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再生水泥穩定碎石基層工程應用研究
2023-01-16 來源:養護與管理 作者:麻旭榮 劉棟 羅正斌

  摘要

  為實現半剛性基層無機回收料(RAI)的再生利用,采用水泥作膠結材料,利用廠拌冷再生技術將RAI用于水泥穩定碎石基層,依托某普通省道大修工程,進行了RAI的預處理、性能評價、再生水泥穩定碎石混合料(再生混合料)設計,比選了三種壓實方法,實施了再生基層的施工。

  結果表明,相較于天然碎石,長期服役后的RAI具有更高的吸水性、更低的抗壓碎能力;選用振動、旋轉壓實方法確定了再生混合料的壓實特性參數、水泥劑量及無側限抗壓強度,其壓實能力高于重型擊實(靜壓)法,可作為再生混合料性能增強的一種技術方案;再生混合料的拌合及養生是關鍵,可通過RAI預拌合、拌合時加強級配檢驗、攤鋪時及時查補等措施提升再生基層均勻性,本工程實施的再生基層滿足技術要求。

  一、背景

  無機結合料穩定類基層是長期以來我國瀝青路面主要的基層結構形式,經長期服役后,高速公路及普通國省道的大中修、改擴建工程均面臨基層材料的再生利用問題。

  目前《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)將瀝青路面回收料分為瀝青混合料回收料(RAP)和無機回收料(RAI),其中RAI再生可考慮廠拌冷再生、就地冷再生技術。廠拌冷再生使用水泥/石灰無機結合料、泡沫瀝青+無機結合料作為結合料,相比于就地冷再生,廠拌冷再生技術生產的再生水泥穩定碎石(再生混合料)質量可控制性強、再生混合料基層(再生基層)整體性能更優。但不同與天然碎石,RAI表面覆蓋舊水泥砂漿,長期服役、回收工藝均可能造成RAI產生破碎或裂縫,其抗壓碎能力低于天然碎石、吸水性較高,這與混凝土再生骨料相似。RAI的這種特性可能進一步造成再生混合料力學強度、路用性能與常規水泥穩定碎石混合料的差異,因此,RAI用于再生基層時面臨著性能增強的技術問題。

  本工程位于南方某省某普通省道二級路,路面寬度為10.5m,原瀝青路面結構見圖1a,原瀝青路面經近十年運營后產生車轍、破損、坑洞等病害。工程于2020年8月進行大修,并考慮將RAP、RAI進行再生利用,以節省材料、避免浪費。大修設計路面結構方案見圖1b,RAP采用廠拌熱再生技術用作下面層,RAI采用水泥作膠結材料通過廠拌冷再生技術用于上基層。

  二、試驗材料

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  RAI來源于本工程水泥穩定碎石上基層,外觀見圖2,RAI表面被舊水泥砂漿覆蓋,且部分舊碎石顆粒黏連在一起。石灰巖集料共四檔。篩除RAI中大于31.5mm部分,RAI和石灰巖集料的粒徑分布見表1。進一步將RAI篩分為0-5、5-10、10-30 mm三檔,依據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)檢測RAI、石灰巖集料的基本物理力學性能指標,見表2。表中數據表明,與石灰巖集料相比,RAI的表觀密度較低,降低幅度約為6%,吸水率和壓碎值均較高,提高幅度約為302%、59%??梢?,RAI的吸水性強,抗壓碎能力有所降低。

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  考慮到本工程水泥穩定碎石拌合站僅有四個冷料倉,RAI實際工程中未采用篩分處理,僅作為一檔添加,這可能會導致再生混合料生產時礦料級配波動較大的情況。

  因此,在實際生產時,一方面采用挖掘機預拌合RAI、加強加入冷料倉前的均勻性,另一方面加強RAI級配檢測、提升生產過程質量控制水平。

  依據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)以及項目所在地的施工經驗確定再生混合料的礦料配合比,見表3,礦料級配曲線見圖3,RAI占總礦料質量的百分率為40%。水泥采用海螺牌普通硅酸鹽水泥425,水泥劑量由下節試驗確定。

  三、再生混合料性能增強

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  RAI與混凝土再生骨料存在相似性,參考再生骨料及其再生混合料的性能提升技術,可通過RAI性能增強、再生混合料設計優化及使用外摻劑、改善生產工藝等技術來提升再生混合料的整體性能。

  RAI性能增強指去除其表面裹附砂漿或強化裹附砂漿,包含物理和化學方法,物理方法包括摩擦整形、加熱研磨、濕法處理等,化學方法主要指采用稀鹽酸浸泡去除舊砂漿;為增強再生骨料的嵌擠、降低破碎率,振動、旋轉壓實方法被用來設計再生混合料;聚酯纖維可通過增韌作用提升再生混合料性能;近年來,振動攪拌技術被用于提升水泥穩定碎石的整體力學強度。

  比較各方案,RAI改性技術需采用物理設備或化學試劑,需較大經濟、時間成本;使用外加劑、振動攪拌技術也將增加材料成本和設備投入;再生混合料設計方法上的優化成本投入小,是一種性價比較高的技術方案。

  采用振動壓實、旋轉壓實及重型擊實(靜壓)試驗三種方法,按照上節再生混合料配合比,進行室內成型試驗,采用3.5%、4.5%、5.5%三組水泥劑量,確定再生混合料的壓實特性參數(最佳含水率wopt、最大干密度ρmax)。振動壓實和重型擊實(靜壓)試驗依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)進行,旋轉壓實試驗方法參考文獻。

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  再生混合料的壓實特性參數反映了其壓實需要的含水率以及能達到的最密實狀態,不同壓實方法中作用在再生混合料上的力及其內部傳遞均有差異,以盡可能接近實際碾壓情況為佳。wopt、ρmax的確定是再生混合料設計中的重要內容,ρmax可用來控制現場壓實度, wopt過大可能造成再生混合料養生過程中自由水損失過大、干縮開裂情況加劇。因此,選用合理的室內成型方法是保證再生混合料設計結果的關鍵。擊實試驗中混合料在錘擊力作用下逐漸達到嵌擠狀態;振動成型過程中,一定頻率和振幅的振動使再生混合料產生“液化”現象;旋轉壓實則在垂直壓力和水平剪力的共同揉搓作用下,集料定向形成骨架,試件壓密。

  不同方法成型再生混合料的wopt、ρmax見表4。表中數據表明,振動、旋轉壓實確定的wopt、ρmax相近,其中wopt均低于重型擊實,平均降低幅度為8.1%,ρmax則均較高,平均提高幅度為6.5%??梢?,振動、旋轉方法提供的壓實能力高于擊實方法,wopt包含了再生混合料壓實所需的潤滑水以及RAI吸附水,振動、旋轉壓實過程中礦料的移動方式保證了盡量少的潤滑水,從而防止過高wopt、養生過程中水散失帶來的干縮開裂。因此,振動、旋轉壓實更適用于再生混合料試件的成型。

 ?。ㄈ┰偕旌狭狭W強度

  按照表4試驗結果,分別以98%壓實度、wopt,采用三種壓實方法成型圓柱體試件,并依據JTG E51-2009進行試件標準條件養生、7d無側限抗壓強度Rd測試,試驗結果見圖4。圖4中數據表明,隨著水泥劑量增加,不同方法成型試件的Rd增大,振動與旋轉成型試件的Rd分別較靜壓試件提高約40.5%、43.6%,兩者相近。

  JTG/T F20—2015 中對重交通條件下二級及二級以下公路基層Rd標準要求為3.0~5.0MPa,據此可知:按照靜壓成型試驗結果,水泥劑量需達到5.5%才能滿足要求;按照振動、旋轉成型試驗結果,3.5%水泥劑量時再生混合料Rd僅在3MPa左右,4.5%水泥劑量下Rd達到3.5MPa以上,可滿足要求??梢?,采用振動、旋轉壓實方法設計再生混合料,可減少一定水泥劑量。為進一步驗證壓實是否造成再生混合料中RAI、石灰巖集料破碎,對壓實后試件輕敲碎,水洗后檢驗礦料破碎率,發現靜壓試件中礦料存在一定破碎,振動、旋轉壓實試件破碎情況則有明顯改善。本工程以振動成型試驗結果為參考,據此確定再生基層水泥劑量采用4.5%,工程用含水率為6.4%,即wopt+0.5%。

  四、試驗路鋪筑

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  對進場材料抽檢,保證材料質量。RAI剔除≥31.5mm的部分,采用挖掘機多次翻動拌合RAI,以保證級配均勻。攤鋪前將下承層表面灑水潤濕,保證無松散顆粒及雜物。

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  拌合、運輸過程見圖5。拌合站進料倉為4個,RAI使用1個進料倉。在拌制混合料之前,檢查原材料的質量,并測定其含水量,確定各原材料分斗(或盤)稱量及混合料加水量。出料口車輛前后移動分三次裝料,避免再生混合料離析。再生混合料拌合至外觀質量均勻,并無明顯粗細料分離的現象。運輸車取料,采用水沖洗測試再生混合料的礦料級配(≥2.36mm),結果見圖6。表中數據表明,再生混合料兩次抽檢礦料級配與設計級配差異不大??梢?,RAI雖未篩分,但其進入料倉前的拌合預處理措施會起到保證級配準確的作用。運輸時采用遮蓬布減少再生混合料水分損失,運至現場時通過表面視覺判斷水分損失是否過大。

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  采用徐工集團RP953型攤鋪機攤鋪再生混合料,松鋪系數依據再生混合料最大干密度及目標壓實度確定,攤鋪、碾壓工藝參考JTG/T F20,碾壓機械包含1臺徐工XP302膠輪壓路機及1臺三一重工YZ26E鋼輪壓路機,初壓鋼輪壓路機靜壓2遍、復壓鋼輪振動碾壓2遍+膠輪壓路機碾壓2遍、終壓鋼輪壓路機碾壓消除輪跡。攤鋪機后面設專人消除粗細集料離析現象,鏟除局部粗集料“窩”,并用新拌混合料填補。

 ?。ㄋ模B生及開放交通

  由于RAI孔隙多,再生混合料內部散水通道多于常規混合料,同時本工程在8月份施工,高溫條件也會加速失水,為降低再生基層因失水過快、多大而發生過高干縮開裂的可能性,碾壓完畢后即用土工布進行覆蓋,并在當天即開始灑水養生,保持表面潮濕。在7d養生期間內封閉交通。

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  施工后第8天鉆芯取樣,見圖9。除底部有少量顆粒掉落外,再生基層試樣可較完整取出,且石灰巖集料、RAI均未發生明顯破碎。養生期結束后,盡早鋪筑瀝青面層,面層彎沉檢測滿足設計要求。本工程服役1年至今,未產生開裂,整體良好。這也驗證了振動、旋轉壓實法在再生混合料設計中的適應性。

  五、結論

 ?。?)取自某普通省道二級路上基層的RAI表面覆蓋舊砂漿,顆粒間存在黏連,相比于石灰巖集料,RAI密度降低幅度為6%,吸水率、壓碎值提高302%、59%。

 ?。?)為增強再生混合料性能,采用設計優化方案,比較了擊實(靜壓)、振動、旋轉壓實再生混合料的壓實特性和力學強度。振動、旋轉壓實能力相近,相較于擊實(靜壓),其確定的wopt平均降低約8.1%,ρmax提高約6.5%,Rd提高約42.1%,水泥劑量也有所降低。

 ?。?)通過再生基層施工前增加RAI預拌合處理工序、拌合時加強合成礦料級配檢驗、攤鋪時鏟除局部粗集料窩等措施減少再生混合料離析,養生時加強保濕,本工程再生基層整體性能較好。

  作者:麻旭榮 浙江交通資源投資有限公司

   劉 棟 浙江順暢高等級公路養護有限公司

   羅正斌 江西省交通科學研究院



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