乳化沥青厂拌冷再生下面层配合比设计研究

时间：2024-09-03

延丽丽，孙超

（1.抚顺市交通运输综合行政执法队，辽宁抚顺 113006；2.抚顺市交通运输发展服务中心）

1 引言

截至2019 年，我国公路总里程已达484.65 万km，在路网日臻完善的同时，公路建养过程中对生态环境的破坏也日趋严重，目前我国每年因公路维修养护产生近2亿t的废旧沥青路面材料。废料处置不仅占用大量土地，造成环境污染，更是一种资源的浪费。为保护生态环境，发展绿色交通，公路建养过程中应积极推动废旧沥青路面材料的再生利用[1～3]。国外沥青路面再生利用研究始于20世纪，其中美国最早在1915年就开始了相关研究，到20世纪80年代美国再生沥青混合料用量几乎为全部路用沥青混合料的一半；德国、日本等发达国家高度重视沥青路面再生技术的研究，废旧沥青路面材料再生利用率达到70%以上；我国在20世纪50～80年代曾不同程度的对废旧沥青路面再生利用进行研究，近年来随着大量高等级沥青路面进入维修、升级和改造阶段，废旧沥青路面再生技术重新得到重视和推广，为指导和规范沥青路面再生技术应用，交通运输部于2008 年发布实施了第一版《公路沥青路面再生技术规范》[4～8]。目前我国沥青路面再生主要采用厂拌热再生、厂拌冷再生、就地热再生、就地冷再生四种技术，其中厂拌冷再生以能耗低、环境污染小、废料利用率高、质量易于控制等特点，在二级及以上公路维修改造中的中、下面层得到应用[1]。

2 原路调查

G229 饶盖线（新宾段）路面改造工程，起点位于新宾县苇子峪镇（对应桩号K175+000），终点位于本溪市交界处（对应桩号K187+000），路面宽度12m。该段公路于2001 年进行过一次升级改造，路面结构为4cm 普通沥青混凝土＋20cm 水泥稳定砂砾＋20cm 砂砾垫层。2011年进行过一次路面维修，在原路面上加铺3cm改性沥青混凝土。经原路取芯验证，面层累积厚度7cm，基层已不能整体取出。该公路作为新宾县境内的一条干线公路，交通量日益增大，重载交通日益增多，通过原路调查发现路面已出现大量横纵裂缝、坑槽、车辙等病害，原路技术状况评定[9]结果见表1。

表1 原路技术状况评定表

3 工程再生实施方案

该路面改造工程维持原路二级公路等级，路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以路表设计弯沉值作为路面整体强度控制指标，设计年限为12年，目前双向年平均日交通量AADTT为1739 辆/日，设计年限内交通量的年平均增长率γ 为0.02，设计年限内设计车道上的累计当量轴次Ne 为3637879次，交通等级属于中等交通，经计算，路表设计弯沉值为32.0（0.01mm）。结合《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）和《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）的相关要求，为实现RAP零废弃，该工程再生方式宜选择乳化沥青厂拌冷再生，并将再生层用作路面的下面层，最后确定路面改造方案为：5cm温拌SBR 改性沥青混凝土（AC-20）上面层+粘层油+10cm乳化沥青厂拌冷再生下面层+稀浆封层+38cm 4%厂拌水泥稳定碎石基层+原沥青路面铣刨。

4 原材料基本要求

4.1 水泥

水泥强度等级宜为32.5 或42.5，不应使用快硬、早强水泥，水泥指标应符合《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）要求。本工程选用水泥为矿渣硅酸盐水泥P·S 32.5，试验检测结果见表2。

表2 水泥试验检测结果

4.2 水

饮用水或洁净无有机物的非饮用水可用来生产乳化沥青及再生混合料。

4.3 集料

粗、细集料质量应符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）有关规定，本工程选用工程所在地石料，集料试验检测结果见表3和表4。

表3 碎石试验检测结果

表4 石屑试验检测结果

4.4 乳化沥青

厂拌冷再生宜采用慢裂型阳离子乳化沥青，其技术指标应符合《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）要求，乳化沥青使用时温度不宜高于60℃，本工程选用乳化沥青为道路用阳离子乳化沥青BC-1，试验检测结果见表5。

表5 乳化沥青试验检测结果

5 乳化沥青冷再生混合料配合比设计

5.1 RAP取样分析

以不损伤原路基层为控制条件，对原沥青路面进行铣刨，然后将沥青混合料回收料（RAP）运至拌和厂，按试验规程对RAP进行取样分析，检测结果见表6。

表6 RAP取样检测结果

5.2 冷再生混合料级配设计

因铣刨过程中会使RAP 部分骨料破碎，不满足实际工程设计级配范围要求，需要再添加部分新集料。另外，还需外掺水泥提高冷再生混合料的早期强度和水稳定性能，水泥剂量不宜超过1.5%，过多水泥用量会对混合料性能产生负面影响，结合已有工程经验确定采用强度等级32.5 的矿渣硅酸盐水泥，剂量为1%[10]。按《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）级配要求，结合RAP筛分结果，拟定冷再生混合料中各种矿料级配组成见表7，合成级配曲线见图1。

图1 合成级配曲线

表7 矿料级配组成

5.3 确定最佳含水率

参照《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）试验方法，对合成级配矿料进行击实试验，根据击实曲线（见图2），确定混合料的最佳含水率为6.2%，最大干密度为2.189 g/cm3。

图2 击实曲线

5.4 确定最佳乳化沥青用量

乳化沥青用量取4.0%、4.3%、4.6%、4.9%、5.2%，根据已确定的最佳含水率6.2%和水泥剂量1%，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）和《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）相关要求制作试件，分别进行马歇尔试验、冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验，试验结果见表8、表9 及表10。综合马歇尔试验、劈裂强度试验和冻融劈裂强度比等结果，确定最佳乳化沥青用量为4.9%。

表8 马歇尔试验结果

表9 劈裂强度试验结果

表10 冻融劈裂强度比

综上所述，确定该工程的乳化沥青冷再生混合料最佳配合比为RAP：碎石（10mm～20mm）：碎石（5mm～10mm）：石屑：水泥=70：16：7：6：1，最佳乳化沥青用量为4.9%。

6 施工工艺

①铣刨。铣刨应分层刨除原有的沥青路面，且以不损伤原路基层为控制条件，铣刨料运输过程中应采用防雨布覆盖，严格控制铣刨料含水量。

②拌和。厂拌冷再生应采用专门拌和设备，需具备配料精准、拌和均匀、生产效率高、易于操作等特点，通过控制系统严格按设计配合比进行拌和，确保混合料不出现花白料、结团、离析等问题。

③摊铺。可采用传统摊铺机摊铺，但熨平板不需加热，应按试验段确定的松铺系数进行均匀连续摊铺，速度控制在2 m/min～4 m/min范围内。

④碾压。碾压要在混合料最佳含水率条件下进行，避免出现弹簧、松散、起皮等问题，初压速度宜为1.5 km/h～3 km/h，复压、终压速度宜为2 km/h～4 km/h，按试验段确定的碾压遍数进行碾压，确保达到设计压实度。

⑤养生。养生宜在封闭交通下进行自然养生，养生时间应不少于7d，当满足再生层可取出完整芯样或含水率低于2%时，可进行下道工序施工。

7 经济与社会效益

G229 饶盖线（新宾段）路面改造工程，乳化沥青厂拌冷再生下面层配合比设计中RAP 占矿料比例为70%；旧沥青路面累计厚度7cm，改造后再生路面厚度10cm，旧路面与再生路面厚度比为70%，该值与再生路面配合比设计中RAP 占矿料比例相等，RAP 实现全部利用。本次路面改造产生RAP 10080m3，约23889.6t（原路沥青混凝土密度2.37t/m3），其中沥青1242.3t（原路面RAP沥青含量5.2%），碎石集料22647.3t，RAP全部利用意味着少开采碎石集料22647.3t。

为避免污染环境，RAP需要建仓存储，料仓安全堆放的最大高度5m，粒料最大堆积角度45°，RAP 堆放近似圆锥台，料仓近似占地面积3883.9m2。据此可知，RAP全部利用能减少耕地占用约5.8亩。

另外，乳化沥青再生路面可利用原路老旧沥青1242.4t，同时还需要掺配新的乳化沥青，乳化沥青折合成基质沥青用量为1006.5t（乳化沥青蒸发残留物含量62.02%）。而相同厚度的普通沥青混凝土路面沥青用量约为1722.2t（沥青含量5.2%），再生路面相比普通沥青混凝土路面能够减少新沥青用量715.7t。可见旧沥青路面的再生利用能够节约部分新碎石和沥青，减少生态破坏，具有良好的经济与社会效益。