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乳化沥青冷再生混合料路面结构组合设计及其应用研究

沥青路面作为高等级公路主要的路面形式,在高等级路面中占有很大的比例。我国大规模建设的高速公路全面进入维修养护期,公路大规模养护、大修、重建项目越来越多,在维修路面过程中产生了数量巨大的回收沥青路面材料(RAP),指的是用铣刨、开挖等方式从沥青路面上获得的旧路面材料。废旧路面材料的再生利用有利于节约砂石、沥青等资源和资金。
 
如能高效再生利用废旧路面材料,不单可以缓解公路建设、养护资金短缺的问题,同时大量节约资源、保护环境,与当前资源节约型、环境友好型社会的要求相符。
 
路面再生技术能实现废旧路面材料的循环利用,作为一种绿色交通技术而得到了越来越广泛的应用。国内早期修筑的沥青路面陆续相继进入了养护、大中修阶段,每一年产生的废旧沥青混合料多达几千万吨,客观上推动了我国再生路面材料技术的应用。采用乳化沥青冷再生混合料用于沥青路面养护维修工程,有着显著的经济和环境效益。
 
厂拌乳化沥青冷再生技术将沥青路面材料回收并运至拌和厂,经破碎、筛分后,在常温按一定比例与乳化沥青、再生剂、活性填料、水进行拌和,形成预期路用性能的混合料,恢复路面服务功能。
 
国内对冷再生的材料方面研究有相当数量的成果,但并未形成系统的冷再生路面结构设计理论及其方法,也未提出完善的结构厚度组合,不利于普遍推广。对于再生混合料的技术参数、再生料路面的结构组合形式和厚度、施工工艺控制参数等关键技术问题还未全面妥善解决。
 
本文基于既有路面结构及现状病害情况,提出了新路面处治方案,并开展了路面方案设计。在乳化沥青冷再生混合料材料配合比设计的基础上,系统研究了其施工工艺流程,并进行了试验路的现场试验。
 
试验路情况
 
本文针对西南山区某高速公路病害具体情况,提出了乳化沥青冷再生路面设计方案,并修建了试验路,并进行了现场试验。
 
路面设计
 
针对原有路面方案和病害情况,提出的新路面方案进行了路面结构组合设计,确定了其路面结构层厚度和材料设计参数。
 
原路面结构。该高速公路沥青路面车辙严重,局部已破损较为严重,需要进行大修。
 
现状交通量。据业主单位提供的交通量统计情况,对于半刚性基层大修路段沥青路面设计使用年限10a,则设计年限内一个车道累计当量轴次为:8704830次。
 
路面处治方案设计
 
设计标准与设计参数:①计算行车速度:80km/h;
②沥青路面设计年限:10a;③轴载:BZZ-100;④设计弯沉值。根据交通量预测,本路段设计使用年限内的累计当量轴次Ne=8704830次(当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时),Ne=1.07×107次(当进行半刚性基层层底拉应力验算时),设计弯沉值Ld=36.8(0.01mm)。⑤设计参数及路面厚度的确定。

路面结构设计。根据研究成果,初步拟定试验段的处治方案:采取乳化沥青厂拌再生混合料铺筑。
 
①对行车道(4.3m宽):首先铣刨旧沥青面层15cm,再铣刨路面基层20cm,运至指定的料场进行单独存放,然后采用基层旧料进行厂拌乳化沥青水泥再生18.4cm厚,撒布透层乳化沥青,再铺筑10cm厚乳化沥青水泥厂拌再生旧料,铺筑0.6cm厚稀浆封层,加铺6cm改性沥青混凝土AC—20,4cm改性沥青混凝土AC—13。层间采用改性乳化沥青粘层。
 
②对超车道及紧急停车道:直接加铺4cm改性沥青混凝土AC—13。层间采用改性乳化沥青粘层。
 
施工设备机具
 
本试验段冷再生施工采用集中厂拌、摊铺机摊铺,按层次施工。乳化沥青冷再生混合料施工配备以下主要机械:
 
①厂拌拌和机采用德国维特根公司生产的KMA—220型厂拌冷再生设备,配备连续式双轴搅拌锅和精确的微机控制配料系统,集成化和自动化水平很高,组织整个拌和现场非常简单。
 
②摊铺机采用镇江摊铺机。
 
③压路机至少应配备振动钢轮压路机2~3台(1~2台单钢轮压路机(18t或以上)、1台双钢轮振动压路机(10t或以上))和胶轮压路机1~2台(26t)。
 
④自卸汽车数量应与拌和设备、摊铺设备、压路机相匹配。
 
⑤装载机2台。
 
⑥洒水车。
 
施工过程
 
原路面的铣刨。对老路面进行铣刨,采用运输车直接将铣刨料运至拌和厂集中堆放。在拌和厂对铣刨料进行筛分,根据铣刨料的尺寸设置了10mm一道筛网,将铣刨料分成10mm以下细集料部分、10mm以上粗集料部分。
 
铣刨料的贮存。为避免旧铣刨料在堆放过程中产生离析或重新粘结起来形成尺寸较大的颗粒,因此旧铣刨料料堆的高度不能太高,机械设备也不得在料堆上停留或行走。可协调好筛分设备和拌和设备的生产速度,使料堆的高度减至最小。
 
拌和。拌和时应准确控制冷再生混合料的拌和时间,最好事先通过试拌进行观测调整,确保拌合出的混合料均匀裹附乳化沥青,且具有良好的施工和易性。
 
运输与摊铺。运输车辆在装料过程中前后移动,分几堆装料,以减少乳化沥青冷再生混合料的离析。运输车辆数量满足拌和与摊铺需要,并略有富余,保证生产的稳定性。雨天不能摊铺,若气温低于10℃,也应停止摊铺。
 
压实。混合料的压实是保证乳化沥青冷再生层质量的重要环节,施工前应选择合理的压路机组合方式和碾压工艺流程。
 
养生。乳化沥青冷再生下面层应养生一段时间,使混合料中的水分进一步散失。
 
现场施工质量检验。为了保证冷再生面层的质量,施工单位和监理单位对路面施工的各个环节必须严格监控,同时进行必要的质量检测,以确保路面质量达到设计和有关规程的技术要求。
 
试验路检测结果
 
冷再生试验路在施工中,及时地进行各项指标的检测,施工质量包括材料品质质量保证和路面施工的内在和外在质量。其中材料质量中混合料的配合比是重点检测项目。路面施工质量中压实度、平整度和空隙率是重点检测项目。
 
主要进行以下试验检测:再生料原样筛分试验、再生混合料含水量。对于现场的质量指标的检测,按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41-2008)中的要求进行各项检测。
 
再生料原样筛分试验
 
依据相关试验方法,对再生铣刨料混合后的原样进行筛分试验。
 
旧基层料掺加新料的原样筛分结果可看出:4.75、2.36mm两档筛孔的通过率偏高,分析原因,旧面层铣刨料用二次筛分设备过9.5mm筛孔进行分档,但实际操作过程中,由于振动筛斜度过大,加上部分筛孔被堵塞,使得9.5mm以上档颗粒混有未充分过筛的细料,导致级配偏细,现场进行了及时调整。一方面,调小旧料的筛分流量,使筛分彻底,并用人工及时清理筛孔;另一方面,调整冷料仓9.5mm以上与9.5mm以下两档料的用量比例,降低细料的用量。
 
再生混合料含水量
 
施工桩号K2+900~K3+490的试验路现场取样冷再生混合料,用密封袋保存,迅速送到试验室。从中取代表性试样,放置100±5℃烘箱中6h,称取湿样及干样的质量,计算得到试样的含水量。检测出来的含水量为5.8%。
 
现场施工质量标准
 
乳化沥青冷再生路面施工现场质量标准检测,本试验路压实度、平整度、厚度、宽度满足规范要求。
 
分析与讨论
 
对乳化沥青冷再生技术的应用范围、经济效益、社会效益、环境效益进行如下分析与讨论:
 
分析
 
①乳化沥青冷再生技术的应用范围据文献归纳总结:“从已实施的乳化沥青冷再生项目来看,一般应用于路面的上基层和下面层,如2006年昌九高速公路技改项目、九景高速、常州340国道等,也有项目将其用于下面层,上面直接加罩沥青上面层,如2012年的张家口110国道大中修项目,河南107国道等”。
 
②道路大修采用冷再生技术减少了新开采集料和沥青的使用,符合当前“资源节约型社会”建设要求。
 
③道路大修采用冷再生技术无任何废弃物,也不排放热拌沥青混合料的烟气,符合当前“环境友好型社会”建设要求。
 
④冷再生方案工期短,中断交通时间短,社会效益显著。
 
讨论
 
①本文把乳化沥青冷再生混合料应用于在高温多雨、长大纵坡多的高速公路面层,对于该材料的应用领域有一定程度的拓展,说明该材料路用性能令人满意。
 
②由于我国沥青路面的集料玄武岩是稀缺资源,加之高品质沥青材料价格居高不下,沥青路面冷再生项目有着良好经济效益。限于篇幅,未能详细论证本试验路造价,据文献详细计算,采用冷再生技术比新建道路可以减少造价20%以上。
 
③考虑冷再生混合料的社会效益和环境效益,冷再生技术应用效益更加显著。
 
结论
 
本文经过现场试验路方案设计、铺筑与检测,有如下结论:
 
①基于既有路面结构及现状病害情况,提出了新路面处治方案,并对提出的新路面方案进行了结构组合设计,确定了其路面结构层厚度和材料设计参数;
 
②在乳化沥青冷再生混合料材料配合比设计的基础上,系统研究了其施工工艺流程,确定了其机具组合,明确了拌合、摊铺、碾压技术要求;
 
③试验路工程现场进行了再生料的原样筛分试验,并确定再生混合料含水量为5.8%,经检测混合料各项性能指标满足规范要求,施工质量良好,采用乳化沥青冷再生技术进行沥青路面养护是可行的。

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