楊 猛,孫 宇,張艷紅,袁忠文

(1.黑龍江省交通運(yùn)輸信息和科學(xué)研究中心,黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

1 前 言

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,我國瀝青路面年平均年增長6.1萬km左右,預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到300萬km。大量的道路建設(shè)和投入運(yùn)營,必然帶來不可避免的道路養(yǎng)護(hù)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國高等級公路90%為瀝青路面,城市道路中瀝青路面所占比例更高。

瀝青路面使用年限一般為10～15年,所以現(xiàn)在我國需要維修的瀝青路面數(shù)量很大。以往主要使用清除、覆蓋的方法進(jìn)行瀝青路面維修,大量的瀝青混合料被廢棄。我國干線公路的大中修工程中產(chǎn)生的廢舊瀝青路面材料(RAP),每年高達(dá)2.2億t,路面材料循環(huán)利用率卻達(dá)不到30%。既造成環(huán)境污染,又造成資源的極大浪費(fèi)。因而無論從道路養(yǎng)護(hù)、修復(fù)的角度,還是從節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的角度,都需要大力發(fā)展瀝青路面再生技術(shù)。

2 泡沫瀝青冷再生技術(shù)

泡沫溫拌瀝青(FWMA)是一種獨(dú)特的技術(shù),主要是向熱瀝青中注入預(yù)定量的水,使瀝青迅速蒸發(fā)膨脹,從而產(chǎn)生低溫泡沫瀝青。泡沫瀝青是一種典型的粘結(jié)劑,用于冷拌瀝青(CMA)回收,并越來越多地作為粘結(jié)劑用于在低溫下制造和放置的瀝青混合物。它是一種由97%～98%的瀝青組成的混合物,1%～3%的蒸汽和其他添加劑改善其起泡性。它是在膨脹室中產(chǎn)生的,在膨脹室中,瀝青的熱能被轉(zhuǎn)移到水滴的表面,水被加熱到100 ℃。同時(shí),由于水的快速蒸發(fā),瀝青被冷卻。由于水和瀝青的導(dǎo)熱性較低,被瀝青膜包圍的蒸汽氣泡的平衡能夠保持一定時(shí)間,從而形成瀝青泡沫。

瀝青冷再生工藝是指在常溫狀態(tài)下,將舊路的面層和部分基層的結(jié)構(gòu)層,使用冷再生專用機(jī)械連續(xù)銑刨和破碎,并添加再生材料進(jìn)行拌和、攤鋪和碾壓,重新形成具有一定承載能力的結(jié)構(gòu)層。

瀝青路面現(xiàn)場熱再生技術(shù)是專門用來修復(fù)瀝青路面表面病害的,該施工方法是將路面面層加熱到要求的深度(通常不超過60 mm),然后翻松舊路面、添加還原或再生劑,最后重新鋪筑成型。

目前,學(xué)者們對FWMA進(jìn)行了大量的研究。如Huang等[1]發(fā)現(xiàn)瀝青發(fā)泡后仍有少量水殘留,導(dǎo)致瀝青表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,表面起皺增加。Zhang等[2]的研究表明,熱氧老化主要發(fā)生在瀝青混合料的生產(chǎn)階段,老化后的瀝青具有較高的羰基和亞砜指數(shù)。Dong等[3]也對FWMA在不同老化條件下的性能進(jìn)行了評估,發(fā)現(xiàn)老化會(huì)增加FWMA的黏度和高溫性能。Yu等人[4]強(qiáng)調(diào)發(fā)泡處理適度降低了瀝青的高低溫特性和敏感性,但增強(qiáng)了其抗疲勞開裂的敏感性。Yu等[5]評估了水對泡沫瀝青流變特性的影響,并指出含水量對各種屬性都有顯著影響。

大量文獻(xiàn)分析表明,再生混合料最佳泡沫瀝青用量可根據(jù)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,或者根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果等綜合確定[6]。現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法的不足在于沒有全面考慮劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和浸水劈裂強(qiáng)度等性能指標(biāo),僅僅考慮一個(gè)或幾個(gè)單一的性能指標(biāo)來確定最佳瀝青用量[7]。為此,嘗試采用干劈裂強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比、凍融劈裂強(qiáng)度比、馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度綜合分析,以獲得最佳瀝青用量。

3 混合料設(shè)計(jì)

3.1 材料

(1)廠拌冷再生瀝青:遼寧盤錦八方瀝青廠90#A級基質(zhì)瀝青。

(2)填料:玉泉礦粉廠生產(chǎn)的礦粉和綏化北方P·O 42.5水泥。

(3)細(xì)集料:阿城玉泉0～4.75 mm石屑。

(4)粗骨料:舊路面經(jīng)銑刨機(jī)銑刨后的混合料骨料。

3.2 級配

通過對粗、細(xì)集料的篩分,驗(yàn)證礦料級配組成。m舊路銑刨混合料∶m0～4.75mm石屑∶m礦粉∶m水泥=79.2∶15∶4∶1.8,混合料級配如表1所示,級配曲線見圖1。

圖1 合成級配曲線

表1 混合料級配表

3.3 確定最佳含水量

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)的規(guī)定,采用無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法(T 0804-1994),測定再生瀝青的最佳含水量與最大干密度。分別設(shè)計(jì)4.2%、5.0%、5.6%、6.2%和7.1%五個(gè)含水量,通過計(jì)算得到各試件的含水量和干密度數(shù)值,并繪制含水量與干密度變化曲線,見圖2。再根據(jù)擬合方程(1)確定最佳含水量和最大干密度。

圖2 含水量和干密度曲線圖

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

R2=0.921

(1)

式中:Y為干密度,g/cm2;x為含水量,%。

確定最佳含水量為5.9%,最大干密度為2.11 g/cm3。

4 確定最佳泡沫瀝青用量

得到混合料的最佳含水量后,選取2.5%、3.0%、3.5%、4.0%四個(gè)泡沫瀝青用量按規(guī)定測試方法測定其強(qiáng)度及相關(guān)指標(biāo)。

4.1 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂試驗(yàn)是在圓柱體試件的直徑方向上放置上下兩根墊條,施加相對的線性荷載,使之沿試件直徑方向破壞,測得試件的抗拉強(qiáng)度。將泡沫瀝青用量與濕劈裂強(qiáng)度、干劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比的關(guān)系繪制成曲線,見圖3。

圖3 泡沫瀝青用量與劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比關(guān)系

由劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析可知:

(1)隨泡沫瀝青用量增大,干劈裂強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢,存在一個(gè)峰值。在一定范圍內(nèi)增加泡沫瀝青用量可提高劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

(2)泡沫瀝青用量不同的情況下,干劈裂強(qiáng)度為0.31～0.46 MPa,濕劈裂強(qiáng)度為0.44～0.56 MPa,干濕劈裂強(qiáng)度比為69.8%～82.1%。

4.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)是確定瀝青混合料最佳油石比的試驗(yàn),對試件在規(guī)定的溫度和濕度等條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí),通過測定瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值等指標(biāo),計(jì)算并繪制油石比與穩(wěn)定度、流值、密度、空隙率、飽和度的關(guān)系曲線,最后確定瀝青混合料的最佳油石比。

不同泡沫瀝青用量與馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度關(guān)系見圖4、圖5。

圖4 不同泡沫瀝青用量與馬歇爾穩(wěn)定度關(guān)系

圖5 不同泡沫瀝青用量與浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度關(guān)系

由馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析可知:隨著泡沫瀝青的用量增大,馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度增大,但隨著泡沫瀝青的用量再增大而減小,存在一個(gè)峰值。

5 凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)

5.1 凍融劈裂強(qiáng)度

凍融劈裂強(qiáng)度是瀝青混合料試件在凍融循環(huán)后測定的劈裂強(qiáng)度。通過測定瀝青混合料試件在受到水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521-2019)的相關(guān)要求,當(dāng)泡沫瀝青冷再生混合料用于重交通及以上交通等級的公路時(shí),需要對其進(jìn)行凍融劈裂強(qiáng)度比檢驗(yàn)。泡沫瀝青用量與凍融劈裂強(qiáng)度比關(guān)系見圖6。

圖6 不同泡沫瀝青用量與凍融劈裂強(qiáng)度比關(guān)系

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由凍融劈裂試驗(yàn)可知,凍融劈裂強(qiáng)度比隨泡沫瀝青用量的增大而增大,但隨著泡沫瀝青用量的再增大而減小,存在一個(gè)峰值。

由濕劈裂強(qiáng)度、干劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比、凍融劈裂強(qiáng)度比、馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度指標(biāo)綜合分析,最佳瀝青用量為3.5%。

6 結(jié) 論

(1)通過擊實(shí)試驗(yàn)測定泡沫瀝青冷再生混合料最佳含水量與最大干密度,最大干密度為2.11 g/cm3,最佳含水為5.9%。

(2)根據(jù)干、濕劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比與泡沫瀝青用量的關(guān)系,有關(guān)強(qiáng)度和穩(wěn)定性指標(biāo)先增大再減小,存在一個(gè)峰值,即泡沫瀝青有一個(gè)最佳用量。

(3)隨著泡沫瀝青用量的增大,馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均增大,而后隨著泡沫瀝青用量的再增大而減小,存在一個(gè)峰值。

(4)隨著泡沫瀝青用量增大,凍融劈裂強(qiáng)度比呈先增大后減小的趨勢,峰值為最佳瀝青用量處。

(5)最佳泡沫瀝青用量為3.5%。