潭邵高速乳化瀝青冷再生施工與試驗(yàn)的匹配性

蘇 舉，張振武，羅澤文，黃治湘，李 杰，羅元春

0 引言

目前，瀝青路面冷再生技術(shù)根據(jù)再生場(chǎng)地的不同分為廠拌再生和現(xiàn)場(chǎng)再生。乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，施工質(zhì)量易于控制，所以十分具有推廣潛力［1］。中國(guó)在2008年出臺(tái)了《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)，規(guī)定了乳化瀝青冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)方法，明確了其礦料級(jí)配、最佳含水量和最佳乳化瀝青用量。但是，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中規(guī)定的一些試驗(yàn)方法有時(shí)并不能得到預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果［2］，對(duì)復(fù)雜施工現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)性不是很強(qiáng)，如在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出的乳化瀝青冷再生混合料檢測(cè)效果較好，但應(yīng)用到實(shí)際工程后卻總是出現(xiàn)問(wèn)題［3］。

為研究乳化冷再生室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況的匹配性，筆者針對(duì)潭邵高速乳化瀝青冷再生試驗(yàn)段的多個(gè)情況，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)針對(duì)性的試驗(yàn)探索解決方案，并運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)，判斷解決方案的可靠性，同時(shí)對(duì)原材料的特性、拌合方式、施工環(huán)境特性、路面壓實(shí)工藝等方面進(jìn)行針對(duì)性研究，形成完善的乳化瀝青配方設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)解決方案體系，總結(jié)出乳化冷再生施工過(guò)程中的控制要點(diǎn)，以更科學(xué)的方法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 原材料

1.1 RAP 料

乳化瀝青冷再生的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)是能夠大比例利用舊瀝青路面材料(RAP)［4］，潭邵高速項(xiàng)目RAP材料利用率達(dá)90%以上，因而RAP的性質(zhì)變化對(duì)于混合料的性能有至關(guān)重要的影響。

1.1.1 水穩(wěn)料含量的影響

潭邵高速項(xiàng)目由于原路面瀝青層薄厚不均，因而在銑刨過(guò)程中不可避免地造成RAP中含有水穩(wěn)料，為考察水穩(wěn)料含量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料性能的影響，筆者進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知:隨著水穩(wěn)料的摻入，試件的空隙率增大，劈裂強(qiáng)度降低，水穩(wěn)定性也隨之降低。水穩(wěn)料摻量為 10%時(shí)，劈裂強(qiáng)度降低了 0.17 MPa，約20%，同時(shí)代表水穩(wěn)定性的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)也降低了10%左右，且水穩(wěn)料摻量越大，性能降低越明顯。從混合料拌合完的裹覆狀態(tài)也能夠明顯看出，水穩(wěn)料的摻入使花白料出現(xiàn)的幾率增大，且花白料主要以水穩(wěn)料為主，說(shuō)明水穩(wěn)料與乳化瀝青的裹覆性較差。

表1 水穩(wěn)料含量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料性能的影響

1.1.2 RAP 含水率的影響

RAP與新集料的不同之處是，RAP的吸水能力特別強(qiáng)，釋放水的能力特別弱，尤其是粒徑較小的RAP［5］。最初在進(jìn)行乳化冷再生項(xiàng)目時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制或重視程度不夠，RAP往往沒(méi)有明顯的覆蓋措施，這就導(dǎo)致下雨后RAP大都處于飽水狀態(tài)。對(duì)于不同飽水狀況的RAP，筆者進(jìn)行了相同級(jí)配、相同乳化瀝青用量(3.8%)、相同水泥摻量(1.5%)及相同混合料含水率(4.4%)條件下的乳化瀝青冷再生混合料性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 RAP不同飽水狀況條件下乳化瀝青冷再生混合料的性能試驗(yàn)結(jié)果

肉眼觀察來(lái)看，相同含水率條件下，飽水RAP拌合的混合料要比未飽水拌合的混合料明顯偏干，且粗RAP存在較多花白料，表明RAP在不同飽水狀況下，乳化瀝青冷再生混合料的最佳含水率并不完全相同。由表2可知，RAP飽水后，混合料的試件空隙率相比未飽水狀況的明顯偏大，更難以壓實(shí)。其主要原因在于，飽水后的RAP中大部分水分在RAP內(nèi)部，在壓實(shí)過(guò)程中并不能起到充分潤(rùn)滑作用，混合料的壓實(shí)和易性較差，而未飽水的RAP主要通過(guò)添加外加水，使RAP表面充分潤(rùn)濕，因而更容易壓實(shí)。RAP飽水后，混合料的劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比均有較大程度衰減，這是因?yàn)镽AP飽水后粗、細(xì)RAP含水率不均勻，外加水摻量低，粗集料得不到充分裹覆，因而與乳化瀝青黏附性差，使混合料強(qiáng)度和水穩(wěn)定性要差一些［6-8］。

1.2 乳化瀝青的溫度

眾所周知，乳化瀝青的溫度對(duì)其破乳速度有非常大的影響。有研究表明，乳化瀝青的溫度每升高6益，其破乳速度就增加一倍，因此控制好乳化瀝青的溫度對(duì)混合料的施工和易性有較大幫助。但在乳化冷再生施工現(xiàn)場(chǎng)，往往由于施工工期緊，當(dāng)天生產(chǎn)好的乳化瀝青還未冷卻到合適的溫度就運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工，導(dǎo)致乳化瀝青在拌合過(guò)程中就開(kāi)始大量破乳，拌合電流明顯增大。同時(shí)，拌合后的混合料施工和易性較差，易發(fā)生卸車?yán)щy、黏車嚴(yán)重、碾壓粘輪、壓實(shí)度不足等多種問(wèn)題。鑒于此，筆者采用潭邵高速RAP對(duì)不同乳化瀝青溫度的混合料的施工和易性進(jìn)行試驗(yàn)。其中乳化瀝青用量為3.8%，混合料最佳含水率為4.4%，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度乳化瀝青的工作性能試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以明顯看出，隨著乳化瀝青溫度的升高，其可工作時(shí)間大幅度減少，可壓實(shí)性能也大幅降低，隨之帶來(lái)的是混合料性能的嚴(yán)重衰減。

1.3 水泥摻量

關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料的性能，規(guī)范僅僅規(guī)定了其空隙率、15益劈裂強(qiáng)度和浸水劈裂強(qiáng)度比、凍融劈裂強(qiáng)度比，對(duì)于乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能以及低溫抗開(kāi)裂性能等沒(méi)有提出明確的要求。為研究這一點(diǎn)，筆者進(jìn)行了不同水泥摻量的混合料性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同水泥摻量的混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，乳化冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、高溫性能均隨水泥摻量的增加有所提高，但其低溫彎曲應(yīng)變卻逐漸降低，尤其是當(dāng)水泥摻量超過(guò)1.5%后，下降程度更為劇烈，因而建議水泥摻量不宜超過(guò)1.5%。

2 拌合方式比較

乳化瀝青冷再生混合料的拌合成型主要經(jīng)歷的是化學(xué)過(guò)程。因?yàn)闉r青舊料的表面化學(xué)活性千差萬(wàn)別，且氣候條件和施工條件存在差異，所以乳化瀝青配方的差異直接影響冷再生混合料拌合、攤鋪、碾壓狀態(tài)和強(qiáng)度形成速度，以及最終的路用性能［9］。

生產(chǎn)混合料時(shí)將RAP、乳化瀝青、水按比例投放到拌合鍋中拌合。一般來(lái)說(shuō)冷再生混合料的拌合時(shí)間應(yīng)短于熱拌瀝青混合料的拌合時(shí)間，由于現(xiàn)場(chǎng)拌合功較大，拌合時(shí)間應(yīng)在30 s以內(nèi)［10-13］。乳化瀝青混合料若過(guò)度拌合，則粗集料表面的乳化瀝青容易剝落，還會(huì)導(dǎo)致乳化瀝青提前破乳，使混合料勁度過(guò)大;而拌合不充分則可導(dǎo)致集料不能充分被乳化瀝青裹覆。

實(shí)驗(yàn)室拌合時(shí)，由于拌合鍋的功率與大生產(chǎn)時(shí)有較大差異，因此拌合時(shí)間稍長(zhǎng)一些，在3 min左右。

為比較2種拌合方式下混合料性能的差異，在潭邵高速項(xiàng)目工地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)室采用小拌鍋拌合，現(xiàn)場(chǎng)則直接從二級(jí)拌鍋出料口或料車取料。2種拌合方式采用的乳化瀝青都是同一批生產(chǎn)的，用量、級(jí)配也相同，小拌鍋因功率小，拌合用水量稍大0.3%左右，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 不同拌合方式下實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)混合料性能對(duì)比

由表5可知，實(shí)驗(yàn)室拌合的混合料更容易壓實(shí)，試件的劈裂強(qiáng)度更大，主要原因有:實(shí)驗(yàn)室RAP料都是晾干后進(jìn)行拌合試驗(yàn)，外加水主要使RAP表面潤(rùn)濕，而現(xiàn)場(chǎng)拌合時(shí)RAP料往往含水率較高，外加水少，部分粗RAP料表面未能完全潤(rùn)濕;實(shí)驗(yàn)室配料更均勻，離析情況少，而拌合樓的拌合均勻性取決于RAP銑刨過(guò)程中級(jí)配是否均勻;實(shí)驗(yàn)室總拌合時(shí)間長(zhǎng)，為3 min，而現(xiàn)場(chǎng)拌合時(shí)間不到30 s;實(shí)驗(yàn)室拌合時(shí)加料順序較為合理，且有一定時(shí)間間隔，拌合樓由于拌合時(shí)間短，不同材料的加料時(shí)間間隔很短，往往集料表面未充分被外加水潤(rùn)濕就開(kāi)始與乳化瀝青拌合，因而均勻性稍差。

3 混合料成型溫度比較

在潭邵高速乳化瀝青冷再生現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，施工天氣較好、氣溫較高時(shí)，乳化冷再生混合料更容易被壓實(shí)，碾壓破乳現(xiàn)象更容易出現(xiàn)，同時(shí)路面的壓實(shí)度更高，更容易取出完整芯樣。因此在實(shí)驗(yàn)室采用粗、細(xì)2種級(jí)配，并將RAP料、水泥、乳化瀝青分別保溫在15益、25益、35益的恒溫恒濕箱中24 h，乳化瀝青用量均為3.8%，水泥摻量為1.5%，并通過(guò)拌合試驗(yàn)確定各自的最佳拌合用水量分別為2.2%、2.4%和2.8%，試驗(yàn)結(jié)果如圖 1、2 所示。

圖1、2表明:乳化瀝青冷再生混合料的成型溫度對(duì)其空隙率和15益劈裂強(qiáng)度有重要影響，在一定的溫度范圍內(nèi)基本呈線性關(guān)系;成型溫度越高，混合料越容易壓實(shí)，劈裂強(qiáng)度也越高;另外，針對(duì)粗級(jí)配和細(xì)級(jí)配而言，粗級(jí)配混合料的試件空隙率和劈裂強(qiáng)度與成型溫度的線性關(guān)系斜率均大于細(xì)級(jí)配，表明成型溫度對(duì)粗級(jí)配的影響更大。

圖1 混合料的馬歇爾試件空隙率與成型溫度的關(guān)系

圖2 混合料的馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度與成型溫度的關(guān)系

施工現(xiàn)場(chǎng)選取同一天出料、同一級(jí)配的混合料，分別對(duì)其在上午6:00攤鋪(氣溫21.3益)、上午11.00攤鋪(氣溫28.2益)、下午14:00(氣溫34.8益)攤鋪的乳化瀝青冷再生路面進(jìn)行鉆芯取樣，檢測(cè)芯樣壓實(shí)度分別為89.5%、90.8%和92.4%，與實(shí)驗(yàn)室馬歇爾擊實(shí)試件空隙率和成型溫度的關(guān)系結(jié)論一致。

4 混合料壓實(shí)工藝比較

目前全球范圍內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的、得到普遍認(rèn)可的乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)方法和技術(shù)要求。中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范主要采用馬歇爾擊實(shí)法成型試件，但也鼓勵(lì)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)進(jìn)行乳化瀝青冷再生混合料的檢驗(yàn)，美國(guó)各個(gè)州對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)遍數(shù)的規(guī)定也不相同，蒙大拿州規(guī)定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為30次，而德克薩斯州則規(guī)定為40次。為研究乳化瀝青冷再生室內(nèi)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)之間的關(guān)系，本文針對(duì)潭邵高速乳化瀝青冷再生項(xiàng)目，采用相同配合比，在氣溫28益條件下，選擇2種現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓方案、4種室內(nèi)成型方法進(jìn)行比較，具體如表6所示。最后分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碾壓方案取芯，比較各壓實(shí)方案混合料的壓實(shí)度，結(jié)果如圖3所示。

由上述的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論。

表6 現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)壓實(shí)方案

圖3 各壓實(shí)方案乳化瀝青冷再生混合料壓實(shí)度

(1)單鋼輪的振壓遍數(shù)對(duì)乳化瀝青冷再生路面的壓實(shí)度有重要貢獻(xiàn)，振壓遍數(shù)越多，壓實(shí)度越高。從現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果來(lái)看，單鋼輪振壓對(duì)路面的平整度影響較大，方案B振壓遍數(shù)過(guò)多，路面出現(xiàn)了少量橫突。

(2)室內(nèi)壓實(shí)方案D、E對(duì)于指導(dǎo)乳化瀝青冷再生施工工藝是合理的，若要對(duì)路面壓實(shí)度有更高要求，可采用方案F的設(shè)計(jì)方法，但在增加單鋼輪振壓遍數(shù)時(shí)，需注意考慮其對(duì)路面平整度的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)潭邵高速乳化瀝青冷再生項(xiàng)目，分別從原材料特性、拌合方式、混合料成型溫度以及壓實(shí)工藝等多方面進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工的匹配性研究。結(jié)果證明，要保證乳化瀝青冷再生的施工質(zhì)量，除了按規(guī)范要求對(duì)乳化瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)且須達(dá)到各項(xiàng)規(guī)范指標(biāo)外，還應(yīng)分析施工現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)影響因素(如銑刨厚度、氣溫、拌合設(shè)備、壓實(shí)工藝等)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)整試驗(yàn)方法，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映真實(shí)的施工情況，從而加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)各影響因素的控制，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

另外，建議在路面銑刨過(guò)程中，杜絕銑刨至水穩(wěn)層，并在RAP篩分后搭棚存放，避免露天堆放;冷再生混合料拌合時(shí)，乳化瀝青溫度越高，破乳速度越快，故應(yīng)在乳化瀝青冷再生路面施工前2、3 d提前生產(chǎn)乳化瀝青，待乳化瀝青降到合適的溫度后再進(jìn)行施工;水泥可提高乳化瀝青冷再生混合料的早期強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及高溫性能，但水泥量達(dá)到一定值后，路面的抗裂性能會(huì)降低，建議乳化瀝青冷再生混合料中水泥摻量不高于1.5%;再生混合料拌合時(shí)間越短，裹覆均勻性越不好，所以乳化瀝青冷再生拌合樓的拌鍋應(yīng)足夠長(zhǎng)，盡量采用二級(jí)拌合方式，或?qū)π铝线M(jìn)行預(yù)裹覆，以保證混合料的均勻性;盡量選擇在氣溫較高的天氣條件下施工，以保證路面壓實(shí)度;單鋼輪的振壓遍數(shù)對(duì)路面壓實(shí)度有重要影響，施工時(shí)為保證路面壓實(shí)度，可適當(dāng)增加單鋼輪振壓遍數(shù)，但要注意其對(duì)路面平整度的不利影響。

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