厂拌冷再生技术应用废旧再生材料在路面改造工程的实践

时间:2021-07-20 16:42:53 浏览量:

王育平 丁小维 张燕

摘   要:
对废旧沥青路面材料(RAP)进行回收再利用,有利于节约工程造价、保护环境。基于泡沫沥青厂拌冷再生技术(PCRTFA),对原料配合比等参数进行设计。根据沥青发泡试验,当起泡温度为165℃、耗水量为3%时,基质沥青的发泡质量最好;马歇尔试验结果表明,厂拌冷加工混合料中泡沫沥青的最佳用量为2.5%;在级配曲线中,当RAP、水泥和碎石的百分比分别为80%、18.5%和1.5%时,原料具有最优配合比。车辙试验、浸水马歇尔试验、低温抗裂试验、疲劳性能试验等表明了上述配合比的合理性。形成了体系完整的施工工艺流程,依据相关技术规范对工程质量进行检测,各项性能指标均符合要求。泡沫沥青厂拌冷再生技术具有可靠性,能够实现节能环保,适合在其他类似路面改造工程中广泛推行。

关键词:
废旧沥青路面材料;厂拌冷再生技术;马歇尔试验;级配曲线;路面改造工程

中图分类号:U416.26    文献标识码:A    文章编号:2095-8412 (2020) 06-135-06

工业技术创新 URL:
http://gyjs.cbpt.cnki.net    DOI:
10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.024

引言

近年来,我国公路交通流量逐年递增,且部分车辆存在严重超载问题。在公路荷载和地质作用等因素的长期影响下,路面会出现不规则沉降、产生裂缝等,严重影响车辆通行,甚至导致安全事故的发生。在对公路进行改造维修时,可产生大量的废旧沥青路面材料(RAP)。重复利用这些混合料,不仅可以避免环境污染,而且能够实现资源的循环利用,从而达到节能环保的目的[1-2]。

相关学者提出了一系列关于重复利用RAP的技术方法。栗荣[3]对回收的RAP进行了配合比研究,得到了最优配合比,并确定了混合料的最佳养生方式,使混合料的各项性能均满足了规范要求。王枫成等[4]基于冷再生技术原理,对混合料配合比设计、施工质量控制等方面进行了研究和分析,使得泡沫沥青厂拌冷再生混合料的多项指标均满足工程要求。胡建雄[5]在全面了解泡沫沥青厂拌冷再生技术(PCRTFA)原理的基础上,依托于具体的工程实例,分析了混合料的性能,对泡沫沥青厂拌冷再生施工工艺进行了深入探讨。

PCRTFA凭借其自身的独特优势受到了广泛的关注。与其他技术相比,PCRTFA不仅可以达到资源循环利用、节约建设投资的目的,而且还具有节能、工期短的优点,在公路改造工程中具有很高的实用性。在公路改造工程中,李宏福等[6]和Liu等[7]运用PCRTFA对施工工艺控制进行了分析和总结。渠文芳[8]结合具体的工程实例,介绍了PCRTFA的施工工艺,并对该工程进行了产业化前景分析以及市场评估。同时,由于不同地区RAP的性能不同,该技术在应用上也存在一定的差异,需根据材料性能设计不同的原料配合比,从而确定该技术在不同工程中所需的相关参数。此外,还需要针对具体的工程制定相应的施工工艺和全面的施工质量控制方案。党彦荣[9]对PCRTFA应用于平朔线路段施工中遇到的具体问题进行了分析与研究,有利于提高旧料循环利用的水平和应用规模。王玉军等[10]、张仕佳[11]通过对PCRTFA进行综述概括和对旧沥青路面铣刨料进行研究,确定了混合料的配合比,并对混合料的生产工艺和施工控制等环节作了系统的介绍。李占伟[12]对沥青路面厂拌冷再生基层关键技术展开了研究,也为路面改造工程积累了实践经验。

本文将PCRTFA應用于陕西省西安市秦王二路改造工程中。该路段全长6.1 km,路面面积33万m2,总造价4.28亿元。本文首先对泡沫沥青厂拌冷再生原料配合比进行设计,然后详细介绍施工工艺流程,最后梳理施工质量控制及注意事项,旨在为其他类似路面改造工程提供技术参考和指导。

1 泡沫沥青厂拌冷再生原料配合比设计

1.1  材料要求

原材料包括5种组成成分,即RAP、基质沥青、水泥、碎石和水。依据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521-2019)[13],RAP需要经过预处理,同时要满足表1、表2和表3中的技术要求;基质沥青的性能也要满足技术规范,本工程选用的是道路石油沥青(AH-70);水泥不得使用快硬、早强者,本工程选择32.5号普通硅酸盐水泥,其他的性能参数与上述两种材料相同;对于碎石,还需要符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[14];原料所用的水必须为纯净水。

1.2  基质沥青起泡温度和耗水量的测定

水和沥青是生产泡沫沥青的原材料,它们的温度会影响沥青的发泡质量。但是如果一味地提高温度,又会加速沥青的老化,产生资源消耗过多问题。因此,有必要将基质沥青起泡温度控制在合理的范围内。若在泡沫沥青的发泡过程中加入适量的水,会使沥青的整体膨胀效果更好,缩短其半衰期。根据技术规范JTG/T 5521-2019[13]和沥青发泡试验[17],测得165℃为适合于本工程的基质沥青起泡温度,发泡所需耗水量为3%。

1.3  RAP、水泥和碎石配合比的测定

本工程中沥青和水的含量分别为4.2%和4.6%。表4所示为RAP、碎石和水泥的级配等级。根据表4的结果,选择中等粒径的级配,绘制了组合级配曲线(图1)。在组合级配曲线的级配分析中,确定了最终的配合比,即RAP、碎石和水泥的百分比分别为80%、18.5%和1.5%。

1.4  混合料最大干密度和最佳含水量测定

根据技术规范和相关指导[13,18],在泡沫沥青含量为3%的固定条件下,通过对5种RAP进行击实试验,确定了混合料样品干密度的含水量分别为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%。在试验结果的基础上,对土样干密度与相应含水量进行回归分析,得出了最大干密度为2.007 g/cm3,最佳含水量为5.3%。

1.5  泡沫沥青最佳用量的确定

为了维持5.3%的最佳含水量,通过马歇尔试验确定了沥青的最佳用量。在马歇尔试验中,按照1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的泡沫沥青油石比来制备马歇尔试件。制备以及养护方法严格执行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[14]。对各组马歇尔试件进行15℃霹裂强度、干湿霹裂强度比和高温变形等力学试验。根据马歇尔试验结果得出,当泡沫沥青的用量为2.5%时,所得到的马歇尔试件的成型实密度、稳定度和霹裂强度均为最大值。因此,确定厂拌冷再生混合料中泡沫沥青的最佳用量为2.5%。

1.6  原材料配合比验证

通过车辙试验、浸水马歇尔试验、低温抗裂试验、疲劳性能试验等[17],评价了原材料在最佳配合比条件下制备的试件性能。评价结果表明,试验样品符合路面的使用要求,可以将混合料直接用于实际工程中,同时也验证了原材料配合比的正确性。总之,实际验证结果与该原材料的最佳配合比相契合。

2  施工工艺流程

施工工艺包括6道工序,分别为:回收废旧沥青路面材料、对回收材料的预处理和堆放、原材料的混合、混合材料的运输、摊铺和碾压、摊铺层的养护。

2.1  回收废旧沥青路面材料

在正式铣刨前,需要对铣刨范围内的路面进行清扫,避免一些废弃杂质混入铣刨料中。本工程使用W-2000维特根铣刨机进行路面的铣刨,将铣刨厚度设计为10 cm,被铣刨的废旧材料将被运往搅拌厂。在铣刨的过程中,有必要采取相关措施来防止水泥和基质碎石混入到RAP中。筛分试验结果显示,铣刨速度对材料的级配有一定的影响,当铣刨的速度控制在6~8 m/min时,铣刨后的材料最为均匀,级配也逐渐接近目标级配。注意铣刨料应储放在阴凉地,避免阳光直射,减少压力作用造成的结块现象。

2.2  对回收材料的预处理和堆放

为了提高RAP的掺配比率,需要对来自不同区域、规格不同的料堆分类堆放,不得混杂,属于同一个料堆的应该充分混合,避免离析。根据规范[13],将RAP打碎,并且将超大粒径的RAP过筛,保证材料的最大粒径小于再生沥青混合料的最大粒径。为了保证回收材料含水率的稳定,材料的堆放时间不宜超过半年,堆放场地须提前经过硬化和防水处理,堆放高度应在3 m内。本工程中,预处理废旧材料的使用规则为先到先用。

2.3  原材料的混合

在实践过程中,为了获得均匀的混合材料,确保工程质量,使用维特根KMA220移动式厂拌冷再生搅拌机,搭配冷循环技术。在进行拌合时,应该严格遵循配合比的设计结果,对进水量严格把控,控制最佳含水量在1%~2%范围内,保证再生混合料符合质量要求。若不符合要求,就要再次通过级配筛分试验进行调整。

2.4  混合材料的运输

为了保证连续摊铺,混合材料的运输选用大吨位自卸车,并根据运距及时调整车辆。首次运输时要保证车厢干净整洁,在内壁涂抹少量的润滑剂;在运输过程中,覆盖双层篷布,防止混合材料在远距离的运输中水分快速蒸发以及因装载高度不够均匀发生离析现象;装载完成后,及时运往现场进行摊铺和碾压,保证混合料的质量。

2.5  摊铺和碾压

在进行连续的摊铺过程时,为了避免摊铺机和运料机相撞,运料车需停放在距离摊铺机10~15 cm处。在卸料的过程中,速度减慢,靠摊铺机的推动缓慢前进。工程中,摊铺速度应与供料速度一致,本着均匀、连续、缓慢的原则,不得随意变换速度或中断前行。行走系统采用数字控制器控制,摊铺速度均匀控制在1~3 m/min,摊铺高度由自动升降装置控制[19]。本工程采用振动双钢轮压路机、振动单钢轮钢压路机、轮胎压路机联合碾压铺筑层,运用三段式压法,依次实施初压、复压和终压,由轻到重,由边缘到中间进行路面碾压施工,保证压实路面的平整和结实。其中振动双钢轮压路机的速度控制在3 km/h,轮胎压路机的速度控制在4 km/h,每段路面要进行2~3遍碾压,以防止原料出现松散现象。按照上述工艺参数,均匀地碾压到规定的密实度。遇到摊铺路面不平整、空间受限使摊铺机无法正常工作时,可选择人工铺筑路面,然后由专人检查铺筑厚度,及时进行调整。在整个工程中,需缩短碾压间隔时间、减少加水拌合次数,轧制顺序和其他的控制要求详见相关规范[13,18]。

2.6 摊铺层的养护

根据规范[13],摊铺层的养护期为8 d,养护过程不进行洒水养护,而是在空气中自然养护,使水分进一步蒸发,养护期结束的标志为摊铺层的含水量小于2%。养护期间,禁止其他机械车辆进入施工现场;养护结束后,在摊铺层上进行连续性结构层施工。

3 施工质量控制及注意事项

PCRTFA在施工现场的质量控制包括平整度、厚度、强度和压实度等方面的检测。通常情况下,平整度大于98%视为合格[13]。在施工过程中要严格执行一系列规范和相关标准[14,20-22],路面再生层的强度和厚度要达到规范要求。压实度作为施工碾压效果的一个重要评判指标,可以通过灌砂法(技术要求大于100%)和钻芯法进行检测。由于泡沫沥青冷再生混合骨料结构层性能的特殊性,需要借助较大的压实功来实现结构层的密实度,因此需要在结构层取芯检测,并根据规范[13]要求的频率对结构层进行钻芯取样,将施工技术中“技术要求大于88%”作为评定强度和养护效果好坏的主要措施。

在施工过程中须严格按照设计方案进行,控制最佳含水率为80%。含水量符合要求后才能進行碾压,避免返工。为了避免路基的压实度达不到设计要求,分别对不同的土质进行击实试验,确保每层土的厚度均匀,在进行压实时应注意先轻后重,先慢后快,均匀一致,对于达不到压实度的部分,增加碾压次数,保证压实度达到规范要求。

严格控制原材料的配合比,保证级配在规定的范围内。温度这一因素常常会对路面施工产生重要的影响,温度太高会导致机械变形或磨损,太低会造成拉钩现象或沥青胶,均对路面平整度不利。

4  结论与讨论

公路工程作为民生工程,对我国经济发展起到无可取代的支撑作用。将废旧沥青路面材料回收再加工,符合我国节约与开发并举的要求。本文基于泡沫沥青厂拌冷再生技术,对再生混合料的配合比进行了设计,对施工工艺流程以及施工质量控制等方面进行了分析,主要结论有:

(1)当起泡温度为165℃,耗水量为3%时,基质沥青的发泡质量会最好;

(2)厂拌冷加工混合料中泡沫沥青的最佳用量为2.5%;

(3)旧材料、水泥和碎石的百分比为80%、18.5%和1.5%,车辙试验、浸水马歇尔试验、低温抗裂试验、疲劳性能试验等表明了上述配合比的合理性。

本文研究表明,泡沫沥青厂拌冷再生技术是一种可靠的技术,不仅节约了大量的不可再生资源,而且避免了废旧材料的浪费与堆砌,节约了工程造价,对我国公路工程的建设具有重要的现实意义。

参考文献

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[22] 中华人民共和国交通运输部. 公路工程施工安全技术规范:
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作者简介:

王育平(1977—), 通信作者,男,漢族,陕西西安人,本科,高级工程师。研究方向:市政工程。

E-mail:
1242163972@qq.com

(收稿日期:2020-08-27)

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