泡沫沥青就地冷再生基层施工技术与质量控制

王晓飞, 丁苹苹, 张鸿斌, 魏 欢

(1.西乌珠穆沁旗交通运输事业发展中心,巴拉嘎尔高勒 026200; 2.锡林浩特市公路养护中心, 锡林浩特 026000;3.武理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉 430070)

泡沫沥青就地冷再生技术是采用专用冷再生机组直接将基层铣刨料、新集料、泡沫沥青、水、水泥按试验室设计配合比现场铣刨混和,再经就地拌合、摊铺、碾压、养生等系列工艺形成新的半柔性再生基层结构。该技术100%利用了旧路材料,且再生结构强度高、承载力强、性能稳定可靠,同时降低了养护工程成本,是道路养护工程常用的施工方案之一。国道307线西乌旗至白音华段养护工程全长24.8 km,设计旧路基层补强处理段12.6 km,涉及旧路水稳基层需挖除量约30 000 m3。如采用传统的挖除重铺水稳层工艺,工程量大、工期长,且影响交通行车安全。同时,旧水稳挖除产生的废弃料如不加以利用也是极大的浪费。有鉴于此,项目决定采用泡沫沥青就地冷再生技术对基层补强段进行补强处理。

1 原材料性能

1.1 基层铣刨料

项目采用维特根WR2500S型铣刨机对旧路路面结构层进行全厚度铣刨,一次铣刨深度25 cm。经过试验段的试铣刨工作,确定铣刨机的各项工作参数,并对现场铣刨料进行取样试验,分析了基层水稳铣刨料的颗粒级配,铣刨料的粒径分布如表1所示。

表1结果表明,经过铣刨机刀头破碎的基层料整体偏细,>19 mm以上粗集料含量约10%,含量偏少,<4.75 mm以下细集料部分约占铣刨料的50%以上,细料偏多,且混合料通过率不满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521—2019)[1]无机结合料再生混合料I型级配要求,其19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.6 mm、0.075 mm筛孔已超出范围上限,需要补充部分粗集料来改善合成级配。

表1 基层铣刨料粒径分布结果

1.2 沥青材料

1.2.1 基质沥青

制备泡沫沥青的基质沥青选用盘锦90号道路石油沥青,其主要性能为:针入度93(0.1 mm)、延度(15 ℃)>100 cm、软化点46.5 ℃、旋转薄膜烘箱老化试验后质量变化-0.09%、残留针入度比78.4%、残留延度(10 ℃)16.5 cm。

1.2.2 泡沫沥青

采用WLB-10型发泡试验机,在试验室进行160 ℃、165 ℃、170 ℃下的发泡试验,用水量按照1.5%、2.0%、2.5%、3.0%控制,确定沥青的最佳发泡温度、用水量、膨胀率、半衰期等参数。《工程施工废弃物再生利用技术规范》(GB T50743—2012)发泡沥青技术指标要求膨胀率>10倍、半衰期>8 s[2]。项目泡沫沥青发泡特性试验结果如表2所示。

表2 沥青发泡试验数据

根据表2沥青发泡试验结果,采用内插法分别计算出不同发泡温度下膨胀率>10倍、半衰期>8 s时的用水量结果和该发泡温度下的最佳用水量,再根据计算最佳用水量查找相对应的发泡沥青膨胀率和半衰期结果:

1)发泡温度160 ℃时,膨胀率10倍时用水量w1=2.0%,半衰期8 s时用水量w2=2.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(2.0%+2.75%)/2=2.4%,计算得2.4%用水量对应膨胀量为15倍,半衰期为11 s。

2)发泡温度165 ℃时,膨胀率10倍时用水量w1=1.75%,半衰期8 s时用水量w2=3.0%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.75%+3.0%)/2=2.4%,计算得2.4%发泡用水量时对应膨胀量约为16倍,半衰期为12 s。

3)发泡温度170 ℃时,膨胀率10倍时用水量w1=1.4%,半衰期8 s时用水量w2=1.75%,最佳用水量wopt=(w1+w2)/2=(1.4%+1.75%)/2=1.6%,计算得1.6%用水量对应的膨胀量约为11倍,半衰期为8 s。

根据沥青发泡试验计算结果,170 ℃发泡时,最佳用水量1.6%,膨胀量11倍,半衰期8 s。165 ℃发泡时,最佳用水量2.4%,膨胀量16倍,半衰期12 s。160 ℃发泡时,最佳用水量2.4%,膨胀量15倍,半衰期11 s。表明在165 ℃下的发泡膨胀率和半衰期效果最好,该项目所用90号沥青的发泡温度确定为165 ℃,最佳发泡用水量为2.4%。

1.3 水泥

采用锡林浩特中联PSA32.5级矿渣硅酸盐水泥,初凝时间260 min,终凝时间330 min,其他指标符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》[3]相关技术要求。

1.4 新集料

根据项目实地碎石材料情况,掺用10～30 mm碎石,集料颗粒级配如表3所示。

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表3 新掺碎石筛分试验结果

2 配合比设计

2.1 级配设计

以I型级配范围为合成目标,结合表1、表3筛分结果进行再生水稳基层的级配合成。经计算机拟合计算,新集料与铣刨料按照质量比15%∶85%掺配时,再生混合料曲线满足级配范围,合成通过率如表4所示。根据再生规范要求,选定外掺水泥用量为1.5%。

表4 再生基层合成通过率结果

2.2 最佳含水率和最佳沥青用量

水泥用量1.5%,泡沫沥青用量2.0%、2.5%、3.0%、3.5%,依照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51—2009)[4]分别进行重型击实试验,确定混合料最大干密度和最佳含水率。并以最佳含水率的80%作为再生混合料拌合用水量,分别拌制不同沥青用量下的再生混合料,依照JTG/T5521—2019试验方法成型试件并养生,到期后测试试件15 ℃及浸水24 h后15 ℃劈裂强度,重击实试验及劈裂试验结果如表5、图1所示。

表5 不同沥青用量下混合料重击实试验及劈裂试验结果

由表5重击实试验结果可知,再生混合料最大干密度随着沥青用量的增加先变大后减小,在沥青用量3.0%时干密度出现峰值为2.162,最佳含水率5.4%。 图1劈裂强度试验结果可知:混合料干、湿劈裂强度峰值对应沥青用量均为3.0%,随着沥青用量增加,劈裂强度先增大后减小,在3.0%附近时达到最大值,说明适宜的泡沫沥青用量能增加再生混合料的强度,过少或过多的泡沫沥青会影响混合料的路用性能。试验确定该项目再生基层混合料最佳含水量5.4%,最大干密度2.162,最佳沥青用量3.0%。

3 施工工艺与质量控制要点

3.1 施工工艺流程

泡沫沥青就地冷再生基层施工流程如图2所示。

3.2 施工质量控制要点

1)施工准备阶段

施工人员进场后,组织技术人员编制详细的施工组织方案,并进行技术培训和施工技术交底。人员做到定岗定责,各司其职。试验室做好前期配合比设计工作,确认现场施工材料用量和质量控制参数,如泡沫沥青最佳发泡温度、最佳用水量、再生混合料最大干密度、最佳用水量、最佳沥青用量、每平米新碎石摊铺量、水泥洒布量等,并把控好原材料质量关[5]。

2)现场准备阶段

确定基层补强段封闭段长度,一个封闭段按0.5～1.0 km控制。做好测量放样及作业面清理工作,在施工区域两端设置显著减速标识及专职安全员引导社会交通。

3)铺面材料用量计算

通过旧路基层钻芯取样,测得旧路基层平均芯样密度ρ=2.08 t/m3,平均芯样厚度h=19.0 cm,按照新碎石∶铣刨料=15%∶85%的比例,外加水泥1.5%,补强段每m2碎石和水泥铺布量分别为

M碎石= 2.08×0.19×1×1 000×15/85=69.74 kg/m2

(1)

M水泥=(2.08×0.19×1×1 000+69.74)×1.5/98.5=7.08 kg/m2

(2)

根据计算的补强段每m2碎石和水泥用量,采用专门的碎石布料车和水泥布料车分层将碎石和水泥逐层平铺在作业面上,先铺碎石层,再铺水泥层,使水泥均匀地分布在新碎石间隙中。

4)设备就位

WR2500S冷再生机最大工作深度50 cm、最大工作宽度250 cm。养护路段平均施工深度23 cm、半幅施工宽度450 cm。冷再生机纵向分两幅施工,铣刨深度一次到位,相邻两幅重叠20～30 cm,拌和机行进速度3～6 m/min控制,沥青冷再生机与沥青罐车、洒水车纵向串联在一起停在养护路段起点待命。

5)铣刨施工

施工时应确保每一封闭路段从加水铣刨到压实结束的时间,应保证在水泥初凝前完成。根据再生机组工作速度、半幅施工所分幅数以及误工损耗,将施工现场每150～200 m划为一个施工段落。再生机对基层铣刨料、新碎石、水泥、泡沫沥青、水进行充分拌和。泡沫沥青由专用沥青发泡机现场发泡后通过管道连续输送到再生机喷洒系统,由喷洒系统喷在拌和罩内的再生混合料中。拌和水由水罐车通过软管输送给再生机拌合系统,供水量由电脑按施工用水量自动计量,现场技术员可根据实际拌合效果及时调整拌合用水。

施工时现场试验员应全程跟踪,对再生混合料拌合效果、拌合深度以及泡沫沥青分散情况实时观测,并将混合料按抽检频率取样送后方检测室,对混合料含水量、水泥剂量、沥青含量等进行取样试验以指导后续施工。

6)整平及初压

拌和完成,辅助人员紧跟再生机后,对局部坑洞、离析等缺陷进行修补或挖除。先用单钢轮压路机静压一遍,后由平地机紧跟进行一次初平,再静压一遍,再整平一遍,一般通过 2～3 遍整平即可以满足平整度要求。在整平过程中应遵循“宁刮勿补”的原则,严禁薄层贴补,确保整平碾压不起皮、不松散、不离析[6]。

7)压实成型

由于掺加了泡沫沥青,初压结束后,先用胶轮压路机碾压2～3遍。通过胶轮压路机的搓揉作用使柔性基层骨架结构达到二次就位,沥青胶浆充盈于混合料间隙中。胶轮压实完成后,洒水车雾状洒水润湿表面,再用单钢轮振动压路机先强振1遍、弱振2～3遍,以确保施工压实度,再用轮胎压路机搓揉1遍,保证在水泥初凝之前完成压实过程,碾压完成及时检测压实度。

8)接缝处理

再生机分幅铣刨产生的纵向接缝,在拌和时相邻下一幅时,两幅重叠30～40 cm,防止幅与幅之间有拌和不均匀现象。对于段落与段落之间的横向搭接缝,若是连续作业,搭接长度50～100 cm;若中间停顿超过4 h或隔天施工,搭接长度应在100 cm 以上,同时要在搭接处掺水泥,并要求接缝平整、密实。

9)养生及交通管制

压实结束的基层经现场检测,各项指标合格,根据表面干湿状况确定是否补水,再覆膜养生。养生膜采用一布一膜型土工布,既保湿还能保温,有利于基层强度增长,缩短养生时间。养生期间禁止一切车辆上路行驶,待基层取芯强度满足要求、铺完沥青面层方可开放交通。

4 结 语

国道307线西乌旗至白音华段大中修养护工程历时50 d,旧路补强再生基层12.6 km全部采用泡沫沥青就地冷再生技术。基层补强工期净用时20 d,平均每天处理再生基层630 m,补强段基层养生5 d即能取出完整、密实的芯样,芯样无侧限抗压强度达到设计要求。项目铣刨旧料利用率达100%,节约工程材料直接费150余万元,充分说明了泡沫沥青冷再生基层技术的环保性和经济性等优点,同时也表明在沥青冷再生混合料的质量控制方面已经有一套比较成熟的控制方法,可以在锡盟地区大规模推广应用。