泡沫沥青就地冷再生技术在石家庄周边地区的研究

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摘要

对石家庄周边地区使用泡沫沥青就地冷再生技术的6条路段进行了调查, 对路面的结构类型、配合比、施工机械等进行了统计, 并对3条有代表性的路段进行了现场车流量、病害的调查分析。

对正在施工的某路段进行了现场取样, 对取样样品在试验室进行了疲劳性能和动态模量的试验, 结合不同成型方式下沥青混合料性能进行了对比, 从数据分析方面对就地冷再生技术特点进行了佐证, 具有一定的理论指导意义。

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随着我国经济的高速发展, 各等级公路的车流量、车辆荷载早已远远超过了预期设计等级, 各等级公路都不同程度的出现了过早破坏的病害。而旧沥青路面的铣刨又会产生大量废料, 因此泡沫沥青冷再生技术应运而生。

泡沫沥青冷再生技术是利用沥青发泡技术将铣刨后的废弃沥青材料重新稳定, 并在压实功的作用下形成具有一定路用性能的路面结构层。

发达国家对冷再生技术的研究较早, 美国于1915年开始设立实验室进行研究, 并于1983年出版了《沥青路面冷再生技术手册》, 到1985年再生沥青混合料的用量就猛增到近2亿吨, 为全部路用沥青混合料的一半,美国沥青路面的重复利用率高达80%, 相比全部使用新沥青材料的路面, 节约成本10%~30%。日本于1984年出版了《路面废料再生利用指南》, 路面废料再生利用的数量已超过50%。前苏联于1984年出版了《再生路用沥青混凝土》, 仅列宁格勒市因推广沥青路面再生技术每年就可节约沥青材料达1400t之多。

国内对泡沫沥青冷再生技术的研究相对较晚, 但在借鉴国外先进经验的基础上发展迅速, 从2000年后泡沫沥青冷再生技术在各省份得到广泛应用并取得了巨大成果。诸如:河北廊坊三河、陕西西宝高速、京沈高速和唐津高速等均不同程度使用了泡沫沥青就地冷再生技术。

随着我国沥青路面的病害日趋严重, 道路的改建和大修任务日益繁重。尽管现在我国许多油田得到开发,石油工业有了很大发展, 但生产的沥青仍然供不应求, 沥青的供应量尚不足需求量的2/3;我国经济虽有了很大的发展, 但实力仍不雄厚, 公路建设投资有限, 不能满足公路交通运输事业迅速发展的需要。

面对这种国情,沥青路面冷再生技术的应用就显得尤为重要, 而由于不同省份所处的地理位置不同、集料特性不同、路面结构设计理念不同等因素, 对泡沫沥青冷再生技术的理解也不尽相同, 因此针对于不同省份所开展的泡沫沥青冷再生技术总结就显得尤为重要, 在本文中将对河北省石家庄地区所开展的泡沫沥青就地冷再生工程进行了总结, 并对有一定代表性的某工程冷再生材料进行了现场取样并进行了试验室检测, 得到了一系列的检测成果, 对指导河北省泡沫沥青就地冷再生技术有一定的实际指导意义。

石家庄地区应用简介

对选取的石家庄周边地区2009年~2015年6年共计6条泡沫沥青就地冷再生路面进行调查, 对6条路段的再生路面结构、施工配合比和及施工机械等进行了统计。详细数据见表1、表2。

▲表1  再生路段结构层对比及配合比

▲表2  施工机械设备一览表

从对6条路段的调查统计中可以发现, 随着近年来泡沫冷再生技术在石家庄周边地区的广泛应用, 泡沫沥青冷再生技术也愈发成熟:目前冷再生层主要使用在中下面层, 对铣刨料的重复利用率较高, 达到了80%~83.5%, 石屑的掺量在15%~18%, 沥青掺量在2.4%~2.7%。经调查, 沥青的发泡温度为160℃~170℃, 发泡用水量为2.3%~2.5%, 现场生产机械设备基本一致。

在调查的6段路面中, 大部分路段工作正常, 而部分路段则出现了车辙、裂缝等病害, 为此, 选取具有代表性的正港线大修工程、国道106和新赵线正港线交叉口九门段大修工程进行了车流量、路面工作情况进行调查。

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正港线大修工程调查

正港线路段主要车辆为家用轿车和小型货车, 水泥罐车和货车等重载车辆较少, 由于车流量较大, 本路段行驶车辆平均时速较慢, 约为30~40km/h。选取10:15~11:15对本路段正定方向和无极方向进行车流量统计,具体统计结果见表3。

▲表3  正港线大修工程车流量统计

从表3中1h车流量可以看到在本路段行驶的主要车辆为家用轿车和小货车, 占车流总量的98.3%;重载车辆较少, 占车流总量的1.7%。本工程泡沫沥青冷再生施工时间为2009年, 目前本路段路面工作状态良好, 但存在有一定的裂缝及轻微车辙。裂缝主要表现为纵向裂缝, 长度较长。

而主要行驶车辆对路面的荷载作用不足以使路面产生裂缝, 因此结合对车流量和路面病害分析可知:而产生裂缝的主要原因为路基承载能力不足,路基纵向开裂进而形成反射裂缝。

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 国道106工程调查

国道106工程主要行驶车辆为大型货车和卡车等, 本路段为双向四车道, 行驶车辆平均时速60~70km/h。选取11:00~12:00对本路段武邑方向和冀州方向进行车流量统计, 具体统计结果见表4。

▲表4  正港线大修工程车流量统计

从表4中1h车流量可以看到本路段的6轴车辆为主要行驶车辆, 占车流总量88.5%, 其他车辆占11.5%。本工程泡沫沥青冷再生施工时间为2010年, 目前全线大部分路段工作良好, 只有少部分路段出现了车辙和裂缝问题。结合车流量及路面工作情况分析可知, 虽然本路段重载车辆较多, 但路面工作性能良好, 泡沫沥青就地冷再生技术在本项目取得了成功应用。

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新赵线工程调查

路段主要车型为大型货车、卡车、自卸罐车、家用轿车、农用三轮车、公交车等, 路面为双向两车道,行驶车辆平均时速40km/h~50km/h。选取11:00~12:00和15:15~16:15两时间段对本路段九门方向和张家庄方向进行车流量统计具体统计结果见表5。

▲表5  新赵线工程车流量统计

从表5中2h车流量可以看到本路段二轴车为主要行驶车辆, 占车流总量63.5%, 三轴和四轴车辆占到36.5%, 本路段重载车辆较少。由于本工程泡沫沥青冷再生施工时间为2015年, 路面工作时间相对较短, 在调查过程中未发现路面存在有裂缝、车辙等病害, 路面工作良好, 如图2。

从对几条路段的结构类型、配合比的调查可以发现, 就地冷再生技术主要应用在低等级道路的中下面层中, 目前该技术在石家庄周边地区相对较为成熟, 施工水平较为稳定。结合对有代表性的3段路面车流量和工作情况的调查可以发现, 目前泡沫沥青就地冷再生技术应用在中下面层较为成功, 同时本技术对路基的压实情况要求较高, 若承载能力不足, 将导致面层出现较为明显的车辙和裂缝。

就地冷再生材料指标检测

针对于某工程就地冷再生材料进行了现场取样, 现场配比为82%RAP 16.5%石屑 1.5%水泥, 沥青含量2.5%。从现场切割板体混合料2块, 尺寸为600mm×400mm×150mm, 同时使用大型混合料成型机成型试件与现场切割试件进行疲劳性能对比。

对现场泡沫沥青冷再生路面进行钻芯取样, 以对动态模量进行对比。通过试验检测数据对泡沫沥青就地冷再生混合料性能进行研究。

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疲劳性能对比

对现场切割取样的试件进行二次切割, 尺寸为380mm×63.5mm×50mm, 切割成型16根试验梁进行四点弯曲疲劳试验。

▲不同应变水平下的疲劳寿命

将切割得到的16根梁按照密度相近原则分为4组进行应变控制的疲劳测试, 每组对应1个应变水平, 分别为200με、300με、400με、500με, 荷载频率选为10HZ, 荷载形式为偏正弦波, 温度为15℃。此外, 试验过程中选择两根梁进行了700με下的疲劳测试, 测试结果均为0。

将不同应变水平下的疲劳试验结果绘制成图如图1所示。可以看出, 随着应变水平的增加, 泡沫沥青再生混合料的疲劳寿命急剧下降, 下降比率超过95%。试验过程中发现, 在500με情况下, 有2根试件的疲劳寿命为0, 即泡沫沥青再生混合料无法经受高应变的疲劳荷载。因此, 从试验数据分析可知, 泡沫沥青就地冷再生技术对路基的要求较高, 如果路基承载能力不足, 过大的路基变形将导致冷再生混合料开裂, 进而形成反射裂缝。

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动态模量对比分析

钻芯芯样尺寸为ф100mm×150mm, 共6块, 在AMPT上进行不同温度、相同频率下的动态模量试验。同时为了比较, 将AC13、SMA、AC16、AC20、ATB25试件进行同条件试验, 具体试验数据见表6。

▲表6  不同类型混合料动态模量比较

从试验数据中可以发现, 由于泡沫沥青再生混合料沥青用量较小, 同时使用了水硬性材料水泥和RAP材料, 造成其混合料本身随温度变化模量产生的变化幅度较小, 即泡沫沥青再生混合料的温度敏感性较小, 低温0℃情况下模量仅为高温55℃模量的5.7倍, 而同等条件下的沥青混合料的模量变化将达到57倍之多。

同时,在高温55℃情况下, 泡沫沥青再生混合料的模量要比沥青类混合料的模量要高255%。因此, 从试验数据分析可知, 冷再生混合料在低温条件下表现出一定的柔性, 而在高温情况下表现出一定的刚性, 应用在路面的中下面层将很好的起到一定的缓冲作用。

结论

(1) 对石家庄周边地区的泡沫沥青就地冷再生应用状况进行了调查, 并对不同项目就地冷再生路面结构形式、配合比及生产机械进行了统计。针对三条有代表性冷再生路段进行了车流量、病害调查, 调查结果表明泡沫沥青就地冷再生技术的应用较为成功。

(2) 泡沫沥青就地冷再生对路基要求较高。与普通沥青混合料相比, 泡沫沥青就地冷再生混合料的弯拉模量要低, 且无法经受500με以上的疲劳荷载。因此, 结合对调查路段的研究分析, 泡沫沥青冷再生技术对路基承载能力要求相对较高, 如果路基的承载能力不足, 将对泡沫沥青就地冷再生材料造成巨大影响, 将直接导致结构层的破坏。

(3) 泡沫沥青冷再生混合料动态模量相对于其他类型材料在温度敏感性上较低。与普通沥青混合料相比,泡沫沥青就地冷再生混合料动态模量在低温区较低, 而在中温和高温区较高, 即在低温条件下表现出一定的柔性, 而在高温情况下表现出一定的刚性, 从另一个角度说明了泡沫沥青就地冷再生技术应用在路面的中下面层的合理性。