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恒裕机械乳化沥青冷再生混合料施工和易性评价方法研究

与热拌沥青混合料一样,乳化沥青冷再生混合料也必须进行科学合理的设计,但到目前为止,乳化沥青冷再生混合料的设计方法还没有形成统一的规范。目前全球范围内有多种乳化沥青冷再生混合料设计方法,各种设计方法在设计原理、成型方法、检测指标等方面存在很大差异。如美国就有近10种冷再生混合料设计方法。绝大部分设计方法均局限于对冷再生混合料最佳含水量、击实成型方法以及养生后混合料性能指标等方面的研究,而关于乳化沥青冷再生混合料的施工和易性,包括乳化沥青冷再生混合料的裹附状况、破乳速度、可工作时间、混合料的早期强度等方面涉及甚少,仅宾夕法尼亚州提到了裹附试验方法,蒙大拿州和爱荷华州提到了抗磨耗试验方法,总的来说缺乏系统的乳化沥青冷再生施工和易性评价方法。

在我国,由于各个地方试验设备和施工水平差异很大,乳化沥青冷再生设计方法也没有形成统一的标准。虽然目前我国出台了JTGF41—2008《公路沥青路面再生技术规范》,但其也仅限于对乳化沥青冷再生混合料养生完成后的性能及施工工艺的研究,对乳化沥青配方设计方面及施工过程控制方面的试验研究则很少。项目实施过程中,经常会因为乳化沥青配方选择不当,破乳速度过快或过慢难以满足施工和易性需求,出现乳化沥青冷再生混合料拌和和卸车困难,早期强度形成慢,取芯难度大等问题。因此,需要针对具体项目的工程实际情况,如施工运距、气温等情况,专门设计乳化沥青配方,以使乳化沥青冷再生混合料的施工和易性满足要求,并保证最终的路面使用性能。本文结合贵新高速公路冷再生项目,模拟混合料拌和、运输、卸料、摊铺及压实过程,并提出相应的试验方法,对乳化沥青冷再生混合料的施工和易性评价方法进行研究。

冷再生沥青混合料级配

按照经济、节能、环保的原则,旧沥青路面铣刨料(RAP)的利用率为100%,故将贵新高速公路原面层铣刨料进行破碎筛分成2档,粗RAP粒径范围为9.5~31.5mm,细RAP粒径范围为0~9.5mm。由于贵新高速公路项目大部分施工工期为冬春季节,气温较低,故选用42.5号普通硅酸盐水泥,用量为2%。根据现场RAP料取样筛分结果,按照JTGF41—2008表5.4.2“粗粒式乳化沥青冷再生混合料工程设计级配范围”,确定冷再生沥青混合料级配。

乳化沥青冷再生混合料和易性评价

我国道路用石料主要是碳酸岩或硅酸岩,在表面有水膜的情况下会带微弱的负电荷,而冷再生用乳化沥青为阳离子乳化沥青,故乳化沥青冷再生混合料拌和成型主要经历的是化学过程。因为沥青旧料的表面化学活性千差万别,气候条件和施工条件的差异会直接影响到沥青混合料拌和、摊铺碾压状态、强度形成速度以及最终的路用性能。

根据乳化沥青冷再生混合料在施工过程中的性能状况,施工和易性应体现在易拌和、易铲运、易摊铺、易压实,且压实后混合料应具有一定的强度以保持稳定。但目前国内外并没有合适的规范和设计方法来保证沥青混合料具备良好的施工和易性,也没有合适的试验方法用于量化沥青混合料的和易性。

为充分模拟施工现场的实际条件,乳化沥青冷再生混合料的和易性评价一般分为以下几方面:1)通过拌和试验经验判断乳化沥青冷再生混合料的和易性,包括混合料的拌和时间、裹附状态、对水的敏感度、成型状态等;2)将不同乳化沥青配方混合料在恒温、恒湿箱中放置不同时间后,利用瑞典的NYNAS工作性试验仪来评价乳化沥青冷再生混合料在卸车、摊铺过程中的施工和易性;3)将不同乳化沥青配方混合料在恒温、恒湿箱中放置不同时间后进行旋转压实试验,并根据压实度、劈裂强度变化曲线来判断沥青混合料的压实和易性,并据此初步选择乳化沥青配方。

裹附均匀性评价

一般通过拌和试验来直观判断乳化沥青冷再生混合料的裹附均匀性。拌和试验是一种经验性很强的试验,必须经过大量的过程实践来判断实验室拌和的混合料是否达到较好状态。一般按以下步骤进行试验。

1)综合考虑旧料活性性质、气候及施工条件,初步选用几种乳化沥青配方,并按各配方中的乳化沥青用量与合成级配的矿料进行初步拌和,拌和用水量以满足所有矿料表面湿润为宜。

2)观察混合料的可拌和时间、拌和均匀性、与集料裹附状态及混合料的浆态。如果拌和完成后集料表面颜色接近乳化沥青本身颜色,且裹附均匀、全面,基本无花白料,和易性好,有少量浆体,但浆体不流淌、不聚集,粗细料不分离,则混合料达到理想拌和状态,而达到理想拌和状态的沥青混合料所对应的液体组合(乳化沥青用量和预湿水用量)即为该乳化沥青用量的推荐液体组合。

3)按照合成级配,初选了3个能满足乳化沥青用量达到理想拌和状况的乳化沥青配方A、B及C进行后续试验。

卸料、摊铺过程和易性评价

实验室配方设计应尽可能模拟现场施工的实际情况,以保证设计配方在施工过程中具有较强的适用性。由贵新高速公路的现场信息可知,乳化沥青冷再生混合料从拌和至运至现场,料车等待至摊铺完成的时间预计在3h左右,即混合料在3h内均有较好的卸车和摊铺和易性。为模拟该阶段的沥青混合料施工和易性,瑞典Denimo TechA/S公司专门开发制造了NYNAS混合料工作性试验仪,其是用于评价沥青混合料或乳化沥青混合料工作性的试验设备。试验方法是向料框中装入约6000~6500g沥青混合料,启动推力杆并使其缓缓推动混合料,记录推动过程中推力的大小。

分别将乳化沥青配方A、B及C与合成级配的矿料按照推荐液体组合进行拌和,拌和完成后迅速将沥青混合料装入料盘并用锡纸密封,放入与现场最不利温度和湿度相接近的恒温恒湿箱中。根据贵新高速公路项目情况,恒温恒湿箱的温度和湿度分别设置为30℃,50%,进行0~6h的NYNAS混合料工作性试验。

可以看出,2h内配方A乳化沥青冷再生混合料的推力变化很小,2h后其推力开始急剧变大,表明该配方乳化沥青2h后开始大量破乳,混合料粘结力增大,混合料卸料摊铺的施工和易性只有2h。配方B和C均可满足混合料可工作时间大于4h的要求。

压实和易性评价

不同乳化沥青配方的冷再生混合料拌和完成后需装入锡盒并用锡纸密封,放入30℃、50%湿度的恒温、恒湿箱中,分别放置0、1、2h…后进行旋转压实试验。根据养生完成后试件空隙率的变化曲线及试件15℃劈裂强度的衰减趋势来判断该配方乳化沥青冷再生混合料的压实和易性。

可以看出,配方A只具有2h压实和易性,混合料放置2h后,试件空隙率开始明显增大;配方B和C均具有4h以上的压实和易性,即混合料放置4h内,试件空隙率不出现明显的增加;与配方C相比,放置4h内,配方B冷再生混合料具有更好的压实和易性,其试件空隙率要明显低于配方C试件。由图5可以看出,混合料放置时间不同,旋转压实试件15℃劈裂强度衰减曲线也有明显差异,配方B混合料在放置4h内,试件具有更大的劈裂强度,且强度衰减幅度较小。

实体工程验证

项目信息

该项目乳化沥青冷再生施工主要存在如下特点。

1)施工工期短。施工组织设计倒排工期,乳化沥青冷再生最多只能养生4d就必须进行中上面层施工,要求冷再生层必须在3d内取出完整芯样。

2)施工气温低。整个项目施工季节都在冬春季节,为了赶工期,很多时候会面临夜间施工,这对乳化沥青冷再生路面的早期强度形成提出了严峻考验。

3)运输时间长。最远运距达到45km,但由于是半幅施工、半幅开放交通,致使料车行驶速度慢,甚至经常会堵在路上几个小时才能运到现场,故需要乳化沥青冷再生破乳时间足够长。

根据该项目特点,冷再生乳化沥青必须满足上述特殊要求才能施工,故拟定了如下试验方案。即:采用与2.2和2.3节相同的混合料养生方法,将在30℃、50%湿度恒温、恒湿箱中养生3h后的混合料按照JTGE20—2011《公路工程沥青及混合料试验规程》中T0703—2011沥青混合料试件制作方法,成型300mm×300mm×100mm车辙板试件。碾压轮不预热,且分2层压实以避免上下压实度不均匀。每层厚5cm,压实遍数为4+16个往返。按照最不利情况设计,试件成型后放入15℃、湿度80%恒温、恒湿箱中养生48h后取芯。

混合料路用性能试验

配方B乳化沥青冷再生混合料具有更为优异的施工和易性及早期强度,符合实体工程需要。因此,选择配方B并按照JTGF41—2008的试验方法进行乳化沥青冷再生混合料路用性能验证试验。

由数据可以看出,采用配方B乳化沥青成型的冷再生混合料具有较高的劈裂强度和马歇尔稳定度,同时还具有较好的抗水损害性能和抗高温车辙性能,总体路用性能较好。

实体工程试验段检测

2014年10月18日,贵新高速公路乳化沥青冷再生路面试验段开始施工。施工天气为阴,气温15~22℃,风速为2~3级。施工过程中,乳化沥青冷再生混合料整体拌和均匀,混合料完全裹附率为100%,放置3h后摊铺乳化沥青无明显破乳现象,卸车顺利,摊铺施工和易性好。单钢轮振压后表面平整、密实,胶轮搓揉后乳化沥青大量破乳,水分被压出,有利于早期强度快速形成。施工后当天晚上连续下了3~4h中雨,但20日上午取芯时芯样被完全取出,且有足够强度。

结语

本文针对乳化沥青冷再生混合料进行了裹附均匀性评价、卸料和摊铺过程和易性评价、压实和易性评价以及实体工程验证,提出了如下用于评价其施工和易性的方法。

1)初选几种能够与合成级配的RAP料达到均匀裹附状况的乳化沥青配方,并检测各乳化沥青指标,使其满足规范要求。

2)将各乳化沥青配方的冷再生混合料在恒温恒湿环境中放置不同时间后,进行瑞典NYNAS工作性试验,并绘制推力-时间曲线,据此评价乳化沥青冷再生混合料拌和及摊铺阶段的和易性。

3)通过旋转压实试验来测试试件的压实度和劈裂强度,并绘制压实度和强度变化曲线,据此评价冷再生混合料的压实和易性。

4)根据施工和易性评价结果选择乳化沥青配方,并验证该配方混合料的早期强度和混合料路用性能,以保证各技术指标满足现有规范要求。

经实体工程施工验证,该方法可操作性强,对实际工程施工具有重要的指导意义。

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