再生水泥穩(wěn)定碎石基層工程應(yīng)用研究
2023-01-16 來(lái)源:養(yǎng)護(hù)與管理 作者:麻旭榮 劉棟 羅正斌

  摘要

  為實(shí)現(xiàn)半剛性基層無(wú)機(jī)回收料(RAI)的再生利用,采用水泥作膠結(jié)材料,利用廠拌冷再生技術(shù)將RAI用于水泥穩(wěn)定碎石基層,依托某普通省道大修工程,進(jìn)行了RAI的預(yù)處理、性能評(píng)價(jià)、再生水泥穩(wěn)定碎石混合料(再生混合料)設(shè)計(jì),比選了三種壓實(shí)方法,實(shí)施了再生基層的施工。

  結(jié)果表明,相較于天然碎石,長(zhǎng)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(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法確定了再生混合料的壓實(shí)特性參數(shù)、水泥劑量及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,其壓實(shí)能力高于重型擊實(shí)(靜壓)法,可作為再生混合料性能增強(qiáng)的一種技術(shù)方案;再生混合料的拌合及養(yǎng)生是關(guān)鍵,可通過(guò)RAI預(yù)拌合、拌合時(shí)加強(qiáng)級(jí)配檢驗(yàn)、攤鋪時(shí)及時(shí)查補(bǔ)等措施提升再生基層均勻性,本工程實(shí)施的再生基層滿足技術(shù)要求。

  一、背景

  無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層是長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)瀝青路面主要的基層結(jié)構(gòu)形式,經(jīng)長(zhǎng)期服役后,高速公路及普通國(guó)省道的大中修、改擴(kuò)建工程均面臨基層材料的再生利用問(wèn)題。

  目前《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)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(wú)機(jī)回收料(RAI),其中RAI再生可考慮廠拌冷再生、就地冷再生技術(shù)。廠拌冷再生使用水泥/石灰無(wú)機(jī)結(jié)合料、泡沫瀝青+無(wú)機(jī)結(jié)合料作為結(jié)合料,相比于就地冷再生,廠拌冷再生技術(shù)生產(chǎn)的再生水泥穩(wěn)定碎石(再生混合料)質(zhì)量可控制性強(qiáng)、再生混合料基層(再生基層)整體性能更優(yōu)。但不同與天然碎石,RAI表面覆蓋舊水泥砂漿,長(zhǎng)期服役、回收工藝均可能造成RAI產(chǎn)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(jìn)一步造成再生混合料力學(xué)強(qiáng)度、路用性能與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石混合料的差異,因此,RAI用于再生基層時(shí)面臨著性能增強(qiáng)的技術(shù)問(wèn)題。

  本工程位于南方某省某普通省道二級(jí)路,路面寬度為10.5m,原瀝青路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1a,原瀝青路面經(jīng)近十年運(yùn)營(yíng)后產(chǎn)生車轍、破損、坑洞等病害。工程于2020年8月進(jìn)行大修,并考慮將RAP、RAI進(jìn)行再生利用,以節(jié)省材料、避免浪費(fèi)。大修設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1b,RAP采用廠拌熱再生技術(shù)用作下面層,RAI采用水泥作膠結(jié)材料通過(guò)廠拌冷再生技術(shù)用于上基層。

  二、試驗(yàn)材料

 ?。ㄒ唬┗鶎踊厥樟虾褪?guī)r集料

  RAI來(lái)源于本工程水泥穩(wěn)定碎石上基層,外觀見(jiàn)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?guī)r集料共四檔。篩除RAI中大于31.5mm部分,RAI和石灰?guī)r集料的粒徑分布見(jiàn)表1。進(jìn)一步將RAI篩分為0-5、5-10、10-30 mm三檔,依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)檢測(cè)RAI、石灰?guī)r集料的基本物理力學(xué)性能指標(biāo),見(jiàn)表2。表中數(shù)據(jù)表明,與石灰?guī)r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?jiàn),RAI的吸水性強(qiáng),抗壓碎能力有所降低。

  (二)配合比設(shè)計(jì)

  考慮到本工程水泥穩(wěn)定碎石拌合站僅有四個(gè)冷料倉(cāng),RAI實(shí)際工程中未采用篩分處理,僅作為一檔添加,這可能會(huì)導(dǎo)致再生混合料生產(chǎn)時(shí)礦料級(jí)配波動(dòng)較大的情況。

  因此,在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),一方面采用挖掘機(jī)預(yù)拌合RAI、加強(qiáng)加入冷料倉(cāng)前的均勻性,另一方面加強(qiáng)RAI級(jí)配檢測(cè)、提升生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制水平。

  依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)以及項(xiàng)目所在地的施工經(jīng)驗(yàn)確定再生混合料的礦料配合比,見(jiàn)表3,礦料級(jí)配曲線見(jiàn)圖3,RAI占總礦料質(zhì)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(jié)試驗(yàn)確定。

  三、再生混合料性能增強(qiáng)

 ?。ㄒ唬┬阅茉鰪?qiáng)方案比較

  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(shù),可通過(guò)RAI性能增強(qiáng)、再生混合料設(shè)計(jì)優(yōu)化及使用外摻劑、改善生產(chǎn)工藝等技術(shù)來(lái)提升再生混合料的整體性能。

  RAI性能增強(qiáng)指去除其表面裹附砂漿或強(qiáng)化裹附砂漿,包含物理和化學(xué)方法,物理方法包括摩擦整形、加熱研磨、濕法處理等,化學(xué)方法主要指采用稀鹽酸浸泡去除舊砂漿;為增強(qiáng)再生骨料的嵌擠、降低破碎率,振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法被用來(lái)設(shè)計(jì)再生混合料;聚酯纖維可通過(guò)增韌作用提升再生混合料性能;近年來(lái),振動(dòng)攪拌技術(shù)被用于提升水泥穩(wěn)定碎石的整體力學(xué)強(qiáng)度。

  比較各方案,RAI改性技術(shù)需采用物理設(shè)備或化學(xué)試劑,需較大經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本;使用外加劑、振動(dòng)攪拌技術(shù)也將增加材料成本和設(shè)備投入;再生混合料設(shè)計(jì)方法上的優(yōu)化成本投入小,是一種性價(jià)比較高的技術(shù)方案。

  采用振動(dòng)壓實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)及重型擊實(shí)(靜壓)試驗(yàn)三種方法,按照上節(jié)再生混合料配合比,進(jìn)行室內(nèi)成型試驗(yàn),采用3.5%、4.5%、5.5%三組水泥劑量,確定再生混合料的壓實(shí)特性參數(shù)(最佳含水率wopt、最大干密度ρmax)。振動(dòng)壓實(shí)和重型擊實(shí)(靜壓)試驗(yàn)依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)進(jìn)行,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)。

 ?。ǘ┰偕旌狭蠅簩?shí)特性

  再生混合料的壓實(shí)特性參數(shù)反映了其壓實(shí)需要的含水率以及能達(dá)到的最密實(shí)狀態(tài),不同壓實(shí)方法中作用在再生混合料上的力及其內(nèi)部傳遞均有差異,以盡可能接近實(shí)際碾壓情況為佳。wopt、ρmax的確定是再生混合料設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容,ρmax可用來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度, wopt過(guò)大可能造成再生混合料養(yǎng)生過(guò)程中自由水損失過(guò)大、干縮開(kāi)裂情況加劇。因此,選用合理的室內(nèi)成型方法是保證再生混合料設(shè)計(jì)結(jié)果的關(guān)鍵。擊實(shí)試驗(yàn)中混合料在錘擊力作用下逐漸達(dá)到嵌擠狀態(tài);振動(dòng)成型過(guò)程中,一定頻率和振幅的振動(dòng)使再生混合料產(chǎn)生“液化”現(xiàn)象;旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(jiàn)表4。表中數(shù)據(jù)表明,振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)確定的wopt、ρmax相近,其中wopt均低于重型擊實(shí),平均降低幅度為8.1%,ρmax則均較高,平均提高幅度為6.5%??梢?jiàn),振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)方法提供的壓實(shí)能力高于擊實(shí)方法,wopt包含了再生混合料壓實(shí)所需的潤(rùn)滑水以及RAI吸附水,振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中礦料的移動(dòng)方式保證了盡量少的潤(rùn)滑水,從而防止過(guò)高wopt、養(yǎng)生過(guò)程中水散失帶來(lái)的干縮開(kāi)裂。因此,振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)更適用于再生混合料試件的成型。

 ?。ㄈ┰偕旌狭狭W(xué)強(qiáng)度

  按照表4試驗(yàn)結(jié)果,分別以98%壓實(shí)度、wopt,采用三種壓實(shí)方法成型圓柱體試件,并依據(jù)JTG E51-2009進(jìn)行試件標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)生、7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rd測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4中數(shù)據(jù)表明,隨著水泥劑量增加,不同方法成型試件的Rd增大,振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)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(duì)重交通條件下二級(jí)及二級(jí)以下公路基層Rd標(biāo)準(zhǔn)要求為3.0~5.0MPa,據(jù)此可知:按照靜壓成型試驗(yàn)結(jié)果,水泥劑量需達(dá)到5.5%才能滿足要求;按照振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)成型試驗(yàn)結(jié)果,3.5%水泥劑量時(shí)再生混合料Rd僅在3MPa左右,4.5%水泥劑量下Rd達(dá)到3.5MPa以上,可滿足要求??梢?jiàn),采用振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法設(shè)計(jì)再生混合料,可減少一定水泥劑量。為進(jìn)一步驗(yàn)證壓實(shí)是否造成再生混合料中RAI、石灰?guī)r集料破碎,對(duì)壓實(shí)后試件輕敲碎,水洗后檢驗(yàn)礦料破碎率,發(fā)現(xiàn)靜壓試件中礦料存在一定破碎,振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件破碎情況則有明顯改善。本工程以振動(dòng)成型試驗(yàn)結(jié)果為參考,據(jù)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(yàn)路鋪筑

  (一)施工準(zhǔn)備

  對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料抽檢,保證材料質(zhì)量。RAI剔除≥31.5mm的部分,采用挖掘機(jī)多次翻動(dòng)拌合RAI,以保證級(jí)配均勻。攤鋪前將下承層表面灑水潤(rùn)濕,保證無(wú)松散顆粒及雜物。

 ?。ǘ┗旌狭系陌韬图斑\(yùn)輸

  拌合、運(yùn)輸過(guò)程見(jiàn)圖5。拌合站進(jìn)料倉(cāng)為4個(gè),RAI使用1個(gè)進(jìn)料倉(cāng)。在拌制混合料之前,檢查原材料的質(zhì)量,并測(cè)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(dòng)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(zhì)量均勻,并無(wú)明顯粗細(xì)料分離的現(xiàn)象。運(yùn)輸車取料,采用水沖洗測(cè)試再生混合料的礦料級(jí)配(≥2.36mm),結(jié)果見(jiàn)圖6。表中數(shù)據(jù)表明,再生混合料兩次抽檢礦料級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)配差異不大??梢?jiàn),RAI雖未篩分,但其進(jìn)入料倉(cāng)前的拌合預(yù)處理措施會(huì)起到保證級(jí)配準(zhǔn)確的作用。運(yùn)輸時(shí)采用遮蓬布減少再生混合料水分損失,運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)時(shí)通過(guò)表面視覺(jué)判斷水分損失是否過(guò)大。

 ?。ㄈ備伡澳雺?/p>

  采用徐工集團(tuán)RP953型攤鋪機(jī)攤鋪再生混合料,松鋪系數(shù)依據(jù)再生混合料最大干密度及目標(biāo)壓實(shí)度確定,攤鋪、碾壓工藝參考JTG/T F20,碾壓機(jī)械包含1臺(tái)徐工XP302膠輪壓路機(jī)及1臺(tái)三一重工YZ26E鋼輪壓路機(jī),初壓鋼輪壓路機(jī)靜壓2遍、復(fù)壓鋼輪振動(dòng)碾壓2遍+膠輪壓路機(jī)碾壓2遍、終壓鋼輪壓路機(jī)碾壓消除輪跡。攤鋪機(jī)后面設(shè)專人消除粗細(xì)集料離析現(xiàn)象,鏟除局部粗集料“窩”,并用新拌混合料填補(bǔ)。

 ?。ㄋ模B(yǎng)生及開(kāi)放交通

  由于RAI孔隙多,再生混合料內(nèi)部散水通道多于常規(guī)混合料,同時(shí)本工程在8月份施工,高溫條件也會(huì)加速失水,為降低再生基層因失水過(guò)快、多大而發(fā)生過(guò)高干縮開(kāi)裂的可能性,碾壓完畢后即用土工布進(jìn)行覆蓋,并在當(dāng)天即開(kāi)始灑水養(yǎng)生,保持表面潮濕。在7d養(yǎng)生期間內(nèi)封閉交通。

 ?。ㄎ澹z測(cè)

  施工后第8天鉆芯取樣,見(jiàn)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?guī)r集料、RAI均未發(fā)生明顯破碎。養(yǎng)生期結(jié)束后,盡早鋪筑瀝青面層,面層彎沉檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)要求。本工程服役1年至今,未產(chǎn)生開(kāi)裂,整體良好。這也驗(yàn)證了振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法在再生混合料設(shè)計(jì)中的適應(yīng)性。

  五、結(jié)論

 ?。?)取自某普通省道二級(jí)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?guī)r集料,RAI密度降低幅度為6%,吸水率、壓碎值提高302%、59%。

 ?。?)為增強(qiáng)再生混合料性能,采用設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,比較了擊實(shí)(靜壓)、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)再生混合料的壓實(shí)特性和力學(xué)強(qiáng)度。振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)能力相近,相較于擊實(shí)(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(guò)再生基層施工前增加RAI預(yù)拌合處理工序、拌合時(shí)加強(qiáng)合成礦料級(jí)配檢驗(yàn)、攤鋪時(shí)鏟除局部粗集料窩等措施減少再生混合料離析,養(yǎng)生時(shí)加強(qiáng)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(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司

   羅正斌 江西省交通科學(xué)研究院



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