泡沫瀝青就地冷再生基層配合比設(shè)計(jì)與性能研究

丁亞會(huì),林 杰,張鴻斌,張登峰

(1.錫林郭勒盟交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測中心,錫林浩特 026000;2.錫林郭勒盟交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心,錫林浩特 026000;3.錫林浩特市公路養(yǎng)護(hù)中心,錫林浩特 026000;4.武理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

1 項(xiàng)目概況

水泥穩(wěn)定碎石基層泡沫瀝青冷再生技術(shù)是通過專用設(shè)備現(xiàn)場制備泡沫瀝青材料并噴灑在銑刨無機(jī)回收料(RAI)中,瀝青泡沫崩裂轉(zhuǎn)化后分散在集料表面并產(chǎn)生黏結(jié)力。拌入了泡沫瀝青的礦料經(jīng)二次拌和、攤鋪、碾壓成型,形成新的具有半柔性的基層結(jié)構(gòu),該再生結(jié)構(gòu)層不僅性能穩(wěn)定可靠,還可調(diào)整路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力擴(kuò)散形式,使得路面結(jié)構(gòu)組合得到最大限度的優(yōu)化,延長路面使用年限。泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)近乎全部利用了舊路材料,降低了公路養(yǎng)護(hù)成本,減少了廢棄物排放,是近年來公路養(yǎng)護(hù)施工中應(yīng)用較為廣泛的養(yǎng)護(hù)方式之一。國道207線寶昌至正藍(lán)旗段大中修養(yǎng)護(hù)工程全長26 km,其中需要對舊路基層補(bǔ)強(qiáng)處理的不連續(xù)段落占50%以上。如采用傳統(tǒng)的舊路基層挖除再重鋪基層的養(yǎng)護(hù)工藝,工程量大、施工周期長且產(chǎn)生大量廢棄料無法再利用,造成極大的物料浪費(fèi),不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。經(jīng)咨詢各方意見,確定該項(xiàng)目病害路段舊路基層補(bǔ)強(qiáng)工藝設(shè)計(jì)采用泡沫瀝青水穩(wěn)基層就地冷再生技術(shù)工藝。

2 原材料性能試驗(yàn)

2.1 基層銑刨料性能

項(xiàng)目實(shí)施前用維特根WR2500S型大厚度銑刨機(jī)進(jìn)行全深度銑刨,一次銑刨深度25 cm。經(jīng)過50 m試驗(yàn)段銑刨調(diào)試及取樣試驗(yàn),按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[1]進(jìn)行水洗法篩分及回收集料理化性能試驗(yàn)。基層銑刨回收料(RAI)的粒徑分布如表1所示,銑刨料理化性能如表2所示。

表1 RAI顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)結(jié)果 w/%

表2 RAI材料性能試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出,銑刨料粒徑整體偏細(xì),大于19 mm以上粗集料含量偏少,小于2.36 mm以下細(xì)集料部分較多,混合料通過率滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T5521—2019)[2]無機(jī)結(jié)合料再生混合料Ⅱ型級(jí)配要求,但19 mm、0.6 mm、0.075 mm篩孔已超出Ⅰ型級(jí)配范圍上限,需要補(bǔ)充部分粗集料來改善合成級(jí)配才能滿足Ⅰ型級(jí)配要求。

2.2 瀝青材料

2.2.1 基質(zhì)瀝青

制備泡沫瀝青的基質(zhì)瀝青選用中油遼河石化公司生產(chǎn)的90號(hào)重交通道路石油瀝青,其主要性能見表3。

表3 90號(hào)石油瀝青主要性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 泡沫瀝青

為使泡沫瀝青施工性能達(dá)到最優(yōu),先在試驗(yàn)室進(jìn)行泡沫瀝青的發(fā)泡試驗(yàn),采用LHFP-101型專用發(fā)泡試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行不同溫度、不同用水量條件下的發(fā)泡特性試驗(yàn),確定與項(xiàng)目所用基質(zhì)瀝青適應(yīng)性良好的發(fā)泡溫度、用水量、膨脹率、半衰期等參數(shù)。《工程施工廢棄物再生利用技術(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[3]。項(xiàng)目泡沫瀝青發(fā)泡特性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,變化趨勢如圖1～圖3所示。

表4 瀝青發(fā)泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合圖1～圖3曲線可以看出:

1)在160 ℃發(fā)泡時(shí),容許膨脹率10倍時(shí)對應(yīng)用水量w1=2.0%,容許半衰期8 s對應(yīng)發(fā)泡用水量w2=2.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(2.0%+2.75%)/2=2.4%,從圖1中可查出在2.4%發(fā)泡用水量時(shí),對應(yīng)的膨脹量約為15%,半衰期約為11 s。

2)在165 ℃發(fā)泡時(shí),容許膨脹率10倍時(shí)對應(yīng)用水量w1=1.75%,容許半衰期8 s對應(yīng)發(fā)泡用水量w2=3.0%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.75%+3.0%)/2=2.4%,從圖2中可查出在2.4%發(fā)泡用水量時(shí),對應(yīng)的膨脹量約為16倍,半衰期約為12 s。

3)在170 ℃發(fā)泡時(shí),容許膨脹率10倍時(shí)對應(yīng)用水量w1=1.4%,容許半衰期8 s對應(yīng)發(fā)泡用水量w2=1.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.4%+1.75%)/2=1.6%,從圖3中可查出在1.6%發(fā)泡用水量時(shí),對應(yīng)的膨脹率約為11倍,半衰期約為8 s。

通過不同溫度下的瀝青發(fā)泡試驗(yàn),170 ℃發(fā)泡時(shí),最佳用水量為1.6%,半衰期雖然大于8 s,但是發(fā)泡效果不佳。在160 ℃和165 ℃時(shí)發(fā)泡效果相差不大,但165 ℃下的膨脹率和半衰期要優(yōu)于160 ℃時(shí)效果,推薦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%。

2.3 水泥

為保證再生基層的早期強(qiáng)度和路用性能,需要在再生基層混合料中添加適量的水泥以促進(jìn)基層強(qiáng)度的提高。項(xiàng)目采用阿巴嘎旗冀東水泥PSA32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥,初凝時(shí)間255 min,終凝時(shí)間320 min,其他指標(biāo)符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》[4]相關(guān)技術(shù)要求。

2.4 新碎石集料

表1結(jié)果表明,現(xiàn)場銑刨料整體偏細(xì),雖然滿足Ⅱ型再生級(jí)配范圍要求,但其再生混合料路用性能需要進(jìn)一步研究。要使現(xiàn)有銑刨料的顆粒級(jí)配滿足Ⅰ型級(jí)配范圍要求,需新?lián)郊铀槭旨?結(jié)合項(xiàng)目實(shí)地材料情況,確定所摻新碎石的粒徑規(guī)格為10～30 mm,新集料顆粒級(jí)配如表5所示。

表5 10～30 mm碎石顆粒級(jí)配篩分試驗(yàn)結(jié)果 w/%

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)表1 RAI顆粒級(jí)配和表5新料顆粒級(jí)配篩分結(jié)果,以Ⅰ型級(jí)配范圍為合成目標(biāo)進(jìn)行再生水穩(wěn)基層的級(jí)配合成。經(jīng)計(jì)算機(jī)擬合分析計(jì)算,新集料與RAI按照質(zhì)量比15%∶85%時(shí),新再生混合料滿足Ⅰ型級(jí)配范圍,合成再生混合料曲線見圖4。以全銑刨RAI為第二個(gè)再生級(jí)配,進(jìn)行再生混合料基本性能試驗(yàn),通過級(jí)配合成試驗(yàn),選定外摻水泥劑量為1.5%。

3.2 最佳含水率

按1.5%的水泥劑量,泡沫瀝青按照2.0%、2.5%、3.0%、3.5% 四個(gè)摻量,按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE51—2009)[5]分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)。確定不同瀝青摻量條件下對應(yīng)的最大干密度和最佳含水率,兩組級(jí)配重型擊實(shí)結(jié)果見圖5、圖6。

由圖5、圖6可以看出,摻15%新集料的Ⅰ型級(jí)配最大干密度2.162,最佳含水率5.4%;Ⅱ型級(jí)配(全RAI料)最大干密度2.059,最佳含水率5.8%,可見摻加了新集料后,混合料中RAI占比減少,混合料擊實(shí)密度增加,用水量減少。

3.3 最佳瀝青用量

根據(jù)兩種級(jí)配混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,以試驗(yàn)最佳含水率的60%～80%作為再生混合料最合理的拌合用水量,分別拌制2.0%、2.5%、3.0%、3.5%四個(gè)泡沫瀝青用量下的水泥穩(wěn)定基層再生混合料,再按照(JTG/T5521—2019)規(guī)定試驗(yàn)方法(雙面擊實(shí)75次)成型試件,并將試件放置于60 ℃溫度環(huán)境下不脫模養(yǎng)生48 h,測試試件性能,試驗(yàn)結(jié)果見表6、圖7～圖9。

表6 不同泡沫瀝青用量下混合料性能

由表6、圖7～圖9可以看出:

1)隨著瀝青用量增加,混合料劈裂強(qiáng)度均先增大后減小,在3.0%用量附近時(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,也說明過少或過多的泡沫瀝青會(huì)影響再生混合料的路用性能[6]。泡沫瀝青用量過少,不能充分的包裹集料,混合料間黏結(jié)強(qiáng)度低,易造成試件松散;泡沫瀝青用量過多,瀝青膠漿富集在集料顆粒界面及礦料間隙中產(chǎn)生潤滑效果,在荷載作用下結(jié)構(gòu)層易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞,導(dǎo)致再生混合料強(qiáng)度及性能下降[7]。

2)圖7 Ⅰ型級(jí)配劈裂強(qiáng)度峰值對應(yīng)瀝青用量為2.8%,圖9劈裂強(qiáng)度比峰值對應(yīng)瀝青用量3.0%,計(jì)算最佳瀝青用量為2.9%。圖8 Ⅱ型級(jí)配劈裂強(qiáng)度峰值對應(yīng)瀝青用量為3.0%,圖9劈裂強(qiáng)度比峰值對應(yīng)的泡沫瀝青用量均為3.2%。計(jì)算最佳瀝青用量為3.1%。

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在相同瀝青用量條件下,摻新料再生混合料強(qiáng)度均優(yōu)于全RAI再生混合料性能,推薦項(xiàng)目冷再生施工用級(jí)配采用Ⅰ型摻15%新集料的再生混合料級(jí)配。

4 結(jié) 論

a.瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果表明,項(xiàng)目90號(hào)道路石油合適的發(fā)泡溫度范圍為160～165 ℃,推薦現(xiàn)場施工時(shí)采用165 ℃發(fā)泡,最佳發(fā)泡用水量為2.4%。

b.再生混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果顯示,摻15%新集料的Ⅰ型級(jí)配最大干密度2.162,最佳含水率5.4%;Ⅱ型級(jí)配(全RAI料)最大干密度2.059,最佳含水率5.8%。

c.不同瀝青用量再生混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn),Ⅰ型級(jí)配最佳瀝青用量2.9%。Ⅱ型級(jí)最佳瀝青用量3.1%。相同泡沫瀝青用量條件下,摻新料Ⅰ型再生混合料強(qiáng)度均優(yōu)于全RAI再生混合料Ⅱ型級(jí)配,推薦冷再生施工用級(jí)配采用Ⅰ型摻15%新集料再生混合料級(jí)配,水泥摻量1.5%,最佳瀝青用量2.9%,拌合用水量根據(jù)RAI含水率在最佳用水量基礎(chǔ)上按照±1%控制調(diào)整。