駱 強(qiáng)

(河南省濮新高速公路建設(shè)有限公司,河南 濮陽(yáng) 457000)

再生瀝青路面(RAP)是將老化的瀝青路面用于新的熱拌瀝青混合料或冷瀝青混合料。使用RAP的優(yōu)點(diǎn)是減少對(duì)原始材料的勘探,節(jié)約能源,降低成本,減少對(duì)自然資源的利用和對(duì)環(huán)境的破壞[1]。在20世紀(jì)90年代,利用RAP進(jìn)行路面基層就地再生的技術(shù)成為一種普遍的解決方案。然而,我國(guó)瀝青層的回收率在新路面上的應(yīng)用還很低,而且也說(shuō)明了傳統(tǒng)熱瀝青混合料比再生瀝青混合料具有更好的性能[2]。冷再生瀝青混合料需要考慮是否回收、松散混合料失水時(shí)間、壓實(shí)方式、養(yǎng)護(hù)期等,這些因素通常會(huì)影響再生瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度[3-4]。研究的目的是評(píng)估乳化瀝青再生劑和100%RAP的冷再生瀝青混合料應(yīng)用于新路面基層中的性能。試驗(yàn)段選擇在連霍高速改擴(kuò)建工程河南段,通過(guò)落錘石彎沉儀(FWD)監(jiān)測(cè)在施工后的12個(gè)月內(nèi)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為。另外,在試驗(yàn)過(guò)程中收集了冷再生混合料的樣品,在室內(nèi)研究試驗(yàn)段所用材料存儲(chǔ)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間與路用性能的關(guān)系。

1 乳化瀝青冷再生瀝青混合料

1.1 原材料與級(jí)配

RAP材料是從舊瀝青路面的不同點(diǎn)位獲取三個(gè)樣品,然后根據(jù)規(guī)范要求,在室內(nèi)對(duì)RAP材料進(jìn)行瀝青抽提回收,RAP1、RAP2和RAP3的瀝青含量分別為5.3%、4.7%、4.9%。對(duì)樣品進(jìn)行集料篩分,三個(gè)級(jí)配如表1所示。由表1可以看出,三個(gè)級(jí)配的篩分結(jié)果相差不大。根據(jù)規(guī)范要求,對(duì)級(jí)配不良的銑刨料,應(yīng)通過(guò)摻加部分新料以改善其級(jí)配,最終形成了表1的合成級(jí)配。

表1 RAP礦料篩分結(jié)果及合成級(jí)配

乳化瀝青再生劑含有SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯),使用陽(yáng)離子緩凝劑,采用礦物再生劑配制而成,配制時(shí)考慮了RAP殘余結(jié)合料的氧化程度、表面能和比表面積特性等。

1.2 冷再生瀝青混合料設(shè)計(jì)

采用馬歇爾壓實(shí)法制備試樣,乳化瀝青再生劑的含量分別為2.0%的2.5%和3.0%。馬歇爾試件每面擊實(shí)75次后,試樣在60 ℃,下養(yǎng)護(hù)72 h,然后在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h。馬歇爾穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明,乳化瀝青再生劑用量為2.5%的試件具有較好的再生性能,這一劑量在已有文獻(xiàn)中得到了同樣的結(jié)論。因此,室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段用瀝青混合料的乳化瀝青劑量均為2.5%。

1.3 冷再生瀝青混合料生產(chǎn)

采用RT-500設(shè)備對(duì)RAP進(jìn)行回收篩分,并使用31.5 mm篩子限制RAP大顆粒。冷再生瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中,收集400 kg左右原材料,在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在室內(nèi)對(duì)原材料進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn):RAP的含水量約為2.5%,而添加的乳液含水量為1.0%,因此,最終RAP的含水量約為3.5%。為了防止水分蒸發(fā),回收的RAP在室內(nèi)用塑料袋覆蓋。

2 試 驗(yàn)

2.1 壓實(shí)方法和壓實(shí)能量

首先研究壓實(shí)能量對(duì)瀝青混合料體積參數(shù)的影響,進(jìn)而確定壓實(shí)方法。采用兩種種壓實(shí)方法和五種壓實(shí)能量進(jìn)行分析,評(píng)估每種壓實(shí)方法對(duì)壓實(shí)混合料的密度和孔隙率的影響,第一種是馬歇爾儀制作試件,分為每側(cè)擊實(shí)50次和75次(M50和M75),第二種旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀三種擊實(shí)能量(G50、G75和G100),平均結(jié)果如圖1所示。

圖1 壓實(shí)能量和壓實(shí)方法對(duì)體積參數(shù)的影響

如圖1所示,不同壓實(shí)方法和壓實(shí)能量的試驗(yàn)驗(yàn)表明,馬歇爾法雙面各擊實(shí)50次的體積密度最低和孔隙率最高,而采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法,呈現(xiàn)出較大的體積密度和較低的空隙率,同一種試驗(yàn)方法存在最佳的壓實(shí)能量,因此,體積密度取決于壓實(shí)類型和壓實(shí)能量。室內(nèi)究竟采用哪種壓實(shí)方法需要與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相匹配,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段采用的是9輪25.5 t的滾動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)16次,然后采用雙聯(lián)壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí),再進(jìn)行了羊角碾的測(cè)試。有研究表明:無(wú)論是采用雙聯(lián)壓路機(jī)和羊角碾,都無(wú)法達(dá)到室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)每面擊實(shí)75次的效果。因此,為了更好地與試驗(yàn)段施工效果作對(duì)比,室內(nèi)試驗(yàn)采用馬歇爾試驗(yàn)每面擊實(shí)75次制作試件。

2.2 存儲(chǔ)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響

為了評(píng)價(jià)存儲(chǔ)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)壓實(shí)后乳化冷再生瀝青混合料性能的影響,在室內(nèi)對(duì)抗拉強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試。存儲(chǔ)時(shí)間分別為7、14、28 d;壓實(shí)后,圓柱形試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1、3、7、14、28 d。每個(gè)試件每面擊實(shí)次數(shù)75次,壓實(shí)后,每個(gè)試樣在室內(nèi)60 ℃下養(yǎng)護(hù)72h,以加速初始養(yǎng)護(hù)期。之后試樣在室溫25 ℃下養(yǎng)護(hù),進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)和彈性模量試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明,3 d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間顯著提高了冷再生混凝土的強(qiáng)度和剛度,且松散混合料存儲(chǔ)28 d并沒(méi)有破壞其力學(xué)性能,相反抗拉強(qiáng)度增加和彈性模量,證明乳化再生瀝青混合料可以存儲(chǔ);另外,松散冷再生瀝青混合料存儲(chǔ)7 d和14 d的壓實(shí)試樣養(yǎng)護(hù)1 d后,抗拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí)試件沒(méi)有足夠的黏聚力,此行為可能表示水分的減少不僅是強(qiáng)度和剛度增加的唯一原因,而且老化瀝青和乳化瀝青再生劑作用時(shí)間影響著再生瀝青混合料的力學(xué)性能;養(yǎng)護(hù)7 d,存儲(chǔ)7 d的冷再生混合料試件,其平均抗拉強(qiáng)度低于0.3 MPa,且同樣的混合料被存儲(chǔ)14 d和28 d時(shí)抗拉強(qiáng)度增加趨勢(shì)顯著;再次表明:再生瀝青混合料在存儲(chǔ)期間,可能老化瀝青與乳化瀝青再生劑之間發(fā)生了相互作用。

圖2 松散瀝青混合料存儲(chǔ)時(shí)間、壓實(shí)試件的養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)間接抗拉強(qiáng)度的影響

圖3 松散瀝青混合料存儲(chǔ)時(shí)間、壓實(shí)試件的養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)回彈模量的影響

3 試驗(yàn)段施工及監(jiān)測(cè)

3.1 試驗(yàn)段施工要點(diǎn)介紹

以室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù),在交通繁忙的河南某干線公路進(jìn)行試驗(yàn)路鋪裝,基層為150 mm厚的乳化冷再生瀝青混合料,冷再生混合料是在固定回收廠生產(chǎn)后存儲(chǔ)30 d。冷再生混凝土的施工分兩層進(jìn)行,確保壓實(shí)后的厚度為150 mm,基層與底基層之黏結(jié)層使用快速凝固乳液,灑布量為0.4 L/m2。首次碾壓使用鋼輪壓路機(jī),控制壓實(shí)功最低為21.03 kN/m3,旨在達(dá)到95%或更高壓實(shí)度。完成再生層施工后,50 mm熱拌瀝青用作磨耗層。試驗(yàn)段的施工證明:冷再生混合料具有良好的和易性和耐久性,所需設(shè)備與新瀝青路面施工中經(jīng)常使用的設(shè)備相同。

3.2 彎沉測(cè)量

試驗(yàn)段施工后,進(jìn)行結(jié)構(gòu)行為監(jiān)測(cè)。使用FWD彎沉儀進(jìn)行彎沉測(cè)量,分別測(cè)量了施工完后7、90、180、360 d的彎沉值,“Dx”為對(duì)應(yīng)于距離荷載點(diǎn)“x”mm處測(cè)量的位移,D0值(校正至20 ℃參考溫度時(shí)垂直加載點(diǎn)下方的位移),測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?在重交通荷載作用下,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)再生瀝青混合料的剛度增加,這與室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)果一致。

圖4 施工完7、90、180、360 d后的彎沉值D0

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果還表明,路面剛度在養(yǎng)護(hù)期間有所改善(由于在其他路面結(jié)構(gòu)層測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)彎沉減少的特性),隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移,再生瀝青混合料的硬度可能會(huì)顯著增加。然而,必須指出的是第一次FWD測(cè)量是在7月份,處于雨季、氣候較為濕潤(rùn)。相比之下,其他測(cè)量分別在10月、12月和3月進(jìn)行。

為了消除不同季節(jié)含水量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,同在相同時(shí)間內(nèi)還測(cè)試了D1200(在距荷載1 200 mm處測(cè)得的垂直位移)彎沉值,旨在確定路基的含水量是否可能影響D0值,測(cè)量結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明,D1200數(shù)值保持在圖5所示的相同基線中,基本不受季節(jié)的影響。從實(shí)地調(diào)查到后來(lái)的彎沉分析證實(shí),路基水含量可能不會(huì)影響D0的結(jié)果。

圖5 施工完7、90、180、360 d后的彎沉值D1 200

3.3 車轍測(cè)量

除剛度外,通過(guò)測(cè)量車轍來(lái)表征抵抗永久性變形能力。變形可能發(fā)生在粒料層、熱拌瀝青混合料層或冷再生混合料層,或多層的綜合變形。為了測(cè)量車轍,動(dòng)態(tài)測(cè)試路面掃描儀配備了兩個(gè)高性能的三維激光,分辨率為1 mm,測(cè)量值為試驗(yàn)一年半后進(jìn)行。每40 m計(jì)算一次車轍,測(cè)量結(jié)果左側(cè)車轍和右側(cè)車轍進(jìn)行平均,得出平均車轍為7 mm/km,圖6顯示了每40 m的平均車轍值。雖然無(wú)法測(cè)量從施工到當(dāng)前服役狀態(tài)下車轍性能的演變(540 d),但可以證實(shí),施工后18個(gè)月在一些關(guān)鍵斷面測(cè)量的平均車轍是較低的,約為4 mm,所測(cè)量的最大車轍為6 mm;此外, 所述4 mm相當(dāng)于各層中永久變形的總和,即再生冷瀝青層變形值更少,說(shuō)明它能很好地抵抗永久變形。

圖6 三維激光測(cè)量施工完第540天的車轍深度

4 結(jié) 論

(1)室內(nèi)試驗(yàn)表明,乳化冷再生瀝青路面基層的剛度和強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì),使用乳化瀝青再生劑的再生瀝青混合料促進(jìn)了力學(xué)性能的改善,與試驗(yàn)段彎沉測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致,可作為替代新建瀝青路面層材料使用。

(2)100%重復(fù)使用RAP,不僅降低成本、減少環(huán)境影響,而且在試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)18個(gè)月期間沒(méi)有產(chǎn)生任何病害,路面剛度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而增加。

(3)路基路面含水量的變化不顯著影響測(cè)量彎沉值,反而養(yǎng)護(hù)時(shí)間會(huì)顯著影響彎沉值。

(4)施工完第540天車轍檢測(cè)平均值約為4 mm,遠(yuǎn)低于規(guī)范允許值。