乳化瀝青廠拌冷再生在高速公路下面層的應(yīng)用

陳改霞，賈秦龍，薛邵龍

（1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州 451100；2.中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司，西安 710075；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州 450000）

乳化瀝青廠拌冷再生是將回收瀝青路面材料運(yùn)至拌和廠，經(jīng)破碎、篩分后，以一定的比例與新集料、乳化瀝青、水泥、水等進(jìn)行常溫拌和，常溫鋪筑形成路面結(jié)構(gòu)層的瀝青路面再生技術(shù)[1]。由于乳化瀝青冷再生混合料路面回收料利用率高，施工工藝方便，環(huán)保且造價(jià)低[2]，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)乳化瀝青冷再生進(jìn)行了一系列研究并推廣應(yīng)用。Wang等[3]研究了乳化瀝青的強(qiáng)度形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)水泥對(duì)其強(qiáng)度的形成有重要影響。Yan等[4]研究了乳化瀝青再生混合料中瀝青的老化以及水泥對(duì)混合料的性能影響。武澤鋒[5]對(duì)乳化瀝青廠拌冷再生混合料的擊實(shí)和養(yǎng)生進(jìn)行了研究，并認(rèn)為水泥有助于冷再生混合料的強(qiáng)度提升和抗水損害能力，但水泥含量增大時(shí)混合料的抗裂及抗疲勞性能下降。乳化瀝青廠拌冷再生的工程應(yīng)用非常廣泛，以陜西省為例，2008年乳化瀝青廠拌冷再生在銅黃高速上進(jìn)行推廣應(yīng)用，2009年西安至臨潼的快速干道試點(diǎn)應(yīng)用，2015年西寶高速改擴(kuò)建乳化瀝青冷再生混合料應(yīng)用于上基層。依托2017和2018年包茂高速陜蒙段和青銀高速靖王段的路面大修工程，將乳化瀝青廠拌冷再生作為下面層進(jìn)行了大面積推廣應(yīng)用，單幅冷再生路面長(zhǎng)度約150 km，共利用了路面銑刨料約30萬(wàn)噸，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益明顯。

1 再生路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

乳化瀝青廠拌冷再生混合料一般應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)基層或?yàn)r青路面下面層，不宜用于路面結(jié)構(gòu)的中、上面層。因此乳化瀝青廠拌冷再生適用于路面大修中對(duì)瀝青路面全部銑刨后新建再生路面結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)乳化瀝青冷再生的典型路面結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)部分乳化瀝青廠拌冷再生路面結(jié)構(gòu)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)高速公路改擴(kuò)建工程一般將乳化瀝青廠拌冷再生應(yīng)用于上基層，再生層以上通常為三層熱拌瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)；高速公路路面大修工程一般將乳化瀝青冷再生用于下面層，再生層以上一般采用兩層熱拌瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)。分析其原因主要是高速公路改擴(kuò)建時(shí)道路沿線設(shè)施一般都要全部更換，所以對(duì)路面標(biāo)高可抬升的空間較大，且擴(kuò)建一側(cè)路面結(jié)構(gòu)全部重建，乳化瀝青廠拌冷再生層應(yīng)用于基層并加鋪較厚的瀝青面層可作為長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)使用[6]。

青銀高速靖王段和包茂高速陜蒙段均運(yùn)營(yíng)了13年以上，路面主要病害為半剛性基層的反射裂縫和路面坑槽、唧漿等病害。靖王段和陜蒙段原瀝青路面厚度16 cm和10 cm，瀝青路面厚度偏薄，隨著累計(jì)當(dāng)量軸載不斷增加，路面病害爆發(fā)式增長(zhǎng)。為了全面維修路面裂縫、坑槽等病害并最大程度地利用路面銑刨材料，因此將乳化瀝青廠拌冷再生應(yīng)用于瀝青路面下面層，具體路面結(jié)構(gòu)如表2所示：

表2 再生路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 回收瀝青路面材料（RAP）性能參數(shù)

路面材料在自然老化以及荷載作用下，路用性能下降，在回收破碎過(guò)程中，舊路面材料粗集料細(xì)化，再生過(guò)程中需添加一部分新集料達(dá)到合格混合料的性能指標(biāo)[7]。取靖王段和陜蒙段具有代表性的RAP料進(jìn)行篩分，RAP篩分級(jí)配如表3所示。

表3 RAP篩分級(jí)配通過(guò)率/%

RAP料篩分為0-10 mm和10-30 mm兩檔，根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）要求廠拌冷再生混合料的RAP技術(shù)指標(biāo)如表4。

表4 回收瀝青路面材料（RAP）試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

靖王段全段均采用微表處罩面，RAP中混合有微表處銑刨料導(dǎo)致RAP瀝青含量偏高。綜合RAP料的檢測(cè)結(jié)果，可滿足乳化瀝青廠拌冷再生的技術(shù)要求。

3 冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)

3.1 乳化瀝青冷再生混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

江西九景高速改擴(kuò)建乳化瀝青廠拌冷再生基層RAP摻量90%[8]，青銀高速寧東至銀川段改擴(kuò)建乳化瀝青再生基層RAP摻量88%[9]，泰贛高速路面大修乳化瀝青廠拌冷再生用于下面層RAP摻量85%[10]，根據(jù)國(guó)內(nèi)再生項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為保證乳化瀝青廠拌冷再生下面層的混合料質(zhì)量，靖王和陜蒙段冷再生礦料組成設(shè)計(jì)RAP摻量按80%控制。

根據(jù)集料篩分結(jié)果，按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)粗粒式乳化瀝青廠拌冷再生礦料級(jí)配范圍的要求，設(shè)計(jì)礦料級(jí)配結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 乳化瀝青冷再生礦料組成比 %

表6 乳化瀝青冷再生礦料級(jí)配

3.2 乳化瀝青含量對(duì)再生混合料強(qiáng)度的影響

根據(jù)礦料級(jí)配組成，固定水泥含量為1.5%，乳化瀝青用量為4.0%，采用四種不同的用水量，進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定最大干密度和最佳用水量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同用水量對(duì)應(yīng)的再生混合料最大干密度

以摻水量為橫坐標(biāo)，以干密度為縱坐標(biāo)，將試驗(yàn)結(jié)果表示在二次多項(xiàng)式擬合曲線中，摻水量和再生混合料最大干密度的關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 用水量與最大干密度的關(guān)系曲線圖（靖王段）

圖2 用水量與最大干密度的關(guān)系曲線圖（陜蒙段）

重型擊實(shí)試驗(yàn)表明：其他參數(shù)不變的情況下，隨著摻水量的增加，馬歇爾最大干密度先增大后減小，根據(jù)干密度最大原則，靖王段最佳摻水量為3.8%，對(duì)應(yīng)最大干密度2.163 g/cm3，陜蒙段最佳摻水量為3.5%，對(duì)應(yīng)最大干密度2.163 g/cm3。

固定摻水量和水泥摻量，選取乳化瀝青含量分別為3.0%、3.5%、4.0%和4.5%，分別制作馬歇爾試件，養(yǎng)生結(jié)束后，測(cè)定其干濕劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同乳化瀝青用量的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

以乳化瀝青含量為橫坐標(biāo)，以干、濕劈裂強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，將試驗(yàn)結(jié)果表示在二次多項(xiàng)式擬合曲線中，乳化瀝青含量與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖3和圖4所示。

圖3 乳化瀝青含量與劈裂強(qiáng)度關(guān)系曲線圖（靖王段）

圖4 乳化瀝青含量與劈裂強(qiáng)度關(guān)系曲線圖（陜蒙段）

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著乳化瀝青的用量增加，干、濕劈裂強(qiáng)度先增大后減小，根據(jù)干濕劈裂強(qiáng)度最大原則，靖王段最佳乳化瀝青含量為3.9%，對(duì)應(yīng)的干、濕劈裂強(qiáng)度分別為0.621 MPa和0.544 MPa，陜蒙段最佳乳化瀝青用量為3.8%，對(duì)應(yīng)的干、濕劈裂強(qiáng)度分別為0.642 MPa和0.561 MPa。

3.3 水泥摻量對(duì)再生混合料強(qiáng)度的影響

根據(jù)以上確定的最佳乳化瀝青用量和最佳用水量，對(duì)1.0%、1.5%、2.0%和2.5%四種水泥摻量的混合料進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同水泥摻量的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

以水泥摻量為橫坐標(biāo)，以干、濕劈裂強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，水泥摻量與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖5和圖6所示。

圖5 水泥摻量與再生混合料強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖（靖王段）

圖6 水泥摻量與再生混合料強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖（陜蒙段）

隨著水泥用量的增大，干、濕劈裂強(qiáng)度均隨之增大，干濕劈裂強(qiáng)度比也隨之增大。相關(guān)研究表明：乳化瀝青廠拌冷再生混合料不摻加水泥時(shí)，乳化瀝青冷再生膠漿表面比較光滑，混合料強(qiáng)度比較差，路用性能不佳[11]，加入水泥后其水化產(chǎn)物與乳化瀝青相互交織形成新膠漿，當(dāng)膠漿材料配比合理時(shí)，新舊膠漿勁度模量相差不大，同時(shí)水化產(chǎn)物在新舊膠漿之間起到“橋梁”作用，增加了粘結(jié)性，提高了再生混合料的強(qiáng)度[12]。孫巖松[13]研究了水泥摻量對(duì)再生混合料的抗裂性能影響，發(fā)現(xiàn)隨著水泥含量的增加，冷再生混合料的合料的低溫應(yīng)變先增大再減小，水泥摻量為1.5%時(shí)冷再生混合料的彎曲應(yīng)變值最大，低溫抗裂性能最好；水泥摻量大于1.5%時(shí)，水化產(chǎn)物增多，干縮加劇，路面抗裂性能下降。榆靖段和陜蒙段路面主要病害為半剛性基層的反射裂縫，因此乳化瀝青冷再生混合料應(yīng)具備優(yōu)良抗裂性能，不應(yīng)為了增加再生混合料的強(qiáng)度而加大水泥用量，最終確定水泥摻量為1.5%。

3.4 乳化瀝青冷再生混合料性能驗(yàn)證

根據(jù)乳化瀝青冷再生礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)以及最佳用水量和最佳乳化瀝青含量和水泥摻量的確定，推薦靖王段和榆靖段再生混合料配合比設(shè)計(jì)如表10所示，再生混合料的路用性能試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表10 乳化瀝青廠拌冷再生混合料配合比推薦方案

表11 性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

依托項(xiàng)目位于陜北地區(qū)，夏季干旱少雨，乳化瀝青冷再生混合料鋪筑后，第4天采用Φ150的鉆頭取芯，芯樣完整級(jí)配均勻，孔壁光滑，應(yīng)用效果良好，如圖7和圖8所示。

圖7 Φ150芯樣完整

圖8 Φ150芯樣孔壁光滑

乳化瀝青廠拌冷再生混料具有較好的高溫穩(wěn)定性能，其中乳化瀝青、水泥和RAP料反應(yīng)形成的膠漿體使混合料具有良好的粘結(jié)性和抗裂性。受環(huán)保因素影響，路面用碎石不斷縮減，熱拌瀝青混合料成本大幅增長(zhǎng)，路面維修改造中采用乳化瀝青廠拌冷再生混合料替代常規(guī)熱拌瀝青混合料下面層，不但能緩解材料緊缺壓力，同時(shí)節(jié)約路面維修成本，并最大程度的利用銑刨?gòu)U料，綠色環(huán)保。

4 結(jié)論

①高等級(jí)公路采用乳化瀝青廠拌冷再生混合料作為瀝青路面下面層時(shí)，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議冷再生層以上加鋪兩層熱拌瀝青混凝土，最小厚度應(yīng)大于10 cm，條件允許應(yīng)大于12 cm。

②隨著用水量的增加乳化瀝青冷再生混合料的最大干密度先增大后減小；隨著乳化瀝青含量的增加，乳化瀝青再生混合料干、濕劈裂強(qiáng)度先增大后減小。

③當(dāng)水泥摻量為1.5%時(shí)，乳化瀝青廠拌冷再生混合料具有良好的抗裂性能，隨著水泥含量的增加，混合料強(qiáng)度增大，干縮加劇，抗裂性能下降。

④青銀高速靖王段和包茂高速榆靖段路面大修長(zhǎng)度150 km，路面下面層應(yīng)用乳化瀝青廠拌冷再生混合料約37萬(wàn)噸，利用銑刨舊料約30萬(wàn)噸，相比傳統(tǒng)瀝青混凝土下面層，直接節(jié)約成本約1億元。