姚 勝，李 泉，吳超凡 ，黃開宇，張繼森

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015;2.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007)

1 概述

2018年末全國高速公路通車總里程就已達(dá)13.65萬km，相比2017年末增加了5 500 km，增長了4.2%，其中瀝青路面占到90%以上。從2012年開始全國高速公路里程同比增長幅度逐年降低，而高速公路養(yǎng)護(hù)里程增長幅度逐年增大，高速公路養(yǎng)護(hù)里程超過了1.4萬km，表明我國高速公路進(jìn)入了建養(yǎng)并重的時期。據(jù)統(tǒng)計，我國僅干線公路大中修工程，每年產(chǎn)生RAP材料達(dá)1.6億t，然而公路路面材料循環(huán)利用率不足30%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家90%以上利用率的水平，將路面養(yǎng)護(hù)中產(chǎn)生的RAP材料當(dāng)做建筑垃圾丟棄，不僅污染環(huán)境，占用土地，同時也是一種極大的資源浪費，因此在《十三五”公路養(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要》中提出推動公路養(yǎng)護(hù)管理向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展[1-7]。近年來，乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)以其常溫下施工、無環(huán)境污染與RAP材料利用率高等優(yōu)點，成為國內(nèi)學(xué)者們熱衷的研究課題，通過廠拌冷再生技術(shù)將RAP材料應(yīng)用于瀝青路面中不僅可以減少CO2排放、節(jié)約土地，而且將在一定程度上緩解新碎石開采的壓力，節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)資源循環(huán)利用，因此在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中獲得了推廣與應(yīng)用，在國內(nèi)，這一技術(shù)通常用于瀝青路面基層或下面層[8-9]。

2 工程概況及設(shè)計方案

湖南長沙黃花機(jī)場高速公路于2003年建成通車，2015 年全線進(jìn)行一次中修加鋪改造，其設(shè)計方案是在表面加鋪了一層4 cm 改性瀝青 AC-13，目前機(jī)場高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)組合為：加鋪層4 cm 改性瀝青 AC-13 +上面層4 cm改性瀝青AC-16(1)+中面層5cm改性瀝青 AC-25(1)+下面層 6 cm 瀝青穩(wěn)定碎石 AM-25+基層 20 cm 水泥穩(wěn)定碎石(6%)+底基層 20 cm 水泥穩(wěn)定碎石(4%)，鑒于該機(jī)場高速公路已通車運營15 a，已基本達(dá)到設(shè)計使用年限，為更好地保證機(jī)場高速公路的路用品質(zhì)，提高行車舒適性，確保湖南省省內(nèi)第一路的良好形象，為后續(xù)路面養(yǎng)護(hù)工程積累經(jīng)驗和提供技術(shù)支撐，擬在部分典型病害十分嚴(yán)重(的路段局部進(jìn)行路面小修工程，初步擬定小修工程的里程樁號為：K7+720～K8+120(左幅)，共單幅長400 m。

行車道結(jié)構(gòu)組合方案：行車道銑刨 20 cm，包括原瀝青面層厚度 19 cm以及水泥穩(wěn)定碎石上基層 1～1.5 cm，保證銑刨到上基層頂面。鋪筑路面結(jié)構(gòu)如下：

乳化瀝青透層+1 cm 改性瀝青碎石應(yīng)力吸收層+11 cm乳化瀝青廠拌冷再生+0.5 cm 改性瀝青碎石封層+6 cm 改性瀝青 AC-20C+黏層+4 cm 改性瀝青 AC-13C，共計：22.5 cm，標(biāo)高增加 2.5 cm。超車道和硬路肩結(jié)構(gòu)組合方案與行車道相同。

原基層裂縫處治方案：

a.超車道和硬路肩路面銑刨后，基層有裂縫的地方采用抗裂貼進(jìn)行處治。

b.行車道路面銑刨后，基層頂面 K7+720～K7+795 滿鋪玻纖格柵，K7+795～K7+870 滿鋪雙絞合鋼絲網(wǎng)，K7+870～K7+920 不采取任何防止反射裂縫措施。

3 原材料

3.1 乳化瀝青

采用高富A-70#瀝青作為乳化瀝青基質(zhì)瀝青，優(yōu)選出江蘇蘇博特乳化劑進(jìn)行廠拌冷再生混合料試驗研究與生產(chǎn)應(yīng)用，乳化瀝青試驗結(jié)果如表1所示。

表1 乳化瀝青試驗結(jié)果Table1 Theresultssofemulsifiedasphalt試驗項目技術(shù)要求江蘇蘇博特破乳速度慢裂慢裂粒子電荷陽離子(+)陽離子(+)篩上殘留量(1.18mm篩)/%≤0.10.02粘度恩格拉粘度計E252^306.5 殘留分含量/%≥6257.8 蒸發(fā)殘留物性質(zhì)針入度(25℃)/0.1mm50^8062 延度(15℃)/cm≥40>100與粗集料的黏附性,裹覆面積≥2/3>2/3儲存穩(wěn)定性1d ≤10.3 5d/%≤52.2

3.2 新集料

根據(jù)路面設(shè)計文件中廠拌冷再生瀝青混合料中粒式的級配要求及研究經(jīng)驗，試驗中采用新集料9.5～19 mm的石灰?guī)r，其篩分結(jié)果見表2。

表2 集料篩分結(jié)果Table2 Theresultsofaggregatescreening篩孔/mm通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5199.54.752.360.30.0759.5-1910082.212.31.81.81.80.2

3.3 廢舊路面回收料(RAP)

根據(jù)級配設(shè)計的使用要求，為提高RAP材料的性能與有效再生利用率，更好地進(jìn)行廠拌冷再生瀝青混合料RAP級配與礦料級配控制，并且保證廠拌冷再生瀝青混合料性能的穩(wěn)定，試驗通過RAP材料不同規(guī)格分檔對比研究，將路面銑刨的RAP材料分檔破碎為15～22 mm(1#)、8～15 mm(2#)、0～8 mm(3#)這3檔，RAP材料的篩分與抽提篩分結(jié)果如表3、表4所示。

表3 RAP材料篩分試驗結(jié)果Table3 TheresultsofRAPmaterialscreening規(guī)格通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5199.54.752.360.30.075RAP1#10071.12.70.40.30.10RAP2#10010070.616.47.20.50.1RAP3#10010098.192.554.40.90.1

表4 RAP材料抽提試驗結(jié)果Table4 TheresultsofRAPmaterialextractiontest規(guī)格油石比/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075RAP1#2.4410096.473.54539.526.81813.59.97.56.35.1RAP2#3.1610010010098.982.138.124.720.316.512.810.38.4RAP3#5.3410010010010098.493.569.950.53120.816.913.4

4 廠拌冷再生瀝青混合料級配設(shè)計

4.1 RAP級配與礦料級配合成

在試驗中對廠拌冷再生瀝青混合料采用廠拌冷再生瀝青混合料RAP級配與礦料級配控制的理論，考慮了冷再生瀝青混合料的真實礦料級配[10-13]，RAP材料摻量為85%，水泥外摻1.5%，冷再生瀝青混合料RAP級配與礦料級配見表5、表6。由表5與表6可得，廠拌冷再生瀝青混合料RAP級配接近設(shè)計級配范圍下限，而其礦料級配除0.075 mm篩孔外基本滿足施工技術(shù)規(guī)范AC-20級配范圍的要求[14]。

表5 廠拌冷再生瀝青混合料中粒式RAP合成級配Table5 Themiddle-grainedRAPsyntheticgradingforplantmixingcoldrecycledmixture規(guī)格或相關(guān)項通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%比例/%26.5199.54.752.360.30.0759.5^19mm1210082.212.31.81.81.80.2RAP1#2010071.12.70.40.30.10RAP2#2510010070.616.47.20.50.1RAP3#4010010098.192.554.40.90.1礦粉310010010010010010086.8合成級配/% 10092.161.944.426.83.72.6級配范圍/% 10090^10060^8035^6520^503^212^8

表6 廠拌冷再生瀝青混合料礦料合成級配Table6 Thesyntheticgradationofmiddlegranularmineralsforplantmixingcoldrecycledmixture規(guī)格或相關(guān)項比例/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0759.5^19mm12.410082.23118.112.31.81.81.81.81.81.80.2RAP1#20.210096.473.54539.526.81813.59.97.56.35.1RAP2#24.910010010098.982.138.124.720.316.512.810.38.4RAP3#39.410010010010098.493.569.950.53120.816.913.4礦粉 3.110010010010010010010010010010098.686.8合成級配/%10097.186.478.972.355.541.031.221.716.213.611.0AC-20級配范圍/%10090^10078^9262^8050^7226^5616^4412^338^245^174^133^7

4.1 最佳含水量與最佳乳化瀝青用量

采用馬歇爾試驗確定廠拌冷再生瀝青混合料最佳含水量，通過冷再生瀝青混合料干濕劈裂強(qiáng)度確定其最佳乳化瀝青用量[15]。在進(jìn)行馬歇爾試驗時采用預(yù)拌的拌合方法，按以下方法成型馬歇爾試件：

a.將新集料(9.5～19 mm)與RAP(15～22 mm)按級配比例放入拌和鍋內(nèi)，先加入OWC的1/5～1/4使集料潤濕，然后加入1/3乳化瀝青預(yù)拌30 s使集料拌和均勻，然后把剩余的RAP材料、水進(jìn)行人工攪拌預(yù)濕，再倒入拌鍋中加入剩余乳化瀝青拌合60 s，最后加入礦粉與水泥拌和60 s。

b.將拌和均勻的混合料均勻裝入試模，雙面各擊實50次，成型擊實試件。

c.將試樣連同試模一起側(cè)放在60 ℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生至恒重，養(yǎng)生時間一般不少于40 h。

d.將試模從烘箱中取出，立即放到馬歇爾擊實儀上，雙面再各擊實25次，然后在室溫下冷卻至少12 h后脫模。

以4.0%的含水量為中值，以±1%、±2%變化含水量進(jìn)行馬歇爾擊實試驗成型5組馬歇爾試件，根據(jù)各組馬歇爾試件取得毛體積密度最大值下的含水量即為最佳含水量，試驗結(jié)果如圖1所示，由圖1可得廠拌冷再生瀝青混合料的最佳含水量為4.6%。采用最佳含水量，預(yù)估乳化瀝青用量4%為中值，按照中值±0.5%、中值±1%的乳化瀝青用量間隔變化成型馬歇爾試件。根據(jù)各組馬歇爾試件的干濕劈裂強(qiáng)度確定最佳乳化瀝青用量，干濕劈試驗結(jié)果如圖2、圖3所示，由圖2、圖3可得廠拌冷再生瀝青混合料的最佳乳化瀝青用量為4.2%。

因此通過RAP級配的級配比例以及3檔RAP材料中的油石比可得廠拌冷再生瀝青混合料中舊瀝青油石比為3.4%，冷再生瀝青混合料總油石比為6.0%。

圖1 含水量與毛體積相對密度關(guān)系

圖2 乳化瀝青用量與干劈裂強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 乳化瀝青用量與濕劈裂強(qiáng)度的關(guān)系

5 廠拌冷再生瀝青混合料性能試驗

按最佳配合比分別成型馬歇爾試件與車轍試件，進(jìn)行廠拌冷再生瀝青混合料力學(xué)性能與路用性能試驗研究，通過廠拌冷再生瀝青混合料空隙率、15 ℃劈裂強(qiáng)度、40 ℃浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度與25 ℃凍融劈裂強(qiáng)度比以及動穩(wěn)定度分別評價其體積指標(biāo)、力學(xué)性能、水穩(wěn)定性能與高溫性能等，試驗結(jié)果見表7。由表7可得廠拌冷再生瀝青混合料的空隙率為9.4%，滿足設(shè)計要求；其動穩(wěn)定度、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比均遠(yuǎn)超設(shè)計要求，具有較強(qiáng)的抗高溫變形能力與水損害能力，高溫穩(wěn)定性能與水穩(wěn)定性能優(yōu)異。

通過廠拌冷再生瀝青混合料性能試驗結(jié)果得出該廠拌冷再生瀝青混合料用于高速路面下面層的可行性。見表7。

表7 廠拌冷再生瀝青混合料室內(nèi)試驗結(jié)果Table7 Thelaboratorytestresultsofplantmixedcoldrecy-cledasphaltmixture試驗結(jié)果試驗結(jié)果設(shè)計要求毛體積密度/(g·cm-3)2.215/體積指標(biāo)最大理論密度/(g·cm-3)2.444/空隙率/%9.49^14干劈/MPa1.08≥0.5劈裂強(qiáng)度(15℃)濕劈/MPa0.98強(qiáng)度比/%90.7高溫穩(wěn)定性(60℃)動穩(wěn)定度/(次·mm-1)10236≥5000未凍劈裂強(qiáng)度/MPa0.49/凍融劈裂試驗(25℃)凍融劈裂強(qiáng)度/MPa0.38/殘留強(qiáng)度比/%77.6≥70馬歇爾穩(wěn)定度/kN20.06/浸水馬歇爾試驗(40℃)浸水馬歇爾穩(wěn)定度/kN17.83/殘留穩(wěn)定度比/%88.9≥75

6 廠拌冷再生瀝青混合料質(zhì)量監(jiān)控

根據(jù)室內(nèi)試驗所得的最佳含水量與最佳乳化瀝青用量，采用雙層多步拌合設(shè)備進(jìn)行乳化瀝青廠拌冷再生瀝青混合料的生產(chǎn)，見圖4所示。在生產(chǎn)過程中通過乳化瀝青與外加水的流量參數(shù)進(jìn)行乳化瀝青用量與含水量的控制，見圖5、圖6。對冷再生瀝青混合料成品取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，并在路面養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行現(xiàn)場檢測，以驗證廠拌冷再生瀝青混合料的性能、乳化瀝青用量、級配情況與路面施工質(zhì)量，試驗結(jié)果見表8、表9。

圖4 雙層多步拌合設(shè)備

圖5 乳化瀝青流量表

圖6 冷再生混合料成品效果

表8 廠拌冷再生瀝青混合料生產(chǎn)中取樣性能驗證Table8 Thesamplingperformanceverificationintheproductionofplantmixedcoldrecycledasphaltmixture體積指標(biāo)劈裂強(qiáng)度(15℃)高溫穩(wěn)定性(60℃)凍融劈裂試驗(25℃)壓實度檢測毛體積密度/(g·cm-3)最大理論密度/(g·cm-3)空隙率/%干劈/MPa濕劈/MPa強(qiáng)度比/%動穩(wěn)定度(次·mm-1)未凍劈裂強(qiáng)度/MPa凍融劈裂強(qiáng)度/MPa殘留強(qiáng)度比/%芯樣毛體積密度/(g·cm-3)最大理論密度/(g·cm-3)壓實度/%試驗結(jié)果2.2482.4488.21.121.0492.9126000.630.5180.92.2182.44890.6設(shè)計要求//9^14 ≥0.5/≥5000//≥70//≥90

表9 廠拌冷再生瀝青混合料取樣抽提篩分Table9 Thesamplingresultsofcoldmixingplantextracts抽提結(jié)果/%設(shè)計油石比/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0755.936.010082.23118.112.31.81.81.81.81.81.80.2AC-20級配范圍/%10090^10078^9262^8050^7226^5616^4412^338^245^174^133^7

由表8可得該拌合樓生產(chǎn)廠拌冷再生瀝青混合料的空隙率相比室內(nèi)拌合混合料空隙率明顯降低，而15℃劈裂強(qiáng)度、動穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比提高幅度較大，表明廠拌冷再生瀝青混合料生產(chǎn)過程中性能穩(wěn)定，并在很大程度上有所提高，說明該拌合設(shè)備生產(chǎn)冷再生瀝青混合料乳化瀝青裹附更加均勻，容易碾壓成型，由表9可得生產(chǎn)過程中乳化瀝青用量在4.2%左右，混合料礦料級配接近設(shè)計要求，因此采用該拌合設(shè)備生產(chǎn)廠拌冷再生瀝青混合料時乳化瀝青用量可在室內(nèi)試驗結(jié)果基礎(chǔ)上適當(dāng)降低，將在很大程度上節(jié)省生產(chǎn)成本。由表8壓實度檢測結(jié)果可得廠拌冷再生路面具有很好施工質(zhì)量。

從廠拌冷再生混合料室內(nèi)性能試驗、生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控及其現(xiàn)場檢測結(jié)果表明該廠拌冷再生混合料成功應(yīng)用到該高速試驗路下面層中，為廠拌冷再生技術(shù)在該高速路面的繼續(xù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析

將廠拌冷再生技術(shù)應(yīng)用到高速路面下面層中實現(xiàn)了RAP材料的100%回收利用，不僅能獲得較大社會效益，與熱拌瀝青混合料相比直接經(jīng)濟(jì)效益顯著，兩種混合料生產(chǎn)成本見表10。由表10可得廠拌冷再生瀝青混合料材料成本相比熱拌瀝青混合料可節(jié)省82.5元/t，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表10 機(jī)場高速廠拌冷再生瀝青混合料直接經(jīng)濟(jì)效益Table10 Thedirecteconomicbenefitofcoldreclaimedasphaltmixtureinairporthighspeedplant元/t材料類型粗石灰?guī)r細(xì)石灰?guī)rRAP礦粉重交瀝青乳化瀝青水泥成本廠拌冷再生混合料93.5//163/2800500141.2熱拌瀝青混合料93.588.4/1633350//223.7

8 結(jié)論

通過廠拌冷再生瀝青混合料室內(nèi)試驗研究與生產(chǎn)實踐應(yīng)用得到以下幾點結(jié)論：

a.廠拌冷再生瀝青混合料具有很好的力學(xué)性能與路用性能，進(jìn)一步驗證了雙級配控制理論的可行性。

b.采用雙層多步拌合設(shè)備各項生產(chǎn)參數(shù)穩(wěn)定，冷再生瀝青混合料中乳化瀝青裹附均勻，其各項性能均有所提高，因此在生產(chǎn)過程中乳化瀝青用量可比室內(nèi)試驗結(jié)果適當(dāng)降低。

c.廠拌冷再生試驗路段壓實效果較好，具有很好的施工質(zhì)量，廠拌冷再生瀝青混合料成功地應(yīng)用到了路面下面層。

d.采用廠拌冷再生技術(shù)應(yīng)用于高速路面下面層相比熱拌瀝青混合料可節(jié)省材料成本82.5元/t，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。