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國產泡沫瀝青冷再生設備在普通公路中的應用
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國產泡沫瀝青冷再生設備在普通公路中的應用
2022年05月16日    閱讀量:44206    新聞來源:《筑路機械與施工機械化》2020年第37卷  |  投稿

摘 要

結合泡沫瀝青冷再生技術與國產泡沫瀝青冷再生設備機群首次在西南地區普通二級公路中的應用,通過室內試驗,確定了最佳發泡條件的相關參數;結合試驗路段工程,總結了施工工藝、關鍵機械參數與使用特點。工程應用結果表明:國產泡沫瀝青關鍵設備與室內發泡機參數、性能匹配,發泡效果良好,所生產的泡沫瀝青混合料性能穩定,機群施工效果良好、經試驗檢測各項性能指標均滿足規范要求。


關鍵詞 

泡沫瀝青 | 機械工程 | 施工工藝 | 冷再生


引言

2005年4月,西寶高速公路武功縣境內修筑了一段1.5km長的泡沫瀝青冷再生試驗段,揭開了泡沫瀝青冷再生技術在中國國內高速公路大中修工程中成功應用的序幕[1]瀝青網sinoasphalt.com。自此以后,泡沫瀝青冷再生技術在國內受到的關注日益增加。該技術的優點主要表現在:第一、工程實用性強,施工過程受環境影響因素小,陰雨天亦可施工,養生時間短;第二、經濟效益高,泡沫瀝青冷再生舊料利用率高,能耗低[2-4]。瀝青發泡裝置是泡沫瀝青再生技術中極為關鍵的機械設備,其性能的好壞將直接影響泡沫瀝青混合料的性能[5-6]。


雖然泡沫瀝青冷再生技術在中國發展已有20年左右的時間,但室內試驗和現場施工所使用的設備大多來自于進口設備,如某公司生產的WLB10試驗發泡機。中國有企業通過學習和研究生產了國內首臺集生產泡沫瀝青冷再生混合料、水泥穩定土、級配碎石和二灰混合料于一身的冷再生設備-XCL300R。本文以重慶市永川區境內S209省道改造工程為依托,首次通過國產瀝青發泡設備進行發泡試驗,經室內試驗、試驗段施工及現場檢測,對國產泡沫瀝青冷再生設備首次在西南地區普通公路中的應用效果進行評價。


泡沫瀝青混合料室內試驗


室內發泡試驗


瀝青的發泡效果將直接影響泡沫瀝青混合料的性能,所以發泡是十分重要的環節。評價瀝青的發泡效果主要根據其膨脹率和半衰期,《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T5521-2019)中對泡沫瀝青的技術要求為,膨脹率≥10倍,半衰期≥8s。此次室內試驗采用國產XLB10P型瀝青發泡機,如圖1所示。瀝青采用70#石油瀝青。試驗溫度選定為140℃、150℃、160℃、170℃,每種溫度下對應的含水量為1.5%、2%、2.5%、3%(占泡沫瀝青質量百分比)。試驗結果如圖2所示。由圖2可知,膨脹率、用水量和溫度正相關,半衰期、用水量和溫度負相關,這與之前其他學者所做的試驗結果一致。通過對比幾組試驗,選定溫度為160℃,摻水量為3%作為瀝青發泡的最佳發泡條件,相應的膨脹率平均值為11.3倍,半衰期平均值為11s。經室內發泡試驗確定該機械的發泡效果良好,膨脹率及半衰期關系明顯且都滿足規范要求。

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室內試驗所確定的其他參數

(1)級配

合成級配時根據規范《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T5521-2019)選用中粒式級配。最終的合成級配如圖3所示。

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(2)最佳含水率


根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)中規定的擊實試驗確定泡沫瀝青混合料的最佳外摻水量為4.5%。


(3)最佳泡沫瀝青用量


試驗采用7種泡沫瀝青用量分別為:2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%進行試驗,水泥含量采用規范推薦的1.5%。將各集料按合成級配比例稱量、攪拌均勻后加入泡沫瀝青拌和均勻,按《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T5521-2019)制作、養護馬歇爾試件,試件養護完成后按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)進行劈裂強度試驗。經試驗確定最佳泡沫瀝青摻量為3%。


在泡沫瀝青混合料室內拌制階段,泡沫瀝青性能穩定,但由于瀝青發泡機缺少拌和裝置,室內試驗只有采用人工拌和,導致混合料均勻性及力學性能受到影響。


試驗段施工


項目概況


該試驗段位于重慶市永川區境內,常年雨量充沛,濕度大,夏天易出現連晴高溫,對路面的水穩性及高溫性有較高的要求。原路面結構層組合型式為:4cmAC-13C+6cmAC-20C+20cm5%水泥穩定碎石底基層。經現場考察發現該路段所發生的病害多為龜裂、車轍、坑槽及裂縫,且龜裂及車轍情況較為嚴重。


改建方案如下:將原路面10cm面層用銑刨機一次性去除,將RAP回收且加工處理后用于泡沫瀝青混合料的生產,泡沫瀝青冷再生層上加鋪2層瀝青混合料。具體路面結構更改為:4cmAC-13C+6cmAC-20C+8cm泡沫瀝青冷再生層+20cm5%水泥穩定碎石基層。


泡沫瀝青混合料的生產


使用XCL300R泡沫瀝青廠拌冷再生設備生產泡沫瀝青混合料,設備如圖4所示。通過現場檢測,泡沫瀝青的技術性能滿足規范要求,發泡指標與室內試驗所確定的結果一致。生產時通過鏟運機將預處理的RAP,粗骨料、石屑加入到指定料倉,通過精確控制系統自動放料,經傳送帶運輸至一級攪拌缸,同時加入水泥、水進行拌和,經連續式攪拌設備將集料運送至二級攪拌缸,同時噴入泡沫瀝青進行攪拌,攪拌完成后經傳送帶運輸至儲存倉,經自卸車運輸至現場進行攤鋪作業。

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在施工過程中出現連續多輛自卸車中的泡沫瀝青混合料離析。且攤鋪后在攤鋪前進方向右側出現規律性的單側離析,離析程度較嚴重,如圖5所示。經分析后認為:當集料在傳送帶上時物體與傳送帶處于相對靜止狀態。當集料脫離傳送帶時做斜上拋運動,運動過程與集料質量皆無關,當粗、細集料下落時合速度相等。根據動能定理

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初狀態相同,末狀態皆為靜止,即δA=1/2mv1^2。


動能的改變量與質量成正比。所以粗集料動能的改變量大于細集料動能的改變量,假設落地時受到摩擦阻力相同(實際細集料所受阻力>粗集料所受阻力),由δA=FL得:粗集料所滾動的距離大于細集料所滾動的距離。所以傳送帶的速度越快,造成的離析越嚴重。


離析的混合料在攤鋪時受螺旋分料器作用向道路兩側分散,其中大粒料受內、外摩擦力作用容易被送往螺旋兩外側,且攤鋪寬度越大,離析越嚴重[7],更加劇了單側離析。


針對單側離析采取以下兩點措施進行調整:一是降低傳送帶速度;二是在傳送帶端口適當位置設置擋板,當集料下落時通過防止混合料出現單側離析。但降低傳送帶運行速度的弊端是工程進度將會受影響。

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攤鋪


泡沫瀝青混合料經自卸車運至現場由RP903攤鋪機進行攤鋪作業。根據《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T5521-2019),攤鋪系數暫定為1.3。經試驗段壓實后計算實際攤鋪系數。首次攤鋪過程中便遇到十分棘手的問題-攤鋪裂紋,如圖6(a)所示。經壓路機碾壓后裂紋仍然存在,類似于病害中的龜裂,如圖6(b)所示。出現裂縫將會大大降低泡沫瀝青層的承載能力。


從外觀上觀察細集料與泡沫瀝青形成的“點焊狀”膠結料與粗集料包裹良好。將現場取樣的泡沫瀝青混合料進行級配、含水量、水泥含量、瀝青含量等檢測。經檢測后,各項參數符合設計要求。


室內試驗確認無誤,進行現場施工工藝及機械參數檢驗。通過查閱《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T5521-2019)》:熨平板振幅以高頻低幅為宜。不同攤鋪機的頻率及振幅存在差異,RP903型攤鋪機也是首次應用于泡沫瀝青混合料攤鋪,沒有具體的參考數據。根據攤鋪機頻率范圍確定高頻區間,以頻率分別為:30、35、40Hz和振搗行程為0.2cm進行現場攤鋪試驗。最終經現場試驗確定熨平板振頻為40Hz,振搗行程為0.2cm,振搗速度為800r·min,在以上參數下所攤鋪的路面外觀平整,初始壓實度滿足規范要求,如圖6(c)所示。


壓實


壓實過程由XD123E雙鋼輪振動壓路機以前進靜壓、后退低幅高頻振動的方式碾壓3遍,最后使用XP263K膠輪壓路機碾壓6遍,邊角處用小型機械進行碾壓。碾壓完成后確定攤鋪系數為1.35。經壓實度檢測,該碾壓工藝下的泡沫瀝青混合料的壓實度滿足規范所要求(規范要求壓實度≥99%(基于試驗室標準密度))。


現場泡沫瀝青混合料性能檢測


截取輸送皮帶上未加入泡沫瀝青的混合料進行篩分,篩分結果表明現場混合料級配與設計級配偏差在允許的誤差范圍內。另外,取已拌制好的泡沫瀝青混合料成型馬歇爾試件,經養生后進行干濕劈裂試驗、凍融劈裂試驗及車轍試驗。試驗結果見表1、2。

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試驗路觀測


泡沫瀝青混合料經鋪筑完成后,建議養護3d再開放交通,立即開放交通后會造成路面一定程度的損壞。對已經鋪筑5d的泡沫瀝青混合料進行取芯,如圖7所示。所取芯樣外形較為完整,芯樣骨架密實型結構特征明顯,無裂紋與離析現象。隨后對所取芯樣進行15℃劈裂試驗,試驗結果為0.81MPa,滿足規范要求。圖8為開放交通數日的泡沫瀝青冷再生路面,路面情況良好,無變形、裂縫及剝落等情況,冷再生效果良好。

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結語


(1)室內XLB10P發泡設備缺少泡沫瀝青混合料拌和裝置,因此泡沫瀝青混合料拌和難度較大。在設計拌和裝置的基礎上,如何做到不影響泡沫瀝青膨脹率和半衰期還需要進一步研究。

(2)現場泡沫瀝青技術性質檢測表明:XCL300R與室內XLB10P設備的性能參數相匹配,某70#瀝青在160℃、3%發泡用水量條件下發泡效果良好,泡沫瀝青混合料性能穩定。為避免出廠離析,傳送帶運行速度“宜慢不宜快”。同時泡沫瀝青罐體積較小,會影響工程進度。

(3)通過現場調整攤鋪參數,確定RP903攤鋪機應用于泡沫瀝青混合料攤鋪時,熨平板頻率宜設置為40Hz,振幅為0.2cm,振搗速度為800r·min^-1時攤鋪的泡沫瀝青混合料外形完整、無裂紋。

(4)通過現場試驗及現場檢測表明,國產XCL300R泡沫瀝青冷再生設備及其機群在西南地區普通公路中的應用效果良好。

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標簽:綜合論文,施工案例,技術中心,再生瀝青,瀝青混凝土
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