100%RAP乳化瀝青冷再生混合料基層應用研究

駱 強

(河南省濮新高速公路建設有限公司,河南 濮陽 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)點是減少對原始材料的勘探,節(jié)約能源,降低成本,減少對自然資源的利用和對環(huán)境的破壞[1]。在20世紀90年代,利用RAP進行路面基層就地再生的技術成為一種普遍的解決方案。然而,我國瀝青層的回收率在新路面上的應用還很低,而且也說明了傳統(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、松散混合料失水時間、壓實方式、養(yǎng)護期等,這些因素通常會影響再生瀝青混合料的抗拉強度[3-4]。研究的目的是評估乳化瀝青再生劑和100%RAP的冷再生瀝青混合料應用于新路面基層中的性能。試驗段選擇在連霍高速改擴建工程河南段,通過落錘石彎沉儀(FWD)監(jiān)測在施工后的12個月內路面結構力學行為。另外,在試驗過程中收集了冷再生混合料的樣品,在室內研究試驗段所用材料存儲和養(yǎng)護時間與路用性能的關系。

1 乳化瀝青冷再生瀝青混合料

1.1 原材料與級配

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

表1 RAP礦料篩分結果及合成級配

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

1.2 冷再生瀝青混合料設計

采用馬歇爾壓實法制備試樣,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75次后,試樣在60 ℃,下養(yǎng)護72 h,然后在室溫下養(yǎng)護24 h。馬歇爾穩(wěn)定性試驗結果表明,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中得到了同樣的結論。因此,室內試驗和現(xiàn)場試驗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

采用RT-500設備對RAP進行回收篩分,并使用31.5 mm篩子限制RAP大顆粒。冷再生瀝青混合料生產過程中,收集400 kg左右原材料,在室內進行試驗驗證。在室內對原材料進行測試發(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在室內用塑料袋覆蓋。

2 試 驗

2.1 壓實方法和壓實能量

首先研究壓實能量對瀝青混合料體積參數(shù)的影響,進而確定壓實方法。采用兩種種壓實方法和五種壓實能量進行分析,評估每種壓實方法對壓實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,分為每側擊實50次和75次(M50和M75),第二種旋轉壓實儀三種擊實能量(G50、G75和G100),平均結果如圖1所示。

圖1 壓實能量和壓實方法對體積參數(shù)的影響

如圖1所示,不同壓實方法和壓實能量的試驗驗表明,馬歇爾法雙面各擊實50次的體積密度最低和孔隙率最高,而采用旋轉壓實方法,呈現(xiàn)出較大的體積密度和較低的空隙率,同一種試驗方法存在最佳的壓實能量,因此,體積密度取決于壓實類型和壓實能量。室內究竟采用哪種壓實方法需要與現(xiàn)場試驗相匹配,現(xiàn)場試驗段采用的是9輪25.5 t的滾動壓路機壓實16次,然后采用雙聯(lián)壓路機進行壓實,再進行了羊角碾的測試。有研究表明:無論是采用雙聯(lián)壓路機和羊角碾,都無法達到室內馬歇爾試驗每面擊實75次的效果。因此,為了更好地與試驗段施工效果作對比,室內試驗采用馬歇爾試驗每面擊實75次制作試件。

2.2 存儲和養(yǎng)護時間影響

為了評價存儲和養(yǎng)護時間對壓實后乳化冷再生瀝青混合料性能的影響,在室內對抗拉強度和彈性模量測試。存儲時間分別為7、14、28 d;壓實后,圓柱形試樣養(yǎng)護時間為1、3、7、14、28 d。每個試件每面擊實次數(shù)75次,壓實后,每個試樣在室內60 ℃下養(yǎng)護72h,以加速初始養(yǎng)護期。之后試樣在室溫25 ℃下養(yǎng)護,進行間接拉伸試驗和彈性模量試驗,試驗結果如圖2和圖3。試驗結果表明,3 d的養(yǎng)護時間顯著提高了冷再生混凝土的強度和剛度,且松散混合料存儲28 d并沒有破壞其力學性能,相反抗拉強度增加和彈性模量,證明乳化再生瀝青混合料可以存儲;另外,松散冷再生瀝青混合料存儲7 d和14 d的壓實試樣養(yǎng)護1 d后,抗拉強度測試時試件沒有足夠的黏聚力,此行為可能表示水分的減少不僅是強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間影響著再生瀝青混合料的力學性能;養(yǎng)護7 d,存儲7 d的冷再生混合料試件,其平均抗拉強度低于0.3 MPa,且同樣的混合料被存儲14 d和28 d時抗拉強度增加趨勢顯著;再次表明:再生瀝青混合料在存儲期間,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時間、壓實試件的養(yǎng)護時間對間接抗拉強度的影響

圖3 松散瀝青混合料存儲時間、壓實試件的養(yǎng)護時間對回彈模量的影響

3 試驗段施工及監(jiān)測

3.1 試驗段施工要點介紹

以室內試驗結果為依據(jù),在交通繁忙的河南某干線公路進行試驗路鋪裝,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后存儲30 d。冷再生混凝土的施工分兩層進行,確保壓實后的厚度為150 mm,基層與底基層之黏結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,控制壓實功最低為21.03 kN/m3,旨在達到95%或更高壓實度。完成再生層施工后,50 mm熱拌瀝青用作磨耗層。試驗段的施工證明:冷再生混合料具有良好的和易性和耐久性,所需設備與新瀝青路面施工中經(jīng)常使用的設備相同。

3.2 彎沉測量

試驗段施工后,進行結構行為監(jiān)測。使用FWD彎沉儀進行彎沉測量,分別測量了施工完后7、90、180、360 d的彎沉值,“Dx”為對應于距離荷載點“x”mm處測量的位移,D0值(校正至20 ℃參考溫度時垂直加載點下方的位移),測試結果如圖4所示?？梢钥闯?在重交通荷載作用下,隨著養(yǎng)護時間增長再生瀝青混合料的剛度增加,這與室內試驗得出的結果一致。

圖4 施工完7、90、180、360 d后的彎沉值D0

現(xiàn)場試驗結果還表明,路面剛度在養(yǎng)護期間有所改善(由于在其他路面結構層測試中未發(fā)現(xiàn)彎沉減少的特性),隨著養(yǎng)護時間的推移,再生瀝青混合料的硬度可能會顯著增加。然而,必須指出的是第一次FWD測量是在7月份,處于雨季、氣候較為濕潤。相比之下,其他測量分別在10月、12月和3月進行。

為了消除不同季節(jié)含水量對測定結果的影響,同在相同時間內還測試了D1200(在距荷載1 200 mm處測得的垂直位移)彎沉值,旨在確定路基的含水量是否可能影響D0值,測量結果如圖5所示。結果表明,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。從實地調查到后來的彎沉分析證實,路基水含量可能不會影響D0的結果。

圖5 施工完7、90、180、360 d后的彎沉值D1 200

3.3 車轍測量

除剛度外,通過測量車轍來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。為了測量車轍,動態(tài)測試路面掃描儀配備了兩個高性能的三維激光,分辨率為1 mm,測量值為試驗一年半后進行。每40 m計算一次車轍,測量結果左側車轍和右側車轍進行平均,得出平均車轍為7 mm/km,圖6顯示了每40 m的平均車轍值。雖然無法測量從施工到當前服役狀態(tài)下車轍性能的演變(540 d),但可以證實,施工后18個月在一些關鍵斷面測量的平均車轍是較低的,約為4 mm,所測量的最大車轍為6 mm;此外, 所述4 mm相當于各層中永久變形的總和,即再生冷瀝青層變形值更少,說明它能很好地抵抗永久變形。

圖6 三維激光測量施工完第540天的車轍深度

4 結 論

(1)室內試驗表明,乳化冷再生瀝青路面基層的剛度和強度隨著養(yǎng)護時間的增加呈現(xiàn)總體增加的趨勢,使用乳化瀝青再生劑的再生瀝青混合料促進了力學性能的改善,與試驗段彎沉測試結果趨勢一致,可作為替代新建瀝青路面層材料使用。

(2)100%重復使用RAP,不僅降低成本、減少環(huán)境影響,而且在試驗段監(jiān)測18個月期間沒有產生任何病害,路面剛度隨養(yǎng)護時間增長而增加。

(3)路基路面含水量的變化不顯著影響測量彎沉值,反而養(yǎng)護時間會顯著影響彎沉值。

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