100%RAP乳化沥青冷再生混合料基层应用研究

骆 强

(河南省濮新高速公路建设有限公司,河南 濮阳 457000)

再生沥青路面(RAP)是将老化的沥青路面用于新的热拌沥青混合料或冷沥青混合料。使用RAP的优点是减少对原始材料的勘探,节约能源,降低成本,减少对自然资源的利用和对环境的破坏[1]。在20世纪90年代,利用RAP进行路面基层就地再生的技术成为一种普遍的解决方案。然而,我国沥青层的回收率在新路面上的应用还很低,而且也说明了传统热沥青混合料比再生沥青混合料具有更好的性能[2]。冷再生沥青混合料需要考虑是否回收、松散混合料失水时间、压实方式、养护期等,这些因素通常会影响再生沥青混合料的抗拉强度[3-4]。研究的目的是评估乳化沥青再生剂和100%RAP的冷再生沥青混合料应用于新路面基层中的性能。试验段选择在连霍高速改扩建工程河南段,通过落锤石弯沉仪(FWD)监测在施工后的12个月内路面结构力学行为。另外,在试验过程中收集了冷再生混合料的样品,在室内研究试验段所用材料存储和养护时间与路用性能的关系。

1 乳化沥青冷再生沥青混合料

1.1 原材料与级配

RAP材料是从旧沥青路面的不同点位获取三个样品,然后根据规范要求,在室内对RAP材料进行沥青抽提回收,RAP1、RAP2和RAP3的沥青含量分别为5.3%、4.7%、4.9%。对样品进行集料筛分,三个级配如表1所示。由表1可以看出,三个级配的筛分结果相差不大。根据规范要求,对级配不良的铣刨料,应通过掺加部分新料以改善其级配,最终形成了表1的合成级配。

表1 RAP矿料筛分结果及合成级配

乳化沥青再生剂含有SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯),使用阳离子缓凝剂,采用矿物再生剂配制而成,配制时考虑了RAP残余结合料的氧化程度、表面能和比表面积特性等。

1.2 冷再生沥青混合料设计

采用马歇尔压实法制备试样,乳化沥青再生剂的含量分别为2.0%的2.5%和3.0%。马歇尔试件每面击实75次后,试样在60 ℃,下养护72 h,然后在室温下养护24 h。马歇尔稳定性试验结果表明,乳化沥青再生剂用量为2.5%的试件具有较好的再生性能,这一剂量在已有文献中得到了同样的结论。因此,室内试验和现场试验段用沥青混合料的乳化沥青剂量均为2.5%。

1.3 冷再生沥青混合料生产

采用RT-500设备对RAP进行回收筛分,并使用31.5 mm筛子限制RAP大颗粒。冷再生沥青混合料生产过程中,收集400 kg左右原材料,在室内进行试验验证。在室内对原材料进行测试发现:RAP的含水量约为2.5%,而添加的乳液含水量为1.0%,因此,最终RAP的含水量约为3.5%。为了防止水分蒸发,回收的RAP在室内用塑料袋覆盖。

2 试 验

2.1 压实方法和压实能量

首先研究压实能量对沥青混合料体积参数的影响,进而确定压实方法。采用两种种压实方法和五种压实能量进行分析,评估每种压实方法对压实混合料的密度和孔隙率的影响,第一种是马歇尔仪制作试件,分为每侧击实50次和75次(M50和M75),第二种旋转压实仪三种击实能量(G50、G75和G100),平均结果如图1所示。

图1 压实能量和压实方法对体积参数的影响

如图1所示,不同压实方法和压实能量的试验验表明,马歇尔法双面各击实50次的体积密度最低和孔隙率最高,而采用旋转压实方法,呈现出较大的体积密度和较低的空隙率,同一种试验方法存在最佳的压实能量,因此,体积密度取决于压实类型和压实能量。室内究竟采用哪种压实方法需要与现场试验相匹配,现场试验段采用的是9轮25.5 t的滚动压路机压实16次,然后采用双联压路机进行压实,再进行了羊角碾的测试。有研究表明:无论是采用双联压路机和羊角碾,都无法达到室内马歇尔试验每面击实75次的效果。因此,为了更好地与试验段施工效果作对比,室内试验采用马歇尔试验每面击实75次制作试件。

2.2 存储和养护时间影响

为了评价存储和养护时间对压实后乳化冷再生沥青混合料性能的影响,在室内对抗拉强度和弹性模量测试。存储时间分别为7、14、28 d;压实后,圆柱形试样养护时间为1、3、7、14、28 d。每个试件每面击实次数75次,压实后,每个试样在室内60 ℃下养护72h,以加速初始养护期。之后试样在室温25 ℃下养护,进行间接拉伸试验和弹性模量试验,试验结果如图2和图3。试验结果表明,3 d的养护时间显著提高了冷再生混凝土的强度和刚度,且松散混合料存储28 d并没有破坏其力学性能,相反抗拉强度增加和弹性模量,证明乳化再生沥青混合料可以存储;另外,松散冷再生沥青混合料存储7 d和14 d的压实试样养护1 d后,抗拉强度测试时试件没有足够的黏聚力,此行为可能表示水分的减少不仅是强度和刚度增加的唯一原因,而且老化沥青和乳化沥青再生剂作用时间影响着再生沥青混合料的力学性能;养护7 d,存储7 d的冷再生混合料试件,其平均抗拉强度低于0.3 MPa,且同样的混合料被存储14 d和28 d时抗拉强度增加趋势显著;再次表明:再生沥青混合料在存储期间,可能老化沥青与乳化沥青再生剂之间发生了相互作用。

图2 松散沥青混合料存储时间、压实试件的养护时间对间接抗拉强度的影响

图3 松散沥青混合料存储时间、压实试件的养护时间对回弹模量的影响

3 试验段施工及监测

3.1 试验段施工要点介绍

以室内试验结果为依据,在交通繁忙的河南某干线公路进行试验路铺装,基层为150 mm厚的乳化冷再生沥青混合料,冷再生混合料是在固定回收厂生产后存储30 d。冷再生混凝土的施工分两层进行,确保压实后的厚度为150 mm,基层与底基层之黏结层使用快速凝固乳液,洒布量为0.4 L/m2。首次碾压使用钢轮压路机,控制压实功最低为21.03 kN/m3,旨在达到95%或更高压实度。完成再生层施工后,50 mm热拌沥青用作磨耗层。试验段的施工证明:冷再生混合料具有良好的和易性和耐久性,所需设备与新沥青路面施工中经常使用的设备相同。

3.2 弯沉测量

试验段施工后,进行结构行为监测。使用FWD弯沉仪进行弯沉测量,分别测量了施工完后7、90、180、360 d的弯沉值,“Dx”为对应于距离荷载点“x”mm处测量的位移,D0值(校正至20 ℃参考温度时垂直加载点下方的位移),测试结果如图4所示。可以看出,在重交通荷载作用下,随着养护时间增长再生沥青混合料的刚度增加,这与室内试验得出的结果一致。

图4 施工完7、90、180、360 d后的弯沉值D0

现场试验结果还表明,路面刚度在养护期间有所改善(由于在其他路面结构层测试中未发现弯沉减少的特性),随着养护时间的推移,再生沥青混合料的硬度可能会显著增加。然而,必须指出的是第一次FWD测量是在7月份,处于雨季、气候较为湿润。相比之下,其他测量分别在10月、12月和3月进行。

为了消除不同季节含水量对测定结果的影响,同在相同时间内还测试了D1200(在距荷载1 200 mm处测得的垂直位移)弯沉值,旨在确定路基的含水量是否可能影响D0值,测量结果如图5所示。结果表明,D1200数值保持在图5所示的相同基线中,基本不受季节的影响。从实地调查到后来的弯沉分析证实,路基水含量可能不会影响D0的结果。

图5 施工完7、90、180、360 d后的弯沉值D1 200

3.3 车辙测量

除刚度外,通过测量车辙来表征抵抗永久性变形能力。变形可能发生在粒料层、热拌沥青混合料层或冷再生混合料层,或多层的综合变形。为了测量车辙,动态测试路面扫描仪配备了两个高性能的三维激光,分辨率为1 mm,测量值为试验一年半后进行。每40 m计算一次车辙,测量结果左侧车辙和右侧车辙进行平均,得出平均车辙为7 mm/km,图6显示了每40 m的平均车辙值。虽然无法测量从施工到当前服役状态下车辙性能的演变(540 d),但可以证实,施工后18个月在一些关键断面测量的平均车辙是较低的,约为4 mm,所测量的最大车辙为6 mm;此外, 所述4 mm相当于各层中永久变形的总和,即再生冷沥青层变形值更少,说明它能很好地抵抗永久变形。

图6 三维激光测量施工完第540天的车辙深度

4 结 论

(1)室内试验表明,乳化冷再生沥青路面基层的刚度和强度随着养护时间的增加呈现总体增加的趋势,使用乳化沥青再生剂的再生沥青混合料促进了力学性能的改善,与试验段弯沉测试结果趋势一致,可作为替代新建沥青路面层材料使用。

(2)100%重复使用RAP,不仅降低成本、减少环境影响,而且在试验段监测18个月期间没有产生任何病害,路面刚度随养护时间增长而增加。

(3)路基路面含水量的变化不显著影响测量弯沉值,反而养护时间会显著影响弯沉值。

(4)施工完第540天车辙检测平均值约为4 mm,远低于规范允许值。