關(guān)鍵詞:微表處 | 再生料微表處混合料 | RAP摻量 | 施工性能 | 路用性能
近年來,我國(guó)瀝青路面已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模養(yǎng)護(hù)維修期,每年產(chǎn)生的廢舊瀝青路面材料(RAP)高達(dá)數(shù)千萬噸,這個(gè)數(shù)字還在以每年約15%的速率增長(zhǎng)。廢舊瀝青路面材料多元化高xiao利用是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[1-3],目前RAP的利用途徑主要有熱再生、溫再生和冷再生技術(shù)。熱再生和溫再生瀝青混合料可用于瀝青路面表面層,但對(duì)舊料利用率低(一般不超過30%),冷再生難度高。冷再生技術(shù)將RAP作為黑色集料使用,RAP摻量大,但其應(yīng)用層位低,一般用作路面基層或下面層,鑒于既有廢舊瀝青路面材料回收利用技術(shù)的弊端,同時(shí)我國(guó)越來越多的道路需要進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù),有學(xué)者提出將廢舊瀝青路面材料應(yīng)用于微表處混合料[3-5],回收瀝青路面材料中有一些高品質(zhì)集料,如瀝青表面層中堅(jiān)硬、耐磨、抗滑的玄武巖集料,可適用于表面磨耗層,將含有較細(xì)玄武巖的廢舊瀝青路面材料用于微表處瀝青混合料,可以充分發(fā)揮舊料作用,降低材料成本。
采用微表處混合料是改善路面表面功能及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的主要措施之一,目前已經(jīng)在我國(guó)各等級(jí)公路中得到了廣泛應(yīng)用,近年來,國(guó)內(nèi)外已開展了大量有關(guān)摻加纖維、橡膠粉、水性環(huán)氧樹脂等改性劑來改善微表處混合料的施工和易性、降低噪聲,同時(shí)提高路用性能和耐久性等方面研究[4-9],而有關(guān)再生料微表處混合料配合比設(shè)計(jì)、施工和易性的相關(guān)研究不多,并且既有研究只采用常規(guī)試驗(yàn)定性評(píng)價(jià)再生料微表處混合料的技術(shù)效果,缺乏定量的路用性能及耐久性能評(píng)價(jià)。為此,本文通過原材料檢驗(yàn)及礦料級(jí)配設(shè)計(jì),拌和試驗(yàn)、粘聚力試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)、負(fù)荷輪試驗(yàn)研究了RAP摻量、乳化瀝青用量等材料設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)再生料微表處混合料施工性能的影響,采用低溫SCB試驗(yàn)、凍融循環(huán)和浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、剪切疲勞試驗(yàn)、MMLS1/3加速加載試驗(yàn)研究了RAP摻量對(duì)再生料微表處混合料路用性能和長(zhǎng)期使用性能的影響,研究成果為多元化高xiao利用廢舊瀝青路面材料及再生料微表處混合料推廣應(yīng)用提供參考。
原材料
(1)基質(zhì)瀝青:中石化生產(chǎn)的重交通A級(jí)70號(hào)瀝青,其性能符合JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。
(2)SBR改性乳化瀝青:以SBR膠乳、基質(zhì)瀝青、鹽酸調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑、水等為原料,在實(shí)驗(yàn)室采用膠體磨生產(chǎn)加工而成。SBR膠乳和穩(wěn)定劑為美德維實(shí)維克公司生產(chǎn)的MQI-1D和PC-1468,SBR改性乳化瀝青中的有效SBR含量為5%。經(jīng)測(cè)試SBR改性乳化瀝青的技術(shù)性能符合JTG/TF40-02-2005《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)要求(見表1)。
(3)集料及礦料:新集料采用陜西商洛紅山子石料廠生產(chǎn)的0~3mm、3~5mm、5~10mm玄武巖;回收路面材料RAP:來源于陜西某高速公路大中修面層玄武巖舊料,集料的物理力學(xué)性能見表2。試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)常用的MS-3型(粗級(jí)配)微表處礦料級(jí)配,合成級(jí)配見表3。
(4)水泥與拌合用水:水泥為P·O42.5水泥,其技術(shù)性能符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》要求;水:自來水。
摻加再生料的微表處混合料配合比設(shè)計(jì)
濕輪磨耗試驗(yàn)與粘附砂量試驗(yàn)
《指南》規(guī)定采用“圖解法”確定微表處混合料的zui佳乳化瀝青用量,濕輪磨耗試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)成型后的稀漿混合料配伍性和抗水損害性能,要求以濕輪磨耗試驗(yàn)確定乳化瀝青的zui小摻量,以負(fù)荷輪粘附砂試驗(yàn)確定乳化瀝青的上限。試驗(yàn)時(shí)固定水泥用量為1.5%(占集料質(zhì)量百分比),固定液體組分(乳化瀝青+拌合用水量)用量為16%,不同乳化瀝青用量下的濕輪磨耗試驗(yàn)與粘附砂量試驗(yàn)結(jié)果見圖1。
由圖1可見:(1)相同乳化瀝青用量下,再生料微表處混合料的濕輪磨耗值、粘附砂量均隨RAP摻量的增加而zeng大,這是由再生料表面特性決定的。(2)在0~100%RAP摻量下(RAP等質(zhì)量替代新集料),微表處混合料的濕輪磨耗值隨著乳化瀝青用量的增加而減小,粘附砂量隨著乳化瀝青用量的增加而zeng大,濕輪磨耗試驗(yàn)與粘附砂量試驗(yàn)一起用于確定微表處混合料的zui佳瀝青用量。加入RAP后,隨著RAP摻量增加,再生料微表處混合料的粘附砂量上升幅度、濕輪磨耗值下降幅度均明顯大于未摻RAP的微表處混合料,《指南》規(guī)定,浸水1h的濕輪磨耗損失應(yīng)小于540g/㎡,粘附砂量應(yīng)小于450g/㎡,據(jù)此確定摻加0~20%RAP再生料微表處混合料的zui佳瀝青用量為8%,摻加20%~100%RAP再生料微表處混合料的zui佳瀝青用量為9%。由此可見,再生料等質(zhì)量替代新集料對(duì)于微表處混合料的油石比有一定的影響,要確保再生料微表處混合料有足夠抗水損害能力,在zeng大RAP摻量的同時(shí),應(yīng)該適當(dāng)增加乳化瀝青用量。
拌合試驗(yàn)
試驗(yàn)時(shí)固定SBR改性乳化瀝青用量為9%、水泥摻量為1.5%、拌合用水量為7%(下同)。試驗(yàn)按照《指南》附錄A1進(jìn)行,結(jié)果見表4。
由表4可見,相比不摻加再生料的微表處混合料,再生料摻量為100%時(shí),微表處混合料可拌合時(shí)間延長(zhǎng)了56s,延長(zhǎng)幅度為44.8%;RAP摻量由20%zeng大到100%,微表處混合料的可拌合時(shí)間延長(zhǎng)了45s,延長(zhǎng)幅度達(dá)33.1%。加入再生料能延長(zhǎng)微表處混合料的可拌合時(shí)間,提高了微表處混合料的施工和易性,在再生料摻量不超過40%時(shí),再生料微表處混合料具有合適的拌合時(shí)間和初凝時(shí)間以及較好的稠度,但再生料摻量超過40%后,再生料微表處混合料的拌合時(shí)間大于150s,這對(duì)微表處混合料快速開放交通和后期使用性能有不利影響。分析再生料摻量對(duì)微表處混合料可拌合時(shí)間的影響,再生料粗集料表面被老化瀝青砂漿包裹,再生料中填料多為瀝青顆粒和瀝青膠漿,瀝青微珠裹覆在再生料表面形成一層瀝青薄膜,這使得再生料表現(xiàn)出憎水性、表面呈酸性。相較于新集料,再生料與乳化瀝青中的水及瀝青乳化劑吸附作用相對(duì)較弱,使得乳化瀝青破乳速度下降,進(jìn)而導(dǎo)致微表處混合料稠度低、成漿狀態(tài)差,可拌合時(shí)間延長(zhǎng)。
粘聚力試驗(yàn)
微表處作為瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)常用的一種快凝型表層處治材料,能夠快速開放交通是其zui顯著的特征之一。粘聚力試驗(yàn)按照《指南》附錄A3進(jìn)行結(jié)果見圖2。
由圖2可見,隨著RAP摻量的增加,再生料微表處混合料的30min、60min粘聚力逐漸減小,相比未摻加RAP的微表處混合料,摻加20%RAP后,微表處混合料30、60min粘聚力分別降低了5.6%、5.2%;摻加100%RAP時(shí),微表處混合料的30、60min粘聚力分別降低了51.8%、37.1%;RAP摻量由20%zeng大至100%,再生料微表處混合料30、60min粘聚力降低了48.9%、33.6%。由此可見,低摻量RAP對(duì)微表處混合料的粘聚力影響不大,而較高RAP摻量將導(dǎo)致微表處混合料的粘聚力顯著降低,再生料微表處混合料的粘聚力隨養(yǎng)生時(shí)間延長(zhǎng)存在提高過程,因此,使用摻再生料微表處混合料時(shí),開放交通的時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng),這與拌合試驗(yàn)結(jié)果一致。
綜上可知,RAP摻量在0~100%范圍內(nèi),粘聚力隨RAP摻量的增加呈良好負(fù)線性相關(guān)性,擬合優(yōu)化度R^2不小于0.95。粘聚力試驗(yàn)主要用于確定微表處混合料的初凝和開放交通時(shí)間,以《指南》要求的30、60min粘聚力不小于1.2、2.0N·m為約束值,通過RAP摻量與粘聚力線性擬合方程,計(jì)算得到再生料摻量超過50%后,其30、60min粘聚力均不能符合《指南》要求。
輪轍變形試驗(yàn)
輪轍變形試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證微表處混合料的高溫穩(wěn)定性,以確保微表處混合料用于填充車轍時(shí)能夠有優(yōu)良的抗永久變形能力。試驗(yàn)參照《指南》附錄A6進(jìn)行,結(jié)果見表5。
由表5可見,再生料等質(zhì)量替代新集料后,微表處混合料的抗車轍變形能力降低。隨再生料摻量的增加,微表處混合料的車轍寬度變形率和深度變形率都顯著zeng大。當(dāng)RAP的摻量為50%、60%時(shí),微表處混合料輪轍變形試驗(yàn)的寬度變形率分別為4.8%、5.7%;RAP摻量大于60%后,寬度變形率已不能符合《指南》要求,從抗車轍性能考慮,可以認(rèn)為再生料的摻加量有一個(gè)限值,需要填補(bǔ)車轍時(shí),RAP摻量應(yīng)小于50%。
摻加再生料的微表處混合料路用性能
水穩(wěn)定性
采用浸水、凍融循環(huán)前后的劈裂強(qiáng)度(ITS)、浸水劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂穩(wěn)定度評(píng)價(jià)再生料微表處混合料的水穩(wěn)定性。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型直徑100mm、高100mm圓柱體試樣,60℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生3d后冷卻12h備用。取圓柱體試樣中間63.5mm部分用于劈裂強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)按照J(rèn)TGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,結(jié)果見表6。
由表6可知,浸水、凍融循環(huán)對(duì)微表處混合料的劈裂強(qiáng)度有一定的劣化,相比而言,凍融循環(huán)試驗(yàn)條件更加嚴(yán)苛。浸水、凍融前后微表處混合料的劈裂強(qiáng)度均隨RAP摻量的增加而線性降低,負(fù)線性擬合優(yōu)化度R^2大于0.95,浸水劈裂強(qiáng)度殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂穩(wěn)定度均隨RAP摻量zeng大而降低。由此可見,RAP摻量越大,再生料微表處混合料的水穩(wěn)定性越差,在RAP摻量大于50%后,浸水劈裂強(qiáng)度殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂穩(wěn)定度均小于80%,這對(duì)于凍融條件嚴(yán)苛地區(qū)和高溫多雨地區(qū),其水穩(wěn)定性已經(jīng)不滿足使用要求。
低溫抗裂性
采用-10℃低溫SCB試驗(yàn)評(píng)價(jià)微表處混合料的低溫抗裂性能,采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型直徑250px、高250px圓柱體試樣,60℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生3d后冷卻12h備用。采用芬蘭產(chǎn)雙面鋸取圓柱體試件中間150px部分,并切割成50px厚的圓形試件,再將圓形試件其從直徑方向?qū)ΨQ切開,1個(gè)圓柱體試樣可切割6個(gè)平行試件。試驗(yàn)加載速率為1mm/min,支點(diǎn)間距為SCB試件直徑的0.8倍,試驗(yàn)結(jié)果見表7。
由表7可見,隨RAP摻量增加,再生料微表處混合料的彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變、破壞應(yīng)變能逐漸減小,彎曲勁度模量逐漸zeng大。在RAP摻量為20%~40%范圍內(nèi),再生料微表處混合料的彎拉強(qiáng)度大于4.0MPa、彎曲應(yīng)變大于2100με、破壞應(yīng)變能大于2000J/㎡;但進(jìn)一步增加RAP摻量時(shí),微表處混合料的彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變、破壞應(yīng)變能顯著降低,再生料摻量zeng大至100%時(shí),微表處混合料的低溫抗裂性能約下降了50%。因此,從低溫抗裂性能考慮,RAP的摻量不宜超過50%。
抗疲勞耐久性
考慮到微表處混合料的層位功能和實(shí)際的受力環(huán)境,采用直接剪切疲勞試驗(yàn)(控制應(yīng)力)研究再生料微表處混合料的抗疲勞性能。試件厚度75px,采用環(huán)氧樹脂將試件粘貼在馬歇爾試件上(見圖3),25℃鼓風(fēng)烘箱放置2d后備用,每組6個(gè)平行試件,疲勞試驗(yàn)采用電液同服疲勞試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)溫度為25℃,采用5Hz連續(xù)式半正矢波形,控制應(yīng)力水平為0.1、0.2、0.3、0.4,采用疲勞壽命與應(yīng)變水平的雙對(duì)數(shù)擬合參數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果見表8。
由表8可知,在0.1~0.4應(yīng)力水平下,摻加20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、100%RAP的微表處混合料其疲勞壽命相比未摻加再生料的混合料降低了9.2%~24.2%、12.2%~43.9%、24.2%~53.3%、28.4%~61.2%、41.5%~69.7%、49.9%~75.9%、55.0%~79.4%、58.4%~85.1%;RAP摻量超過40%后,各應(yīng)力水平下混合料的疲勞壽命比未摻RAP時(shí)降低了40%以上,RAP摻量越大,混合料在高應(yīng)變水平下的疲勞壽命衰減幅度越大。再生料微表處混合料的K值隨著RAP摻量增加而減??;n為負(fù)值,n的絕對(duì)值隨著RAP摻量增加而zeng大。RAP摻量由0增加至100%時(shí),擬合參數(shù)K由8.018減小至5.329,減小了33.5%;參數(shù)n絕對(duì)值由1.579zeng大至2.371,zeng大了50.2%。RAP摻量越大,再生料微表處混合料疲勞壽命越短,且疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平越敏感。因此,對(duì)于重載交通道路中,為防止再生料微表處在高應(yīng)力條件下產(chǎn)生剪切疲勞破壞,應(yīng)嚴(yán)格控制RAP摻量不超過50%。
結(jié)論
(1)RAP摻量對(duì)微表處混合料的施工性能影響較大。再生料微表處混合料的濕輪磨耗值、粘附砂量、拌合時(shí)間隨RAP摻量的增加而zeng大。摻入RAP能提高了微表處混合料的施工和易性,當(dāng)使用再生料微表處混合料時(shí),開放交通時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。
(2)再生料微表處混合料的耐磨耗性能、抗車轍性能、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能隨RAP摻量的增加而降低,摻加RAP降低了微表處混合料的疲勞壽命,同時(shí)zeng大了疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感性,RAP摻量超過40%后,微表處混合料的高溫穩(wěn)定和抗疲勞耐久性能顯著降低。
(3)將再生料用于微表處混合料是可行的,綜合考慮,建議微表處混合料中RAP的摻量應(yīng)小于50%。
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全文完? 發(fā)布于《新型建筑材料》2019年9月
作者簡(jiǎn)介:樊尚志,男,1990年生,河北懷安人,助教,主要從事建筑工程技術(shù)及建筑材料研究工作
文章轉(zhuǎn)載于“瀝青路面”公眾號(hào)
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通常的車轍測(cè)試設(shè)備,僅對(duì)路面材料進(jìn)行非常慢速的加載測(cè)量,不能模擬真實(shí)交通情況,不能模擬真實(shí)車輪碾壓,也不能進(jìn)行反復(fù)加載。相比之下,PaveMLS11這一套路面加速加載測(cè)試設(shè)備,可在路面上進(jìn)行實(shí)際加載。通過PAVETEST?操作軟件,PaveMLS11的荷載可進(jìn)行成比例計(jì)算加載,以確保輪壓和真實(shí)路面狀態(tài)上的全部尺寸車輛車輪加載保持同一水平。因此,PaveMLS11的試驗(yàn)結(jié)果可用于模擬常規(guī)的真實(shí)荷載狀態(tài),設(shè)備可直接用于研究路面上層125mm厚的瀝青層路面性能(無論是實(shí)驗(yàn)室路面還是現(xiàn)場(chǎng)路面)。因此,此小型加速加載設(shè)備對(duì)于研究現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)路面狀態(tài)上的全部尺寸車輛車輪加載下路面性能研究,具有非常寶貴的價(jià)值。
縮小比例的加速加載設(shè)備PaveMLS11,也可以用于研究瀝青材料面層的疲勞特性。如果具備某些條件,如:荷載頻率、溫度、橫向擺動(dòng)在內(nèi)的荷載應(yīng)用及老化PaveMLS11對(duì)路面材料/瀝青混合料的突出研究效果,可用于預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)路面車轍等性能。如果相對(duì)于常規(guī)的加速加載試驗(yàn)狀態(tài),需要和普通車轍測(cè)試設(shè)備一樣評(píng)估慢速加載時(shí)路面性能的狀況,PaveMLS11也可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn),只需調(diào)整它的加載速度即可,然而加載方向卻始終模擬真實(shí)行車狀態(tài)而進(jìn)行單向的加載模式。
PaveMLS11小型加速加載設(shè)備,采用標(biāo)準(zhǔn)卡車輪胎的1/3比例尺寸輪胎進(jìn)行加載,安裝有4個(gè)加載輪,測(cè)試長(zhǎng)度接近1.1m,可施加7200次/每小時(shí)加載。作用于300mm直徑試樣上的荷載可至2.7kN(短時(shí)間可達(dá)2.9kN),輪壓700kPa(短時(shí)間可達(dá)800kPa)。
產(chǎn)品特點(diǎn)
▍設(shè)備配置有橫向移動(dòng)系統(tǒng),可以模擬實(shí)際路面輪跡帶上輪跡的正態(tài)分布,橫移寬度左右可達(dá)各75mm
▍加載輪寬度80mm,在橫向移動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)后加載寬度可達(dá)230mm
▍特殊巧妙的荷載單元設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),使得路面不平的情況下加載輪對(duì)地荷載依然是穩(wěn)定的
▍設(shè)備有本地手動(dòng)和遠(yuǎn)程自動(dòng)兩種控制方式 ,在遠(yuǎn)程模式下軟件可以記錄設(shè)備高度,環(huán)境溫度,路面溫度和道路內(nèi)部溫度及加載速度、次數(shù)等信息
▍設(shè)備配置有胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在發(fā)生爆胎或者胎壓不足的情況設(shè)備自動(dòng)警報(bào)并停機(jī)
▍設(shè)備有多種試驗(yàn)方式,可以在實(shí)際道路上進(jìn)行試驗(yàn),也可以使用配置的大尺寸震動(dòng)輪碾成型機(jī),在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成型試驗(yàn)道路進(jìn)行試驗(yàn),或者在實(shí)際道路上取芯,將芯樣放置在實(shí)驗(yàn)室底座內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),或者直接將實(shí)際道路取樣到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)
▍設(shè)備可以使用配置的溫控系統(tǒng)進(jìn)行多種溫度模式試驗(yàn),可以進(jìn)行路面干式加熱試驗(yàn),濕式水循環(huán)加熱試驗(yàn),路面制冷低溫試驗(yàn)
▍小型加速加載設(shè)備配置斷面儀,可以在加載后測(cè)量路面車轍,同時(shí)可以利用車轍與加載次數(shù)的關(guān)系預(yù)測(cè)實(shí)際道路車轍發(fā)展規(guī)律
▍設(shè)備通體由不銹鋼構(gòu)成,以防止潮濕環(huán)境下的腐蝕
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