陳文1、李瑩璐2
(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院有限公司,北京 100020)
乳化瀝青冷再生技術(shù)有助于提高原有道路品質(zhì),消除路面病害,減少反射裂縫,并具備良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益。在“雙碳”目標(biāo)背景下,乳化瀝青冷再生技術(shù)能有效實現(xiàn)良好的資源重復(fù)利用,符合綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)。但實際應(yīng)用工程中,冷再生混合料常出現(xiàn)施工和易性不好,早期強(qiáng)度形成慢,后期服役性能差等諸多難題。該文結(jié)合乳化瀝青冷再生技術(shù)現(xiàn)狀,對路用乳化瀝青冷再生混合料最佳合成級配設(shè)計進(jìn)行了研究。
1.1.1 粗、細(xì)集料基本性能試驗
選取同一條路同一批次銑刨料的粗集料、細(xì)集料,各項主要指標(biāo)如表1 所示[1-3]。
表1 冷再生RAP 集料基本性能
1.1.2 瀝青含量檢測
采用抽提儀進(jìn)行離心分離實驗測定舊料瀝青含量,再用旋轉(zhuǎn)蒸餾實驗法回收瀝青,測該批次銑刨料瀝青含量在3.5%~3.8% 之間,平均瀝青含量為3.6%。
1.1.3 含水量測定
含水量會隨著儲存環(huán)境與時間的變化而變化。若試驗持續(xù)時間長則隔一段時間進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,調(diào)整最佳含水量;試驗通過烘箱前后質(zhì)量差異測定RAP平均含水量為1.2%。
新集料指標(biāo)分粗細(xì)三檔料如下:新1#料(20~25mm)、新2#料(15~20mm)、新6#料(0~4.75mm)。研究采用礦粉0.3mm 篩孔通過率為100%,表觀密度2.688,采用42.5 標(biāo)號的普通硅酸鹽水泥。乳化瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)(簡稱《再生規(guī)范》)規(guī)定[4-5]。
對銑刨料中零星雜料及大于26.5 的石塊進(jìn)行剔除,用四分法取樣分析,舊料與其他新料等礦料分為不同檔次:粗銑刨料(9.5~26.5mm)、細(xì)銑刨料(0~9.5mm)、新1#料(20~25mm)、新2#料(15~20mm)、新6#料(0~4.75mm)以及水泥、礦粉[6]。
結(jié)合舊料級配分析,為充分利用舊料,對照再生規(guī)范設(shè)計級配,按照AC-20 中粒式級配要求設(shè)計;分別考慮RAP 材料抽提前后的篩分結(jié)果,初步選擇三個級配:其中級配1 不考慮RAP 料抽提篩分結(jié)果,級配2 同時考慮RAP 料抽提和不抽提的篩分結(jié)果,級配3 只考慮RAP 的抽提篩分級配。舊料利用率皆為75%,各級配每檔料的摻配比例及合成級配分別見表2 和圖1[7]。
圖1 三種級配曲線圖
表2 各級配礦料比例
由合成級配曲線圖可以看出,設(shè)計的三組級配都在工程技術(shù)要求范圍內(nèi),且級配曲線基本沿著工程要求,級配中值趨勢形成圓滑曲線,符合常規(guī)應(yīng)用級配技術(shù)要求。但各級配對RAP 考慮抽提篩分方式不同,混合料材料組成比例有所區(qū)別。
參照再生規(guī)范及大量試驗對比分析,研究以“總含水率=乳化瀝青中的水+外加水+舊料含水”來控制冷再生混合料流體含量。
將乳化瀝青含量定為4.0%,分別以0.5 個百分點變化外摻水量2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5% 來進(jìn)行試驗,分別采用重型擊實法進(jìn)行最佳含水率試驗,并繪制曲線,圖2 中最大干密度對應(yīng)的含水量即最佳含水率OWC。級配1、2、3 對RAP 考慮抽提篩分方式不同,調(diào)整級配設(shè)計時添加新料也不同,合成級配的差異也導(dǎo)致最佳含水率有所不同,三種級配擬定舊料摻量皆為75%,而舊料含水率經(jīng)檢測取平均值1.2%,乳化瀝青中的水占35%,則對應(yīng)外摻水量與實際含水率關(guān)系[8]:
圖2 三種級配外加水量與干密度關(guān)系曲線圖
實際含水率=外摻水率+75%×1.2%×100+4%×35%×100。
經(jīng)試驗分析,級配調(diào)整的差異也會影響最大干密度與最佳外摻水量。三種級配外摻水量與干密度分別為:級配1 最大干密度為2.239g/cm3,最佳含水率為5.30%;級配2 最大干密度為2.231g/cm3,最佳含水率為5.80%;級配3 最大干密度為2.198g/cm3,最佳含水率為6.30%。
參照再生規(guī)范采用的馬歇爾設(shè)計方法,各級配保持最佳含水率不變,擬定4%的乳化瀝青用量為基準(zhǔn),以0.5%的間隔上下浮動變化乳化瀝青含量,分組成型再生混合料馬歇爾試件(先擊實50 次,60℃養(yǎng)護(hù)48h 后再擊實25 次,然后側(cè)放在地面上,室溫冷卻12h后脫模),級配1、2、3 分別以各自的最佳含水率不變來控制外摻水量,以試件空隙率、15℃劈裂強(qiáng)度指標(biāo)來確定相應(yīng)的最佳乳化瀝青用量。經(jīng)試驗分析,三組級配在不同最佳含水率條件下的最佳乳化瀝青含量均在4.5%左右,但級配3 的空隙率明顯大于級配1 和級配2,雖然級配1 混合料密實度與級配2 相近,但強(qiáng)度指標(biāo)卻比級配2 要小,故綜合空隙率與強(qiáng)度指標(biāo),級配2 較優(yōu)[9]。
由以上試驗結(jié)果可得出各級配的配合比,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011),分別就各級配相應(yīng)配比下進(jìn)行路用性能驗證,考慮到冷再生的應(yīng)用層次,研究通過凍融劈裂試驗驗證再生混合料的水穩(wěn)定性能、車轍試驗驗證高溫抗車轍能力、小梁彎曲試驗驗證低溫抗裂性能。驗證結(jié)果見表3-5[10]。
表3 凍融劈裂試驗結(jié)果(雙面擊實50 次)
表4 高溫車轍試驗結(jié)果
表5 小梁彎曲試驗結(jié)果
第一,級配1 混合料在配合比設(shè)計時,只考慮了RAP 材料未抽提情況下的級配,并沒有考慮其抽提以后的級配,導(dǎo)致混合料整體偏細(xì),缺乏粗集料的骨架支撐,高溫性能偏差,動穩(wěn)定度<2000(次/mm),雖然其水穩(wěn)定性能較好,低溫性能也能滿足要求,但在高溫及重交通情況下,容易出現(xiàn)車轍。
第二,級配2 混合料在進(jìn)行配合比設(shè)計時,綜合考慮了RAP 材料未抽提情況下的級配,整體骨料組成協(xié)調(diào),抗高溫能力強(qiáng),水穩(wěn)定性能較好,低溫抗裂性能優(yōu)良,符合高性能乳化瀝青冷再生混合料組成,滿足各類輕重交通應(yīng)用需要。
第三,級配3 混合料在進(jìn)行配合比設(shè)計時,只考慮了RAP 材料抽提情況下的級配,而抽提后集料偏細(xì),在加入粗集料調(diào)整的情況下,整體骨料偏粗,容易造成松散、離析。
雖然因自身骨料支撐能力的影響,高溫性能勉強(qiáng)滿足要求,但其水穩(wěn)定性、低溫性能都較差,在多雨、重交路況下易造成水損壞及開裂等病害。
綜合分析,在冷再生混合料級配合成設(shè)計時,必須對級配進(jìn)行驗證與調(diào)整,因為再生混合料的特殊性,僅考慮空隙率、強(qiáng)度、水穩(wěn)定性等指標(biāo)是不夠的,還應(yīng)該對高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能提出要求,避免早期強(qiáng)度滿足但后期服役時容易出現(xiàn)車轍與裂縫的情況發(fā)生。