泡沫沥青冷再生混合料最佳沥青用量设计

杨 猛,孙 宇,张艳红,袁忠文

(1.黑龙江省交通运输信息和科学研究中心,黑龙江 哈尔滨 150080;2.黑龙江建筑职业技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

1 前 言

根据统计资料,我国沥青路面年平均年增长6.1万km左右,预计2030年将达到300万km。大量的道路建设和投入运营,必然带来不可避免的道路养护问题。据统计我国高等级公路90%为沥青路面,城市道路中沥青路面所占比例更高。

沥青路面使用年限一般为10～15年,所以现在我国需要维修的沥青路面数量很大。以往主要使用清除、覆盖的方法进行沥青路面维修,大量的沥青混合料被废弃。我国干线公路的大中修工程中产生的废旧沥青路面材料(RAP),每年高达2.2亿t,路面材料循环利用率却达不到30%。既造成环境污染,又造成资源的极大浪费。因而无论从道路养护、修复的角度,还是从节约资源、保护环境的角度,都需要大力发展沥青路面再生技术。

2 泡沫沥青冷再生技术

泡沫温拌沥青(FWMA)是一种独特的技术,主要是向热沥青中注入预定量的水,使沥青迅速蒸发膨胀,从而产生低温泡沫沥青。泡沫沥青是一种典型的粘结剂,用于冷拌沥青(CMA)回收,并越来越多地作为粘结剂用于在低温下制造和放置的沥青混合物。它是一种由97%～98%的沥青组成的混合物,1%～3%的蒸汽和其他添加剂改善其起泡性。它是在膨胀室中产生的,在膨胀室中,沥青的热能被转移到水滴的表面,水被加热到100 ℃。同时,由于水的快速蒸发,沥青被冷却。由于水和沥青的导热性较低,被沥青膜包围的蒸汽气泡的平衡能够保持一定时间,从而形成沥青泡沫。

沥青冷再生工艺是指在常温状态下,将旧路的面层和部分基层的结构层,使用冷再生专用机械连续铣刨和破碎,并添加再生材料进行拌和、摊铺和碾压,重新形成具有一定承载能力的结构层。

沥青路面现场热再生技术是专门用来修复沥青路面表面病害的,该施工方法是将路面面层加热到要求的深度(通常不超过60 mm),然后翻松旧路面、添加还原或再生剂,最后重新铺筑成型。

目前,学者们对FWMA进行了大量的研究。如Huang等[1]发现沥青发泡后仍有少量水残留,导致沥青表面微观结构发生改变,表面起皱增加。Zhang等[2]的研究表明,热氧老化主要发生在沥青混合料的生产阶段,老化后的沥青具有较高的羰基和亚砜指数。Dong等[3]也对FWMA在不同老化条件下的性能进行了评估,发现老化会增加FWMA的黏度和高温性能。Yu等人[4]强调发泡处理适度降低了沥青的高低温特性和敏感性,但增强了其抗疲劳开裂的敏感性。Yu等[5]评估了水对泡沫沥青流变特性的影响,并指出含水量对各种属性都有显著影响。

大量文献分析表明,再生混合料最佳泡沫沥青用量可根据劈裂强度试验和浸水劈裂强度试验结果,或者根据马歇尔稳定度和浸水马歇尔稳定度试验结果等综合确定[6]。现有设计方法的不足在于没有全面考虑劈裂强度试验和浸水劈裂强度等性能指标,仅仅考虑一个或几个单一的性能指标来确定最佳沥青用量[7]。为此,尝试采用干劈裂强度、湿劈裂强度、干湿劈裂强度比、冻融劈裂强度比、马歇尔稳定度和浸水马歇尔残留稳定度综合分析,以获得最佳沥青用量。

3 混合料设计

3.1 材料

(1)厂拌冷再生沥青:辽宁盘锦八方沥青厂90#A级基质沥青。

(2)填料:玉泉矿粉厂生产的矿粉和绥化北方P·O 42.5水泥。

(3)细集料:阿城玉泉0～4.75 mm石屑。

(4)粗骨料:旧路面经铣刨机铣刨后的混合料骨料。

3.2 级配

通过对粗、细集料的筛分,验证矿料级配组成。m旧路铣刨混合料∶m0～4.75mm石屑∶m矿粉∶m水泥=79.2∶15∶4∶1.8,混合料级配如表1所示,级配曲线见图1。

图1 合成级配曲线

表1 混合料级配表

3.3 确定最佳含水量

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的规定,采用无机结合料稳定材料击实试验方法(T 0804-1994),测定再生沥青的最佳含水量与最大干密度。分别设计4.2%、5.0%、5.6%、6.2%和7.1%五个含水量,通过计算得到各试件的含水量和干密度数值,并绘制含水量与干密度变化曲线,见图2。再根据拟合方程(1)确定最佳含水量和最大干密度。

图2 含水量和干密度曲线图

Y=-0.020 53x2+0.230 1x+1.464 71

R2=0.921

(1)

式中:Y为干密度,g/cm2;x为含水量,%。

确定最佳含水量为5.9%,最大干密度为2.11 g/cm3。

4 确定最佳泡沫沥青用量

得到混合料的最佳含水量后,选取2.5%、3.0%、3.5%、4.0%四个泡沫沥青用量按规定测试方法测定其强度及相关指标。

4.1 劈裂强度试验

劈裂试验是在圆柱体试件的直径方向上放置上下两根垫条,施加相对的线性荷载,使之沿试件直径方向破坏,测得试件的抗拉强度。将泡沫沥青用量与湿劈裂强度、干劈裂强度、干湿劈裂强度比的关系绘制成曲线,见图3。

图3 泡沫沥青用量与劈裂强度和干湿劈裂强度比关系

由劈裂试验结果分析可知:

(1)随泡沫沥青用量增大,干劈裂强度、湿劈裂强度和干湿劈裂强度比均呈现先增大再减小的趋势,存在一个峰值。在一定范围内增加泡沫沥青用量可提高劈裂强度和水稳定性。

(2)泡沫沥青用量不同的情况下,干劈裂强度为0.31～0.46 MPa,湿劈裂强度为0.44～0.56 MPa,干湿劈裂强度比为69.8%～82.1%。

4.2 马歇尔稳定度试验

马歇尔稳定度试验是确定沥青混合料最佳油石比的试验,对试件在规定的温度和湿度等条件下进行标准击实,通过测定沥青混合料的稳定度和流值等指标,计算并绘制油石比与稳定度、流值、密度、空隙率、饱和度的关系曲线,最后确定沥青混合料的最佳油石比。

不同泡沫沥青用量与马歇尔稳定度、浸水马歇尔残留稳定度关系见图4、图5。

图4 不同泡沫沥青用量与马歇尔稳定度关系

图5 不同泡沫沥青用量与浸水马歇尔残留稳定度关系

由马歇尔稳定度试验结果分析可知:随着泡沫沥青的用量增大,马歇尔稳定度、浸水马歇尔残留稳定度增大,但随着泡沫沥青的用量再增大而减小,存在一个峰值。

5 冻融劈裂强度比试验

5.1 冻融劈裂强度

冻融劈裂强度是沥青混合料试件在冻融循环后测定的劈裂强度。通过测定沥青混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比评价沥青混合料的水稳定性。

根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521-2019)的相关要求,当泡沫沥青冷再生混合料用于重交通及以上交通等级的公路时,需要对其进行冻融劈裂强度比检验。泡沫沥青用量与冻融劈裂强度比关系见图6。

图6 不同泡沫沥青用量与冻融劈裂强度比关系

5.2 试验结果分析

由冻融劈裂试验可知,冻融劈裂强度比随泡沫沥青用量的增大而增大,但随着泡沫沥青用量的再增大而减小,存在一个峰值。

由湿劈裂强度、干劈裂强度、干湿劈裂强度比、冻融劈裂强度比、马歇尔稳定度和浸水马歇尔残留稳定度指标综合分析,最佳沥青用量为3.5%。

6 结 论

(1)通过击实试验测定泡沫沥青冷再生混合料最佳含水量与最大干密度,最大干密度为2.11 g/cm3,最佳含水为5.9%。

(2)根据干、湿劈裂强度和干湿劈裂强度比与泡沫沥青用量的关系,有关强度和稳定性指标先增大再减小,存在一个峰值,即泡沫沥青有一个最佳用量。

(3)随着泡沫沥青用量的增大,马歇尔稳定度和浸水马歇尔残留稳定度均增大,而后随着泡沫沥青用量的再增大而减小,存在一个峰值。

(4)随着泡沫沥青用量增大,冻融劈裂强度比呈先增大后减小的趋势,峰值为最佳沥青用量处。

(5)最佳泡沫沥青用量为3.5%。