乳化沥青厂拌冷再生技术在长沙机场高速的应用

姚 胜，李 泉，吴超凡 ，黄开宇，张继森

(1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015;2.湖南省建筑固废资源化利用工程技术研究中心，湖南 长沙 410007)

1 概述

2018年末全国高速公路通车总里程就已达13.65万km，相比2017年末增加了5 500 km，增长了4.2%，其中沥青路面占到90%以上。从2012年开始全国高速公路里程同比增长幅度逐年降低，而高速公路养护里程增长幅度逐年增大，高速公路养护里程超过了1.4万km，表明我国高速公路进入了建养并重的时期。据统计，我国仅干线公路大中修工程，每年产生RAP材料达1.6亿t，然而公路路面材料循环利用率不足30%，远低于发达国家90%以上利用率的水平，将路面养护中产生的RAP材料当做建筑垃圾丢弃，不仅污染环境，占用土地，同时也是一种极大的资源浪费，因此在《十三五”公路养护管理发展纲要》中提出推动公路养护管理向资源节约型、环境友好型转变，实现绿色、低碳、循环发展[1-7]。近年来，乳化沥青厂拌冷再生技术以其常温下施工、无环境污染与RAP材料利用率高等优点，成为国内学者们热衷的研究课题，通过厂拌冷再生技术将RAP材料应用于沥青路面中不仅可以减少CO2排放、节约土地，而且将在一定程度上缓解新碎石开采的压力，节约资源、降低生产成本，实现资源循环利用，因此在沥青路面养护中获得了推广与应用，在国内，这一技术通常用于沥青路面基层或下面层[8-9]。

2 工程概况及设计方案

湖南长沙黄花机场高速公路于2003年建成通车，2015 年全线进行一次中修加铺改造，其设计方案是在表面加铺了一层4 cm 改性沥青 AC-13，目前机场高速公路沥青路面结构组合为：加铺层4 cm 改性沥青 AC-13 +上面层4 cm改性沥青AC-16(1)+中面层5cm改性沥青 AC-25(1)+下面层 6 cm 沥青稳定碎石 AM-25+基层 20 cm 水泥稳定碎石(6%)+底基层 20 cm 水泥稳定碎石(4%)，鉴于该机场高速公路已通车运营15 a，已基本达到设计使用年限，为更好地保证机场高速公路的路用品质，提高行车舒适性，确保湖南省省内第一路的良好形象，为后续路面养护工程积累经验和提供技术支撑，拟在部分典型病害十分严重(的路段局部进行路面小修工程，初步拟定小修工程的里程桩号为：K7+720～K8+120(左幅)，共单幅长400 m。

行车道结构组合方案：行车道铣刨 20 cm，包括原沥青面层厚度 19 cm以及水泥稳定碎石上基层 1～1.5 cm，保证铣刨到上基层顶面。铺筑路面结构如下：

乳化沥青透层+1 cm 改性沥青碎石应力吸收层+11 cm乳化沥青厂拌冷再生+0.5 cm 改性沥青碎石封层+6 cm 改性沥青 AC-20C+黏层+4 cm 改性沥青 AC-13C，共计：22.5 cm，标高增加 2.5 cm。超车道和硬路肩结构组合方案与行车道相同。

原基层裂缝处治方案：

a.超车道和硬路肩路面铣刨后，基层有裂缝的地方采用抗裂贴进行处治。

b.行车道路面铣刨后，基层顶面 K7+720～K7+795 满铺玻纤格栅，K7+795～K7+870 满铺双绞合钢丝网，K7+870～K7+920 不采取任何防止反射裂缝措施。

3 原材料

3.1 乳化沥青

采用高富A-70#沥青作为乳化沥青基质沥青，优选出江苏苏博特乳化剂进行厂拌冷再生混合料试验研究与生产应用，乳化沥青试验结果如表1所示。

表1 乳化沥青试验结果Table1 Theresultssofemulsifiedasphalt试验项目技术要求江苏苏博特破乳速度慢裂慢裂粒子电荷阳离子(+)阳离子(+)筛上残留量(1.18mm筛)/%≤0.10.02粘度恩格拉粘度计E252^306.5 残留分含量/%≥6257.8 蒸发残留物性质针入度(25℃)/0.1mm50^8062 延度(15℃)/cm≥40>100与粗集料的黏附性,裹覆面积≥2/3>2/3储存稳定性1d ≤10.3 5d/%≤52.2

3.2 新集料

根据路面设计文件中厂拌冷再生沥青混合料中粒式的级配要求及研究经验，试验中采用新集料9.5～19 mm的石灰岩，其筛分结果见表2。

表2 集料筛分结果Table2 Theresultsofaggregatescreening筛孔/mm通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.5199.54.752.360.30.0759.5-1910082.212.31.81.81.80.2

3.3 废旧路面回收料(RAP)

根据级配设计的使用要求，为提高RAP材料的性能与有效再生利用率，更好地进行厂拌冷再生沥青混合料RAP级配与矿料级配控制，并且保证厂拌冷再生沥青混合料性能的稳定，试验通过RAP材料不同规格分档对比研究，将路面铣刨的RAP材料分档破碎为15～22 mm(1#)、8～15 mm(2#)、0～8 mm(3#)这3档，RAP材料的筛分与抽提筛分结果如表3、表4所示。

表3 RAP材料筛分试验结果Table3 TheresultsofRAPmaterialscreening规格通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.5199.54.752.360.30.075RAP1#10071.12.70.40.30.10RAP2#10010070.616.47.20.50.1RAP3#10010098.192.554.40.90.1

表4 RAP材料抽提试验结果Table4 TheresultsofRAPmaterialextractiontest规格油石比/%通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075RAP1#2.4410096.473.54539.526.81813.59.97.56.35.1RAP2#3.1610010010098.982.138.124.720.316.512.810.38.4RAP3#5.3410010010010098.493.569.950.53120.816.913.4

4 厂拌冷再生沥青混合料级配设计

4.1 RAP级配与矿料级配合成

在试验中对厂拌冷再生沥青混合料采用厂拌冷再生沥青混合料RAP级配与矿料级配控制的理论，考虑了冷再生沥青混合料的真实矿料级配[10-13]，RAP材料掺量为85%，水泥外掺1.5%，冷再生沥青混合料RAP级配与矿料级配见表5、表6。由表5与表6可得，厂拌冷再生沥青混合料RAP级配接近设计级配范围下限，而其矿料级配除0.075 mm筛孔外基本满足施工技术规范AC-20级配范围的要求[14]。

表5 厂拌冷再生沥青混合料中粒式RAP合成级配Table5 Themiddle-grainedRAPsyntheticgradingforplantmixingcoldrecycledmixture规格或相关项通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%比例/%26.5199.54.752.360.30.0759.5^19mm1210082.212.31.81.81.80.2RAP1#2010071.12.70.40.30.10RAP2#2510010070.616.47.20.50.1RAP3#4010010098.192.554.40.90.1矿粉310010010010010010086.8合成级配/% 10092.161.944.426.83.72.6级配范围/% 10090^10060^8035^6520^503^212^8

表6 厂拌冷再生沥青混合料矿料合成级配Table6 Thesyntheticgradationofmiddlegranularmineralsforplantmixingcoldrecycledmixture规格或相关项比例/%通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0759.5^19mm12.410082.23118.112.31.81.81.81.81.81.80.2RAP1#20.210096.473.54539.526.81813.59.97.56.35.1RAP2#24.910010010098.982.138.124.720.316.512.810.38.4RAP3#39.410010010010098.493.569.950.53120.816.913.4矿粉 3.110010010010010010010010010010098.686.8合成级配/%10097.186.478.972.355.541.031.221.716.213.611.0AC-20级配范围/%10090^10078^9262^8050^7226^5616^4412^338^245^174^133^7

4.1 最佳含水量与最佳乳化沥青用量

采用马歇尔试验确定厂拌冷再生沥青混合料最佳含水量，通过冷再生沥青混合料干湿劈裂强度确定其最佳乳化沥青用量[15]。在进行马歇尔试验时采用预拌的拌合方法，按以下方法成型马歇尔试件：

a.将新集料(9.5～19 mm)与RAP(15～22 mm)按级配比例放入拌和锅内，先加入OWC的1/5～1/4使集料润湿，然后加入1/3乳化沥青预拌30 s使集料拌和均匀，然后把剩余的RAP材料、水进行人工搅拌预湿，再倒入拌锅中加入剩余乳化沥青拌合60 s，最后加入矿粉与水泥拌和60 s。

b.将拌和均匀的混合料均匀装入试模，双面各击实50次，成型击实试件。

c.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40 h。

d.将试模从烘箱中取出，立即放到马歇尔击实仪上，双面再各击实25次，然后在室温下冷却至少12 h后脱模。

以4.0%的含水量为中值，以±1%、±2%变化含水量进行马歇尔击实试验成型5组马歇尔试件，根据各组马歇尔试件取得毛体积密度最大值下的含水量即为最佳含水量，试验结果如图1所示，由图1可得厂拌冷再生沥青混合料的最佳含水量为4.6%。采用最佳含水量，预估乳化沥青用量4%为中值，按照中值±0.5%、中值±1%的乳化沥青用量间隔变化成型马歇尔试件。根据各组马歇尔试件的干湿劈裂强度确定最佳乳化沥青用量，干湿劈试验结果如图2、图3所示，由图2、图3可得厂拌冷再生沥青混合料的最佳乳化沥青用量为4.2%。

因此通过RAP级配的级配比例以及3档RAP材料中的油石比可得厂拌冷再生沥青混合料中旧沥青油石比为3.4%，冷再生沥青混合料总油石比为6.0%。

图1 含水量与毛体积相对密度关系

图2 乳化沥青用量与干劈裂强度的关系

图3 乳化沥青用量与湿劈裂强度的关系

5 厂拌冷再生沥青混合料性能试验

按最佳配合比分别成型马歇尔试件与车辙试件，进行厂拌冷再生沥青混合料力学性能与路用性能试验研究，通过厂拌冷再生沥青混合料空隙率、15 ℃劈裂强度、40 ℃浸水马歇尔残留稳定度与25 ℃冻融劈裂强度比以及动稳定度分别评价其体积指标、力学性能、水稳定性能与高温性能等，试验结果见表7。由表7可得厂拌冷再生沥青混合料的空隙率为9.4%，满足设计要求；其动稳定度、浸水马歇尔残留稳定度与冻融劈裂强度比均远超设计要求，具有较强的抗高温变形能力与水损害能力，高温稳定性能与水稳定性能优异。

通过厂拌冷再生沥青混合料性能试验结果得出该厂拌冷再生沥青混合料用于高速路面下面层的可行性。见表7。

表7 厂拌冷再生沥青混合料室内试验结果Table7 Thelaboratorytestresultsofplantmixedcoldrecy-cledasphaltmixture试验结果试验结果设计要求毛体积密度/(g·cm-3)2.215/体积指标最大理论密度/(g·cm-3)2.444/空隙率/%9.49^14干劈/MPa1.08≥0.5劈裂强度(15℃)湿劈/MPa0.98强度比/%90.7高温稳定性(60℃)动稳定度/(次·mm-1)10236≥5000未冻劈裂强度/MPa0.49/冻融劈裂试验(25℃)冻融劈裂强度/MPa0.38/残留强度比/%77.6≥70马歇尔稳定度/kN20.06/浸水马歇尔试验(40℃)浸水马歇尔稳定度/kN17.83/残留稳定度比/%88.9≥75

6 厂拌冷再生沥青混合料质量监控

根据室内试验所得的最佳含水量与最佳乳化沥青用量，采用双层多步拌合设备进行乳化沥青厂拌冷再生沥青混合料的生产，见图4所示。在生产过程中通过乳化沥青与外加水的流量参数进行乳化沥青用量与含水量的控制，见图5、图6。对冷再生沥青混合料成品取样进行室内试验，并在路面养护结束后进行现场检测，以验证厂拌冷再生沥青混合料的性能、乳化沥青用量、级配情况与路面施工质量，试验结果见表8、表9。

图4 双层多步拌合设备

图5 乳化沥青流量表

图6 冷再生混合料成品效果

表8 厂拌冷再生沥青混合料生产中取样性能验证Table8 Thesamplingperformanceverificationintheproductionofplantmixedcoldrecycledasphaltmixture体积指标劈裂强度(15℃)高温稳定性(60℃)冻融劈裂试验(25℃)压实度检测毛体积密度/(g·cm-3)最大理论密度/(g·cm-3)空隙率/%干劈/MPa湿劈/MPa强度比/%动稳定度(次·mm-1)未冻劈裂强度/MPa冻融劈裂强度/MPa残留强度比/%芯样毛体积密度/(g·cm-3)最大理论密度/(g·cm-3)压实度/%试验结果2.2482.4488.21.121.0492.9126000.630.5180.92.2182.44890.6设计要求//9^14 ≥0.5/≥5000//≥70//≥90

表9 厂拌冷再生沥青混合料取样抽提筛分Table9 Thesamplingresultsofcoldmixingplantextracts抽提结果/%设计油石比/%通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0755.936.010082.23118.112.31.81.81.81.81.81.80.2AC-20级配范围/%10090^10078^9262^8050^7226^5616^4412^338^245^174^133^7

由表8可得该拌合楼生产厂拌冷再生沥青混合料的空隙率相比室内拌合混合料空隙率明显降低，而15℃劈裂强度、动稳定度与冻融劈裂强度比提高幅度较大，表明厂拌冷再生沥青混合料生产过程中性能稳定，并在很大程度上有所提高，说明该拌合设备生产冷再生沥青混合料乳化沥青裹附更加均匀，容易碾压成型，由表9可得生产过程中乳化沥青用量在4.2%左右，混合料矿料级配接近设计要求，因此采用该拌合设备生产厂拌冷再生沥青混合料时乳化沥青用量可在室内试验结果基础上适当降低，将在很大程度上节省生产成本。由表8压实度检测结果可得厂拌冷再生路面具有很好施工质量。

从厂拌冷再生混合料室内性能试验、生产过程中的质量监控及其现场检测结果表明该厂拌冷再生混合料成功应用到该高速试验路下面层中，为厂拌冷再生技术在该高速路面的继续应用奠定了基础。

7 经济效益分析

将厂拌冷再生技术应用到高速路面下面层中实现了RAP材料的100%回收利用，不仅能获得较大社会效益，与热拌沥青混合料相比直接经济效益显著，两种混合料生产成本见表10。由表10可得厂拌冷再生沥青混合料材料成本相比热拌沥青混合料可节省82.5元/t，直接经济效益显著。

表10 机场高速厂拌冷再生沥青混合料直接经济效益Table10 Thedirecteconomicbenefitofcoldreclaimedasphaltmixtureinairporthighspeedplant元/t材料类型粗石灰岩细石灰岩RAP矿粉重交沥青乳化沥青水泥成本厂拌冷再生混合料93.5//163/2800500141.2热拌沥青混合料93.588.4/1633350//223.7

8 结论

通过厂拌冷再生沥青混合料室内试验研究与生产实践应用得到以下几点结论：

a.厂拌冷再生沥青混合料具有很好的力学性能与路用性能，进一步验证了双级配控制理论的可行性。

b.采用双层多步拌合设备各项生产参数稳定，冷再生沥青混合料中乳化沥青裹附均匀，其各项性能均有所提高，因此在生产过程中乳化沥青用量可比室内试验结果适当降低。

c.厂拌冷再生试验路段压实效果较好，具有很好的施工质量，厂拌冷再生沥青混合料成功地应用到了路面下面层。

d.采用厂拌冷再生技术应用于高速路面下面层相比热拌沥青混合料可节省材料成本82.5元/t，直接经济效益显著。