高沥青层厚比例全深式冷再生在镇江干线公路中的应用

石小武

(镇江市公路管理处， 江苏 镇江　212028)



高沥青层厚比例全深式冷再生在镇江干线公路中的应用

石小武

(镇江市公路管理处， 江苏 镇江212028)

摘要：传统全深式冷再生沥青层铣刨厚度宜小于40%，但实际工程中常会遇到沥青层厚度超过40%的情况。通过对镇江市干线公路路面旧料的级配及路面结构层进行分析，进行高沥青层厚度比例下就地冷再生混合料的级配设计，沥青层厚度占总再生厚度比例的60%。利用振动成型法进行无侧限抗压强度试件成型，研究结果表明当水泥含量为3.5%时，高沥青层厚度比例就地冷再生混合料的无侧限抗压强度大于2.5 MPa，满足规范要求。对就地冷再生施工质量进行控制，对施工路段进行取芯检测，再生路面性能满足规范要求，研究成果为高沥青层厚度比例的就地冷再生设计与施工提供了工程经验。

关键词：干线公路； 全深式就地冷再生； 高沥青层厚比例； 无侧限抗压强度； 质量控制

0引言

根据美国联邦公路局FHWA和美国沥青再生协会ARRA对全深式冷再生的定义，全深式冷再生(Full Depth Reclamation)是全部沥青层和一定深度的下承层材料进行的就地冷再生，再生厚度为100～300 mm[1]。全深式冷再生结合料可以为乳化沥青、泡沫沥青、水泥或石灰。根据我国规范规定，如采用水泥或石灰作为再生结合料，则铣刨深度范围内沥青层的厚度比例宜小于40%。但是，对于普通干线公路，由于半刚性基层较薄，沥青面层在10～12 cm之间，因此在进行全深式冷再生时，沥青层的厚度比例一般要超过40%，甚至达到60%[2，3]。

镇江市S238干线公路建成于上世纪90年代，建成后承担大量过境交通流，路面出现多处病害，历次都是小修小补，未能从根本上解决问题。通过全线的路况调查发现，沥青路面病害主要为龟裂、坑槽、沉陷、车辙、修补损坏等，原路面老化严重，且S238年平均日交通量呈现出逐年递增的趋势。经调研，拟采用水泥作为结合料对原路面进行全深式就地冷再生，再生深度20 cm。原路面结构调研发现，由于历年的养护维修，该干线公路沥青面层厚度由原来的10 cm增加到12 cm。由于沥青面层厚度增加，在全深式冷再生时，沥青层厚度约占再生总厚度的60%，远超出规范中沥青层厚度低于40%的情况。因此，本文结合该干线公路全深式冷再生工程，针对高沥青层厚度比例的全深式冷再生沥青混合料进行级配设计研究，并对其施工过程进行质量控制研究，以确定高沥青层厚度比例下就地冷再生混合料的性能特点。

1旧料级配与性能评价

分别对原路面沥青面层和二灰基层分别进行铣刨，对两种铣刨料进行抽提筛分，结果见图1。从图1中可以看出，沥青层与二灰基层铣刨料在抽提后的总体级配主要表现在9.5 mm以上和2.36 mm以下颗粒的级配通过率。其中沥青铣刨料原材料主要为AC-13和AC-20级配，经铣刨后，原材料中9.5 mm以上颗粒含量较少，经铣刨破碎后，9.5 mm以上颗粒含量相对较少，沥青层2.36 mm以下颗粒较难破碎，大多仍以颗粒团的形式存在，铣刨后级配向中间粒径2.36～9.5 mm靠拢，铣刨料在粒径为4.75 mm的颗粒处出现峰值，4.75 mm颗粒所占旧料比例为20%左右。二灰基层混合料易破碎分散，与沥青层相比，原材料中粗集料较多，经铣刨后形成了细集料较多，粗集料也较多的级配特点。产生这种铣刨特点的原因，一方面这与原有级配的构成特点有关，另一方面与铣刨过程中的机械破碎作用有关，大量生成的4.75 mm颗粒有助于后期再生混合料中骨架结构的构成。

图1　旧料的级配曲线

经过车辆荷载的长期作用，旧沥青面层中的矿料产生一定的破碎。对面层材料进行压碎值检测，检测结果发现旧沥青混合料的压碎值为24.5%，对于一级公路基层石料的压碎值不大于30%，对于其他等级公路，石料压碎值不大于35%，旧料压碎值满足规范要求。

当使用旧料进行再生利用时，再生混合料的性能不仅取决于新胶结料，在很大程度上也取决于旧料颗粒团内老化胶结料的性能[4～6]。按照规范中的试验T0727对旧料进行抽提回收，得到旧料的基本性能，如表1所示。

表1 老化沥青及旧料的基本性能检测25℃针入度/(0.1mm)软化点/℃15℃延度/cm旧料含水率/%旧料沥青含量/%34.065.012.01.63.8(T0604)(T0606)(T0605)(T0305)(T0727)

2全深式冷再生混合料配合比设计

2.1级配设计

根据原路面取芯状况，原路面沥青层厚度基本在12 cm，根据全深式冷再生厚度20 cm，按照沥青层厚度占冷再生层总厚度60%进行级配设计。旧路面材料铣刨取料具有一定的离散型，为保证试验结果可以真实的反映路面状况，在不同沥青层厚度和不同路段分别取样8份，按照沥青层与二灰基层60%∶40%的比例进行混合均匀后筛分，最终合成的级配及曲线如表2、图2所示。

表2 旧沥青路面设计级配筛孔尺寸/mm级配上限/%级配下限/%级配中值/%合成级配/%26.5100909598.919897280.5909.567475759.14.7549293938.12.3635172620.60.6228158.30.075703.52.2

图2　全深式就地冷再生混合料合成级配

由图2合成级配曲线可以看出，级配呈现S型级配，4.75 mm以上颗粒所占比例达到61.9%，而0.075 mm以下通过率占2.2%，中间尺寸的颗粒较多。这是由于沥青层破碎中细集料之间裹覆成团，粗集料颗粒被打碎；二灰基层在破碎过程中，细集料被水泥粘结而造成整体细集料偏少，合成的级配满足规范设计要求，因此本次全深式冷再生混合料设计中不需要加入新集料。

2.2最大干密度及最佳含水量的确定

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG EMS1-2009)及设计经验，采用P·O42.5的水泥作为稳定剂，水泥基本指标如表3。

水泥剂量分别按3.0%、3.5%、4.0%、4.5%这4种比例制备试件，采用重型击实法进行试件成型。在每个设计的水泥掺量的混合料在预估由试验结果可知，随着水泥掺量的增加，全深式冷再生混合料的最大干密度降低，最佳含水量上升。在不同水泥含量下，干密度最大时最佳含水量的范围在5.5%～6.5%之间。

表3 水泥基本技术指标类别凝结时间/min初凝终凝安定性/mm抗折强度(3d)/MPa抗压强度(3d)/MPa试验结果2042690.55.627.1技术要求≥45≤600≤5.0≥3.5≥17.0(GB/T1346-2011)(GB/T1346-2011)(GB/T1346-2011)(GB/T17671-1999)(GB/T17671-1999) 注:括号内为试验规程。

的最佳含水量附近击实5个不同含水量的试件，且每个水泥剂量做两组平行试验，实验结束后采用105～110 ℃温度进行烘干，确定各组全深式冷再生试件的最佳含水量和最大干密度。结果如表4。

表4 全深式水泥冷再生混合料击实试验结果水泥剂量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)3.05.82.1433.56.02.1204.06.22.1014.56.42.079

2.3最佳水泥含量的确定

全深式冷再生混合料的旧沥青路面材料经铣刨后，形成外部裹覆沥青的骨料，这些外包沥青骨料形成骨架结构，采用水泥作为稳定剂时，其间隙用水泥砂浆填充，形成水泥-沥青复合材料[7]。水泥含量越多，其再生料的强度越大，但同时水泥产量增加造成了再生料的开裂风险增大，同时也增加了养护难度，提高了工程造价。因此，需在满足工程设计强度的要求下，选择最佳的水泥掺量。

根据试验确定的最佳含水量和最大干密度，采用振动法和静压法分别成型无侧限抗压强度试件。振动压实可以较好的模拟现场振动压路机成型过程，其基本原理是振动使被压实材料内产生振动冲击，被压实材料的颗粒在振动冲击的作用下由初始的静止状态过渡到运动状态，被压实材料的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐步过渡到动摩擦状态。同时，由于材料的水分的离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒运动提供了有利条件。

将成型混合料试件在20 ℃±2 ℃，相对湿度≥95%的条件下养护6 d，浸水1 d后取出，进行无侧限抗压强度试验，试验结果见图3。由试验结果可以看出，振动压实法成型的混合无侧限抗压强度是静压法的强度1.2～1.5倍，这主要是由于振动压实法使被压实材料内产生振动冲击，被压实材料的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐步过渡到动摩擦状态，逐步填充混合料路面的空隙，提高了材料的密实度。

图3　全深式冷再生混合料7 d无侧限抗压强度试验结果

从图中可以看出，随着掺加水泥量的增加，抗压强度随之提高，根据规范中关于全深式水泥冷再生混合料7 d无侧限抗压强度宜大于2.5 MPa[8]。考虑到工程经济性和抗收缩开裂能力，本次全深式水泥冷再生混合料配合比设计水泥剂量取3.5%，最佳含水率为6%，最大干密度为2.120 g/cm3，压实度大于97%。考虑到现场振动成型方式与施工的变异性，就地冷再生时采用的水泥掺量建议为4.0%。同时，考虑到施工时间在7月份，镇江当地气温较高，路面温度超过45 ℃，现场含水率建议值为7%～8%。

3施工质量控制

3.1铣刨拌合控制

采用维特根WR2500S型就地冷再生机1台，自平式平地机1台，震动压路机2台，洒水车2台，装载机1台。再生前的所有准备工作均应及时作好，以使再生施工不至于因此而中断，使整个工程施工不连续，施工中断会在路面上产生潜在的薄弱区域，可能时应尽量避免[9]。对原路面出现沉陷、车辙较严重及龟裂等位置，需用挖除的方式进行局部底基层修补。

水泥撒布时应注意不要在全施工路段同时撒布，应该在冷再生机单幅工作宽度范围内均匀撒布水泥，一般为60～120 m，等一个单幅工作宽度的作业面完成后再进行下一个作业面的撒布。见图4。

图4　施工现场水泥撒布

冷再生机行进速度决定了级配的粗细，就地冷再生机施工行走速度应根据路面破损状况和再生深度进行调整，一般为3～6 m/min，使得铣刨后料的级配波动范围不大。网裂严重地段应降低再生机组行进速度，提高铣刨转子转速。试验段采用的冷再生机行进速度为3 m/min，再生深度为20 cm。再生机后面需要专人进行质量控制，随时检查再生深度、压实度和含水量等。含水量的检测位置一般在再生机第2刀的中间位置进行取样，含水量控制在7%～8%之间，如超出范围，应配合再生机操作员进行喷水量的调整，一般再生机作业面搭接处喷洒2次水而容易造成含水量过大，因此在进行施工作业时应减少再生机作业面纵向接缝处的喷水量。

3.2施工碾压控制

再生完成后应立即进入挑拣、整平、进入碾压工序。初压：首次用钢轮压路机不开振快速初压1～2遍。然后用平地机进行整平，接着再强振3～4遍，压路机行进速度不超过3 km/h。复压：采用三钢轮压路机碾压4～5遍，碾压过程中，再生层的表面应始终保持湿润，如水分蒸发过快，应及时补撒少量的水，但严禁大量洒水碾压，碾压速度2.5～3 km/h，错轮宽度为50 cm，当压路机碾压完第2遍以后，按规范要求采用灌砂法检测其压实度，以确定最佳碾压遍数，压实度检测应紧跟终压压路机及时进行，以便发现压实度不足时在允许延迟时间内复压处理，避免已成型的混合料检测发现压实度不足后复压使基层内部产生微裂缝，影响基层强度及整体性。

根据测试结果(图5)，最终确定当碾压为4遍时，压实度能达到压实度要求。终压：用胶轮碾压机对再生层表面进行收光1遍，尽量让表面密实，减少水对再生层的不利影响。

图5　不同碾压遍数下现场压实度测试结果

3.3施工接缝控制

纵向接缝：本次试验段采用半幅施工，重叠量按照路面材料越厚、材料粒度越粗，重叠量越大为原则，一般最小重叠宽度为100 mm。在纵向接缝上，应根据已建再生层的完成时间，适当减少水的喷入量。纵向接缝的位置应尽量避开慢行、重型车辆的轮迹位置。

横向接缝：只要再生机停机，不论停机时间的长短，均按照横向接缝进行处理，因此要尽量减少停机次数。应严格检查机械，特别是水管排气，气体必须在到达喷洒杆前排除，并注意检查水的喷入量，避免在横向接缝处的过量和不足。在停机处，再生机在此施工时，必须将整个再生机后退至再生过的材料1.5 m的距离。再生机开始工作时，操作员应尽快加速到正常的行进速度，禁止再生机以小于2 m/min的速度进行施工。如原路面强度过高导致再生机速度无法保证时，要采用预铣刨的方式进行处理。

距离路肩1.5 m和4 m处为再生机作业面接缝处，由于纵向接缝处撒布2次水导致含水率较高，经后期对洒水量进行调整，对再生机纵向接缝处进行养生7 d后的取芯，测得7 d无侧限抗压强度试验结果如图6所示。结果表明，当含水量增大时，相应的压实度会减小，其无侧限抗压强度会有所降低，调整接缝处喷水量后，其强度得到提升。

图6　再生机纵向接缝处取芯强度

3.4养生取芯情况

全深式冷再生路段的养生期用土工布进行覆盖，针对镇江夏季高温的天气，保证每天及时进行3～4遍洒水养生，以保证冷再生路面的湿润。对全深式冷再生试验路段经养生后取芯，在第4天和第7天分别进行取芯，取芯结果可以看出，全深式冷再生在第4天芯样完整，4 d无侧限抗压强度2.8 MPa，养生第7天后的芯样无侧限抗压强度3.2 MPa，满足设计要求。见图7。

养生第4天

养生第7天

4结论

镇江市干线公路经历多年的养护维修，沥青层厚度较原设计厚度会有所变化，本文结合S238干线公路，针对沥青层厚度比例增加情况下的全深式

冷再生技术进行研究，并结合镇江市交通量与气候环境的特点，在施工过程中有针对性地进行质量控制，全深式冷再生试验段达到了良好的效果，为镇江进行高沥青层厚度比例的全深式现场冷再生技术在干线公路的运用提供了设计和施工经验。研究的主要结论如下：

1) 采用振动成型法对沥青层含量60%的全深式冷再生混合料进行级配设计，最终确定最佳水泥剂量3.5%，最佳含水率为6%。考虑到现场施工的变异性，就地冷再生时采用的水泥掺量建议为4.0%，现场含水率建议值为7%～8%。

2) 全深式冷再生施工过程中，需对铣刨机行进速度、碾压遍数和洒水量进行有效控制，合理的级配设计与现场施工质量控制是全深式就地冷再生技术成功应用的关键。经检测，再生试验段各项指标满足设计及规范要求。

3) 经现场试验段验证，高沥青层厚度比例的全深式冷再生技术是可行的，养生第4天取芯即可得到完整芯样，养生7 d后的无侧限抗压强度满足规范要求。

参考文献：

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中图分类号：U 414

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0036-05