泡沫沥青厂拌冷再生配合比设计方法研究与实践

时间:2022-07-26 02:01:45

泡沫沥青厂拌冷再生配合比设计方法研究与实践

摘 要:本文依托西线高速公路路面改建工程,对泡沫沥青厂拌冷再生配合比设计方法进行研究。通过室内配合比设计,确定了沥青的合适发泡条件、最佳拌和用水量及最佳泡沫沥青用量,确定了工程应用的最终级配组成并进行了各项力学试验。

关键词:泡沫沥青;冷再生;配比设计

中图分类号:TU57+1 文献标识码:A

随着我国公路交通事业的蓬勃发展, 尤其是东部发达省份高速公路和国省道干线路网已经基本形成, 而且许多公路陆续进入大修期。因地制宜地选择合理、科学的维修方案和工艺技术成为目前公路管理和养护部门的迫切要求。泡沫沥青冷再生技术是利用沥青发泡技术将废弃的沥青材料铣刨后重新稳定, 并在压实力的作用下形成具有一定路用性能的路面结构层。这项技术可以将废弃的路面沥青材料再生使用, 而且可将其中的老化沥青重新激活, 变废为宝, 从而达到保护环境、节约资源的目的;同时利用泡沫沥青再生技术可以将传统的路面结构改造成柔性基层路面结构, 从而优化路面组合形式,延长路面使用寿命。

本文介绍了泡沫沥青冷再生国内外各种配合比设计方法,并依托海南西线高速公路路面改建工程,通过一系列室内配合比设计试验,设计得到的泡沫沥青混合料具有非常良好的力学性能和路用性能。

一、国内外主要配合比设计方法概述

国内外的泡沫沥青冷再生设计方法都属于经验设计法,其区别主要是成型方式,指标选择以及验证试验上,可以看出目前国内外大多将泡沫沥青冷再生混合料看做基层材料看待,因而通常将强度作为设计指标而较少使用体积指标,同时马歇尔击实仍是目前主要的成型方式,通过旋转压实成型试件多作为研究使用。

(一)美国冷再生混合料设计方法

美国各个州及部门都提出过不同的冷再生混合料设计方法,代表性的如ARRA提出的修正马歇尔方法、修正Hveem方法及Oregon预估方法;California设计方法;Pennsylvania设计方法;AI设计方法;Suppave体积设计方法等等。值得注意的是,上述方法主要针对的是以乳化沥青作为冷再生剂的冷再生混合料配合比设计,由于泡沫沥青冷再生在美国的应用并不广泛,因此专门针对泡沫沥青冷再生混合料提出的规范设计方法并不多见。

(二)Wirgten泡沫沥青冷再生混合料设计方法

德国的Wirgten公司编制的Wirgten冷再生技术手册中对泡沫沥青冷再生混合料的配合比设计进行了详细的说明,其一般的流程如下:

1.确定活性填料的种类和掺量;

2.通过AASHTO T-180试验方法确定未稳定材料的最佳含水量和最大干密度;

3.通过沥青发泡试验检测沥青的发泡特性:膨胀率和半衰期,确定能够产生最佳发泡效果的发泡温度和发泡用水量;

4.根据未稳定材料的最佳含水量及经验公式确定最佳拌合用水量;

5.在最佳拌合用水量下,变化泡沫沥青用量成型马歇尔试件,根据试件的干、湿劈裂强度与沥青含量的关系曲线,将最低满足理想性能的沥青用量取为最佳沥青用量;

6.对于重载交通,还应在最佳含水量下成型150mm直径试件进行UCS和ITS试验;

7.通过三轴试验测定混合料的抗剪性能。

(三)国内设计方法

1.泡沫沥青冷再生混合料配合比设计包括原材料分析、配合比(沥青及水、水泥、新碎石材料用量)设计和设计配合比检验三项内容。

2.采用随机取样的方法,取得具有足够用量的铣刨料,并低温烘干确定原材料含水量。

3.对铣刨料进行抽提,分析得出铣刨料级配及沥青含量。

4.确定最大干密度、最佳含水量。

固定泡沫沥青用量为3%,对5个不同含水量的铣刨料(或铣刨料、新碎石材料与水泥混合料)进行土工击实试验,通过土工击实确定试件干密度,根据试件干密度――含水量关系曲线,回归分析得出最大干密度及其对应的最佳含水量。

5.泡沫沥青设计用量的确定

以预估的沥青用量为中值,选取5个不同泡沫沥青用量,保持最佳含水量不变,按照以下方法制备马歇尔试件:

称取足够混合料以获得63.5±1.5mm的击实高度(通常1150g)放入试模中,用插刀周边插捣15次,中间10次,使表面整平成凸圆弧面,按马歇尔试件的成型方法进行试件的成型(双面各75次)。将试样连同试模一起侧放在60℃的鼓风烘箱中养生至恒重,养生时间一般不少于40h,将试模除烘箱中取出,侧放冷却12h后脱模。将各组油石比试件进行15℃劈裂试验、浸水24h的劈裂试验(将试件完全浸泡于25℃恒温水浴中23h,再在15℃恒温水浴中完全浸泡1h,然后取出试件立即进行15℃劈裂试验)。根据试验结果综合选择最优泡沫沥青用量作为泡沫沥青设计用量。

如各试验结果不能满足相关技术标准要求,则应考虑掺加水泥或增加水泥掺量,重复第4步试验。

6.验证试验

在有条件的情况下,可根据所选定的各材料掺量,成型相关试件,进行设计沥青含量的高温抗变形能力(车辙试验)、抗水损害(浸水马歇尔试验)、低温抗裂性(低温小梁弯曲试验)、抗疲劳能力(四点梁疲劳试验)等性能试验,评价再生混合料与路用相关的性能。

二、泡沫沥青混合料室内配合比设计

(一)原材料

1.基质沥青

本项目基质沥青采用SK70#沥青。参照中华人民共和国行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ O52―2000)中相关试验方法对该沥青进行了各项技术指标的检验,结果满足规范要求。

2.RAP材料

考虑到场地限制,以及施工方便等因素,本次铣刨方案采取一次性铣刨12~13cm沥青面层。针对路面结构形式不一致的问题,设计时进行了大量的试验进行验证。首先针对不同路面结构的段落分别采取不同的铣刨速度,分别选取代表性样品进行室内筛分试验(干筛),试验结果见图1。

原铣刨料按照不同铣刨段落和不同铣刨速度共分为8种样品,其级配曲线如图2-2,综合考虑取样代表性和设计保证率,选择路面状况中等及4m/min铣刨速度的RAP级配作为目标配合比设计的RAP样品。

图1不同工况下RAP级配

3.石屑

由于泡沫沥青与集料混合时,主要散布于细粒料(特别是粒径小于0.075 mm) 的表面,形成粘有大量沥青的细料填缝料,粗集料表面基本没有形成沥青膜,与热拌沥青混合料的沥青在粗细集料表面完全裹附不同,因此,泡沫沥青混合料中要有足够的细集料,通常情况下,0.075 mm 以下颗粒含量为5%~20%时稳定效果更好,更易于泡沫沥青的分散,充分发挥其胶接作用。同时,泡沫沥青稳定材料需要有较为连续的级配。从图1中RAP的筛分结果来看,主要存在细料(尤其是2.36mm筛孔以下)不足的问题,因此需要通过添加石屑(0~5mm)来调整级配。

4.水泥

本项目采用普通32.5号硅酸盐水泥,100%通过0.075mm筛孔。水泥的作用体现在以下几个方面:①调整级配②减小孔隙率③增加强度④吸收RAP中水份⑤增强抗水损害能力。

(二)沥青发泡特性

利用德国维特根公司的WLB1O试验发泡机对SK70#沥青进行不同发泡温度、不同发泡用水量条件下的发泡特性试验,从而寻求该沥青最佳的发泡温度和发泡用水量。试验结果如表1和图2所示,由试验结果可得出以下结论。

1.该沥青发泡特性良好,能够满足泡沫沥青最低的发泡标准,即膨胀率大于10倍,半衰期大于8 s。

2.两种温度下,能获得最好的沥青发泡效果的发泡用水量均为2.5左右%。

3.两种发泡温度相比,165 ℃条件下能获得更好的沥青发泡效果。

因此,由沥青发泡特性试验可确定本项目金陵石化70号沥青的最佳发泡条件为:发泡温度165℃;发泡用水量2.5%。

表1SK70#沥青发泡试验结果

图2SK70#沥青不同温度下发泡特性

(三)泡沫沥青混合料级配选择

结合具体工程,同时兼顾技术经济性,本次配合比设计中选择初始级配的原则是在级配满足规范要求的前提下,尽量提高RAP的利用率,同时对不同路面结构形式的RAP料进行基本力学性能验证。

室内选择了两种初始级配,其组成比例如下:

方案A:RAP∶石屑∶水泥=80%∶18.5%∶1.5%;

方案B:RAP∶石屑∶水泥=70%∶28.5%∶1.5%。

表2两种初始级配合成级配

图3初始级配合成级配图

对两种级配方案按照经验的最佳含水量5.0%和最佳泡沫沥青用量2.0%和2.5%成型马歇尔试件进行15℃劈裂试验以及浸水劈裂试验,试验结果如下表3。

表3不同合成级配的劈裂强度

从试验结果可以得出以下结论:

1.无论是级配方案A还是级配方案B其基本力学性能指标都能满足规范要求;

2.相比较而言,级配方案A在2.5%沥青用量下的干劈裂强度和干湿劈裂强度比均较高。

因此,根据试级配的试验结果,选择级配方案A为设计级配。

(四)最大干密度和最佳含水量

将风干的旧沥青路面铣刨料、干燥的石屑及水泥按拟定的掺加比例混合。通过重型击实试验确定再生混合料的最佳含水量和最大干密度,试验结果见表4。为了使试验结果更贴近现场情况,更能够指导施工,在重型击实时预先添加了预估的泡沫沥青用量2.5%。

表4泡沫沥青混合料重型击实试验结果

(五)最佳泡沫沥青用量

在上述土工击实法确定的最佳含水量的基础上,进一步结合15℃劈裂强度试验和浸水劈裂强度试验等确定相应的最佳泡沫沥青用量。

试件成型方法为马歇尔击实法,双面各75次。

试验内容为15℃劈裂强度试验和浸水劈裂强度试验。

试验结果见表5、图4和图5。

表5不同泡沫沥青用量下劈裂强度试验结果

图4泡沫沥青用量-干湿劈裂强度曲线

图5泡沫沥青用量-残留强度比曲线

由表6、图4和图5的试验结果再结合已有工程经验的情况下可初步判定设计级配所对应的最佳泡沫沥青用量约为2.5%(外掺)。在此泡沫沥青用量下的干劈裂强度、湿劈裂强度以及残留强度比均能满足规范要求。

(六)性能试验

泡沫沥青混合料的性能研究在国内尚处于起步阶段,本次设计时根据常规热拌沥青混合料的相关试验方法进行了验证,相关试验内容及结果见表6。

表6泡沫沥青混合料性能试验及结果

从试验结果可以得出如下结论:

1.从常规的力学性能指标60℃马歇尔稳定度结果来看,泡沫沥青混合料是低于普通的热拌沥青混合料的一般标准的,这主要与泡沫沥青混合料沥青用量较小,且沥青分布形式为点接触而非全裹覆有关。

2.从冻融劈裂试验结果来看,泡沫沥青混合料的水稳定性也是能够满足相应热拌混合料的标准的,这主要和添加了水硬性的填料水泥等因素有关。

3.从车辙试验结果来看,泡沫沥青混合料的高温性能远高于普通热拌沥青混合料的标准,说明泡沫沥青混合料同一般意义上的柔性结构层是有一定的差别的,应定义为半柔性结构更为恰当。

三、结语

1、国内外的泡沫沥青冷再生设计方法都属于经验设计法,其区别主要是成型方式,指标选择以及验证试验上,目前国内外大多将泡沫沥青冷再生混合料看做基层材料看待,因而通常将强度作为设计指标而较少使用体积指标,同时马歇尔击实仍是目前主要的成型方式,通过旋转压实成型试件多作为研究使用。

2、通过室内配合比试验表明,SK70#沥青的适宜发泡温度为165℃,发泡用水量为3.5%,配合比为RAP:新集料:水泥=80%:18.5%:1.5%,泡沫沥青的用量为2.5%、含水量为5.3%(泡沫沥青和水均为外掺)。所设计的冷再生混合料15℃浸水劈裂强度为0.66MPa,强度满足JTG F41-2008规定的15℃ 劈裂强度不小于0.5MPa强度指标。

3、由于水泥对泡沫沥青冷再生的强度和水稳定性以及疲劳性能有显著的影响,在施工过程中应严格控制水泥剂量,建议施工过程中水泥剂量控制在1.4~1.7%之间。

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