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国产泡沫沥青冷再生设备在普通公路中的应用
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国产泡沫沥青冷再生设备在普通公路中的应用
2022年05月16日    阅读量:56915    新闻来源:《筑路机械与施工机械化》2020年第37卷  |  投稿

摘 要

结合泡沫沥青冷再生技术与国产泡沫沥青冷再生设备机群首次在西南地区普通二级公路中的应用,通过室内试验,确定了最佳发泡条件的相关参数;结合试验路段工程,总结了施工工艺、关键机械参数与使用特点。工程应用结果表明:国产泡沫沥青关键设备与室内发泡机参数、性能匹配,发泡效果良好,所生产的泡沫沥青混合料性能稳定,机群施工效果良好、经试验检测各项性能指标均满足规范要求。


关键词 

泡沫沥青 | 机械工程 | 施工工艺 | 冷再生


引言

2005年4月,西宝高速公路武功县境内修筑了一段1.5km长的泡沫沥青冷再生试验段,揭开了泡沫沥青冷再生技术在中国国内高速公路大中修工程中成功应用的序幕[1]沥青网sinoasphalt.com。自此以后,泡沫沥青冷再生技术在国内受到的关注日益增加。该技术的优点主要表现在:第一、工程实用性强,施工过程受环境影响因素小,阴雨天亦可施工,养生时间短;第二、经济效益高,泡沫沥青冷再生旧料利用率高,能耗低[2-4]。沥青发泡装置是泡沫沥青再生技术中极为关键的机械设备,其性能的好坏将直接影响泡沫沥青混合料的性能[5-6]。


虽然泡沫沥青冷再生技术在中国发展已有20年左右的时间,但室内试验和现场施工所使用的设备大多来自于进口设备,如某公司生产的WLB10试验发泡机。中国有企业通过学习和研究生产了国内首台集生产泡沫沥青冷再生混合料、水泥稳定土、级配碎石和二灰混合料于一身的冷再生设备-XCL300R。本文以重庆市永川区境内S209省道改造工程为依托,首次通过国产沥青发泡设备进行发泡试验,经室内试验、试验段施工及现场检测,对国产泡沫沥青冷再生设备首次在西南地区普通公路中的应用效果进行评价。


泡沫沥青混合料室内试验


室内发泡试验


沥青的发泡效果将直接影响泡沫沥青混合料的性能,所以发泡是十分重要的环节。评价沥青的发泡效果主要根据其膨胀率和半衰期,《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521-2019)中对泡沫沥青的技术要求为,膨胀率≥10倍,半衰期≥8s。此次室内试验采用国产XLB10P型沥青发泡机,如图1所示。沥青采用70#石油沥青。试验温度选定为140℃、150℃、160℃、170℃,每种温度下对应的含水量为1.5%、2%、2.5%、3%(占泡沫沥青质量百分比)。试验结果如图2所示。由图2可知,膨胀率、用水量和温度正相关,半衰期、用水量和温度负相关,这与之前其他学者所做的试验结果一致。通过对比几组试验,选定温度为160℃,掺水量为3%作为沥青发泡的最佳发泡条件,相应的膨胀率平均值为11.3倍,半衰期平均值为11s。经室内发泡试验确定该机械的发泡效果良好,膨胀率及半衰期关系明显且都满足规范要求。

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室内试验所确定的其他参数

(1)级配

合成级配时根据规范《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521-2019)选用中粒式级配。最终的合成级配如图3所示。

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(2)最佳含水率


根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中规定的击实试验确定泡沫沥青混合料的最佳外掺水量为4.5%。


(3)最佳泡沫沥青用量


试验采用7种泡沫沥青用量分别为:2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%进行试验,水泥含量采用规范推荐的1.5%。将各集料按合成级配比例称量、搅拌均匀后加入泡沫沥青拌和均匀,按《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521-2019)制作、养护马歇尔试件,试件养护完成后按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行劈裂强度试验。经试验确定最佳泡沫沥青掺量为3%。


在泡沫沥青混合料室内拌制阶段,泡沫沥青性能稳定,但由于沥青发泡机缺少拌和装置,室内试验只有采用人工拌和,导致混合料均匀性及力学性能受到影响。


试验段施工


项目概况


该试验段位于重庆市永川区境内,常年雨量充沛,湿度大,夏天易出现连晴高温,对路面的水稳性及高温性有较高的要求。原路面结构层组合型式为:4cmAC-13C+6cmAC-20C+20cm5%水泥稳定碎石底基层。经现场考察发现该路段所发生的病害多为龟裂、车辙、坑槽及裂缝,且龟裂及车辙情况较为严重。


改建方案如下:将原路面10cm面层用铣刨机一次性去除,将RAP回收且加工处理后用于泡沫沥青混合料的生产,泡沫沥青冷再生层上加铺2层沥青混合料。具体路面结构更改为:4cmAC-13C+6cmAC-20C+8cm泡沫沥青冷再生层+20cm5%水泥稳定碎石基层。


泡沫沥青混合料的生产


使用XCL300R泡沫沥青厂拌冷再生设备生产泡沫沥青混合料,设备如图4所示。通过现场检测,泡沫沥青的技术性能满足规范要求,发泡指标与室内试验所确定的结果一致。生产时通过铲运机将预处理的RAP,粗骨料、石屑加入到指定料仓,通过精确控制系统自动放料,经传送带运输至一级搅拌缸,同时加入水泥、水进行拌和,经连续式搅拌设备将集料运送至二级搅拌缸,同时喷入泡沫沥青进行搅拌,搅拌完成后经传送带运输至储存仓,经自卸车运输至现场进行摊铺作业。

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在施工过程中出现连续多辆自卸车中的泡沫沥青混合料离析。且摊铺后在摊铺前进方向右侧出现规律性的单侧离析,离析程度较严重,如图5所示。经分析后认为:当集料在传送带上时物体与传送带处于相对静止状态。当集料脱离传送带时做斜上抛运动,运动过程与集料质量皆无关,当粗、细集料下落时合速度相等。根据动能定理

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初状态相同,末状态皆为静止,即δA=1/2mv1^2。


动能的改变量与质量成正比。所以粗集料动能的改变量大于细集料动能的改变量,假设落地时受到摩擦阻力相同(实际细集料所受阻力>粗集料所受阻力),由δA=FL得:粗集料所滚动的距离大于细集料所滚动的距离。所以传送带的速度越快,造成的离析越严重。


离析的混合料在摊铺时受螺旋分料器作用向道路两侧分散,其中大粒料受内、外摩擦力作用容易被送往螺旋两外侧,且摊铺宽度越大,离析越严重[7],更加剧了单侧离析。


针对单侧离析采取以下两点措施进行调整:一是降低传送带速度;二是在传送带端口适当位置设置挡板,当集料下落时通过防止混合料出现单侧离析。但降低传送带运行速度的弊端是工程进度将会受影响。

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摊铺


泡沫沥青混合料经自卸车运至现场由RP903摊铺机进行摊铺作业。根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521-2019),摊铺系数暂定为1.3。经试验段压实后计算实际摊铺系数。首次摊铺过程中便遇到十分棘手的问题-摊铺裂纹,如图6(a)所示。经压路机碾压后裂纹仍然存在,类似于病害中的龟裂,如图6(b)所示。出现裂缝将会大大降低泡沫沥青层的承载能力。


从外观上观察细集料与泡沫沥青形成的“点焊状”胶结料与粗集料包裹良好。将现场取样的泡沫沥青混合料进行级配、含水量、水泥含量、沥青含量等检测。经检测后,各项参数符合设计要求。


室内试验确认无误,进行现场施工工艺及机械参数检验。通过查阅《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T5521-2019)》:熨平板振幅以高频低幅为宜。不同摊铺机的频率及振幅存在差异,RP903型摊铺机也是首次应用于泡沫沥青混合料摊铺,没有具体的参考数据。根据摊铺机频率范围确定高频区间,以频率分别为:30、35、40Hz和振捣行程为0.2cm进行现场摊铺试验。最终经现场试验确定熨平板振频为40Hz,振捣行程为0.2cm,振捣速度为800r·min,在以上参数下所摊铺的路面外观平整,初始压实度满足规范要求,如图6(c)所示。


压实


压实过程由XD123E双钢轮振动压路机以前进静压、后退低幅高频振动的方式碾压3遍,最后使用XP263K胶轮压路机碾压6遍,边角处用小型机械进行碾压。碾压完成后确定摊铺系数为1.35。经压实度检测,该碾压工艺下的泡沫沥青混合料的压实度满足规范所要求(规范要求压实度≥99%(基于试验室标准密度))。


现场泡沫沥青混合料性能检测


截取输送皮带上未加入泡沫沥青的混合料进行筛分,筛分结果表明现场混合料级配与设计级配偏差在允许的误差范围内。另外,取已拌制好的泡沫沥青混合料成型马歇尔试件,经养生后进行干湿劈裂试验、冻融劈裂试验及车辙试验。试验结果见表1、2。

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试验路观测


泡沫沥青混合料经铺筑完成后,建议养护3d再开放交通,立即开放交通后会造成路面一定程度的损坏。对已经铺筑5d的泡沫沥青混合料进行取芯,如图7所示。所取芯样外形较为完整,芯样骨架密实型结构特征明显,无裂纹与离析现象。随后对所取芯样进行15℃劈裂试验,试验结果为0.81MPa,满足规范要求。图8为开放交通数日的泡沫沥青冷再生路面,路面情况良好,无变形、裂缝及剥落等情况,冷再生效果良好。

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结语


(1)室内XLB10P发泡设备缺少泡沫沥青混合料拌和装置,因此泡沫沥青混合料拌和难度较大。在设计拌和装置的基础上,如何做到不影响泡沫沥青膨胀率和半衰期还需要进一步研究。

(2)现场泡沫沥青技术性质检测表明:XCL300R与室内XLB10P设备的性能参数相匹配,某70#沥青在160℃、3%发泡用水量条件下发泡效果良好,泡沫沥青混合料性能稳定。为避免出厂离析,传送带运行速度“宜慢不宜快”。同时泡沫沥青罐体积较小,会影响工程进度。

(3)通过现场调整摊铺参数,确定RP903摊铺机应用于泡沫沥青混合料摊铺时,熨平板频率宜设置为40Hz,振幅为0.2cm,振捣速度为800r·min^-1时摊铺的泡沫沥青混合料外形完整、无裂纹。

(4)通过现场试验及现场检测表明,国产XCL300R泡沫沥青冷再生设备及其机群在西南地区普通公路中的应用效果良好。

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标签:综合论文施工案例技术中心再生沥青沥青混凝土
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