生長期的性能恢復(fù)作用。所以,再生瀝青混合料的水穩(wěn)定會(huì)較長期地保持,并保持較高的抗水損害水平。

5 運(yùn)營后現(xiàn)場檢測

太佳高速養(yǎng)護(hù)前主要病害為淺層龜裂、麻面、橫裂等,試驗(yàn)段鋪筑的優(yōu)化粗型混合料及趨近于設(shè)計(jì)級(jí)配范圍中線的混合料,通過1年的運(yùn)營,近期檢測后,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化粗型混合料平整度優(yōu)、無橫向縱向裂紋,而采用趨近于設(shè)計(jì)級(jí)配范圍中線的混合料有明顯的車轍變形。檢測結(jié)果見表10。

表10 運(yùn)營1年后的現(xiàn)場檢測結(jié)果

從表10可知,采用粗型級(jí)配優(yōu)化的瀝青混合料鋪筑再生路面,抗車轍性能及抗裂性能得到明顯提高,路面的壽命及耐久性得到了進(jìn)一步的延長,經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益優(yōu)勢明顯。

6 結(jié) 論

(1)再生瀝青混合料中,舊級(jí)配的好壞決定了新混合料的摻加量,再生瀝青混合料的合成級(jí)配宜采用骨架密實(shí)型且較低空隙率的混合料。

(2)通過不同再生段落取樣試驗(yàn),分析原瀝青路面的級(jí)配變異程度,適當(dāng)重新合成級(jí)配,變異時(shí)及時(shí)采取變異策略。

(3)通過回收瀝青混合料的再生試驗(yàn),可知此舊瀝青中再生劑用量為4%時(shí)可滿足原瀝青低1個(gè)等級(jí)的技術(shù)要求;新集料與舊集料的用量比為16%∶84%;確定再生瀝青混合料的油石比為4.7%。新瀝青混合料為偏粗瀝青混合料,無法達(dá)到設(shè)計(jì)新瀝青用量時(shí),余下的新瀝青需單獨(dú)與再生劑一并加入舊瀝青混合料中。

(4)在再生劑、新集料、新瀝青的作用下,再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)5 577次/mm,低溫破壞應(yīng)變可達(dá)3 839.7 με、浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果達(dá)88.7%,凍融劈裂TSR試驗(yàn)結(jié)果可達(dá)86.3%,以上結(jié)果均可滿足熱拌瀝青混合料的性能要求,且檢測性能較優(yōu)。

(5)相對(duì)于原設(shè)計(jì)對(duì)比段落,粗型級(jí)配優(yōu)化的瀝青混合料鋪筑再生路面,抗車轍性能及抗裂性能

得到明顯提高,路面的壽命及耐久性得到了延長,經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益優(yōu)勢明顯。