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S201线改建工程乳化沥青厂拌冷再生配合比设计与经济效益分析
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S201线改建工程乳化沥青厂拌冷再生配合比设计与经济效益分析
2022年06月02日    阅读量:26590    新闻来源:《道路工程》2020年第4期  |  投稿

摘 要

本文以省道S201线改建工程试验段为依托,对乳化沥青厂拌冷再生配合比进行设计验证,经技术分析,合理配合比设计的乳化沥青厂拌冷再生混合料的性能能够满足沥青路面下面层的要求,乳化沥青厂拌冷再生由于其成本低、设备与施工工艺简单、再生利用率高等优点,因此更具推广潜力。并对乳化沥青厂拌冷再生路面的经济效益进行测算分析,分析结果认为,乳化沥青厂拌冷再生与传统的沥青路面养护维修方式相比,能够节约大量的沥青、砂石等原材料,降低工程造价,有利于废料利用、保护环境,因而具有显著的经济效益、环保和社会效益,符合国家节能环保的要求,是实现公路养护可持续发展的必由之路。


关键词 道路工程 | 冷再生 | 现场测试 | 经济效益 | 配合比设计


截止2019年底,甘肃省公路总里程达到15.14万km,其中,高速公路通车里程4453km沥青网sinoasphalt.com。运营时间超过10年的高速公路为2000km左右,兰州周边的几条高速公路运营时间已超过15年,都进入了路面养护维修的高峰期,仅这几条高速公路每年就会有几万到几十万平方米的沥青路面需要维修,产生的废旧沥青混合料的数量将会越来越多。目前沥青路面的再生方式有热再生和冷再生两大类,根据再生的场地不同又分为厂拌再生和现场再生。在所有的再生方式中,厂拌冷再生技术因其设备成本较低、再生利用率高等优点得以广泛应用。近几年,国家对环保的要求越来越高,大量石料厂关停,优质石料越来越少,石料开采成本大幅上升,单价也日趋上升,原材料成本在整个路面工程中的比例也越来越大,采用沥青路面再生技术的经济效益会更加显著。随着人们对环保、社会效益的关注,以及技术的进步,沥青路面再生利用技术越来越受到人们的重视。高能耗、污染严重是目前道路行业的现状,因此,公路建设养护的可持续发展就必须按照国家政策的要求,走资源节约型、环境友好型之路,必须要处理好交通发展与资源节约和环境保护之间的关系。因此,沥青路面再生将是发展的必然趋势,要不断创新养护管理水平,科学合理使用新技术、新材料、新工艺,做好公路养护新技术、新材料的推广应用,充分发挥公路的最佳效能,弥补养护资金和能源的不足,提高公路的通行能力,保持与自然环境的和谐促进公路建设养护又好又快的发展是我们必须要解决的课题,也是实现公路养护可持续发展的必由之路。


乳化沥青厂拌冷再生的性能指标及室内目标配合比设计


本文以省道S201线改建工程K24+000-K25+000段作为本次冷再生的试验段,采取乳化沥青厂拌冷再生后用于沥青路面下面层结构,试验段路面结构层如下:4cmAC-13沥青混凝土上面层+10cm厂拌乳化沥青冷再生。再生料采用兰州公路管理局高养中心树屏料场堆放的铣刨料,为兰州周边几条高速公路沥青路面养护维修产生的铣刨料。


技术原理及性能指标


乳化沥青厂拌冷再生路面是采用铣刨、开挖等方式从沥青路面上获得的旧沥青面层材料(RAP)运至拌和厂,经破碎、筛分,以一定的比例与新集料、沥青类再生结合料、活性填料(水泥、石灰等)、水进行常温拌和,常温铺筑形成路面结构层的沥青路面再生技术。本项目在配合比设计过程中,参考了交通部于2008年发布的JTGF41-2008《公路沥青路面再生技术规范》,并结合本项目铣刨料品质以及项目所处区域、交通量、气候条件等因素,制定了本项目相关标准。

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原材料质量控制指标


(1)基质沥青

基质沥青采用壳牌90#A级沥青制备,其所检指标均满足JTGF40-2017《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

(2)乳化剂

为了进行横向比较,主要采用了乳化剂A、B以及成品冷再生乳化沥青C三种,其中乳化剂A和B均为两种乳化剂复合使用。


(3)铣刨料(RAP)及集料:

采用兰州公路管理局高养中心树屏料场破碎和筛分的铣刨料进行乳化沥青冷再生配合比设计,根据试验要求对1#铣刨料(9.5~31.5mm)、2#铣刨料(4.75~9.5mm)、3#铣刨料(0~4.75mm)、水泥进行了筛分试验,细集料的砂当量试验结果为70,满足施工规范应大于60的要求。


(4)乳化沥青

试验中采用的A、B两种乳化剂不同掺量制备不同配方的乳化沥青,与试验用铣刨料具有良好的裹附性及可施工性,其技术指标均满足规范要求。


(5)其它

试验中采用普通的硅酸盐水泥为填料,本项目中选择海螺牌P.O42.5,用量根据混合料试验来确定。试验中的水使用可饮用的水源。


乳化沥青配方


乳化沥青参数参照《公路沥青路面再生技术规范》JTGF41-2008规定,性能满足乳化沥青的质量要求。


混合料级配要求


试验中乳化沥青冷再生混合料设计的级配范围要求,如表2所示。

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(1)初选级配

根据以往实践经验,在尽量保证铣刨料充分利用的基础上初选一组级配进行试验,级配结果如表3,级配曲线如图1所示。

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(2)配伍性设计

配伍性设计目的是确保乳化沥青的化学活性与旧料的化学活性匹配。既不会因为两者的化学结合过快导致混合料裹附不充分或施工工作性不足,也不会因为两者的化学凝结过慢而导致胶结料粘结力形成过慢无法及时开放交通或进行下一道施工工序。根据项目信息所初选出来的乳化沥青配方,以初选级配为基准,进行配伍性设计主要是拌和试验。综合考虑旧料、新料、活性填料性质、施工时的气候及施工条件,根据试验经验选用至少3~5种乳化沥青配方,对每个配方,按照0.5%的变化量确定3~5个乳化沥青用量,在各乳化沥青用量下与合成级配的矿料分别进行试拌,观察混合料的工作性、拌和均匀性、与集料裹覆状态及混合料的浆态。如果拌和完成后集料的和易性良好,裹附面大于90%,且均匀无花白料,不聚集,粗细料不分离,且拌和完成后放于室外至少3h后混合料不结团,则混合料达到理想拌和状态。淘汰始终无法达到混合料理想拌和状态的乳化沥青配方。3个以上乳化沥青用量下均能实现理想拌和状况的配方即可推荐为配伍性试验的初选乳化沥青配方,对应的液体组合(乳化沥青用量和预湿水用量)做为该乳化沥青用量下的推荐液体组合。试验结果如表4所示。

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试验中发现,水作为铣刨料的预湿,对乳化沥青的裹附具有明显的改善作用,以上3种乳化沥青混合料放置4h以上,均未出现结团现象。通过拌合试验,发现A、B、C三种乳化沥青一定条件下均具有良好的裹附性能,乳化沥青用量4%时,拌合的最佳预湿水均为3.5%,因此根据初选级配对以上3种乳化沥青冷再生混合料进行15℃劈裂试验,试验结果乳化沥青A为0.64MPa,B为0.66MPa,C为0.6MPa。


(3)最终确定乳化沥青用量

通过拌合试验、工作性试验、强度以及性价比因素,建议在本项目中采用A乳化剂,其中乳化剂A和B掺量分别为1.6%和0.2%。


级配优化过程

(1)初选级配

本次级配设计过程中,根据铣刨料的筛分结果首先初选出三个级配(级配1、级配2、级配3),然后根据混合料拌合情况选择乳化沥青掺量,采用旋转压实仪高度控制成型试件进行试验,得出试件的体积指标,根据体积指标及稳定度初选一组满足或接近设计要求的级配作为设计级配。表5为3个级配的矿料比例明细表,表6是3种矿料的合成级配通过率明细表,图2为三种级配曲线图。

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(2)试验级配选择

参照混合料拌合情况以及铣刨料裹附表现,选择4.0%作为三种试级配用乳化沥青掺量。室内采用旋转压实仪成型试件,试验结果汇总如表7所示。


由表7可以看出,级配3强度下降较为明显,级配1、级配2各项指标满足要求,结合项目情况,本次设计拟选择级配2为设计级配。

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油石比优化过程

(1)冷再生混合料物理力学性能试验

按设计矿料比例配料,采用5种乳化沥青掺量进行体积指标、强度指标试验,试验结果见表8。


(2)最佳油石比的确定

根据试验结果,分别绘制毛体积密度、空隙率、劈裂强度与乳化沥青掺量的关系曲线图。

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由以上图3知,试件最大毛体积相对密度出现在乳化沥青含量为4.0~4.3%之间,设计空隙率值所对应的乳化沥青含量3.7~4.3%之间,15℃劈裂强度均高于0.6MPa,大于0.7MPa的乳化沥青含量3.6~4.5%之间,根据设计经验和项目所在地区气候条件、交通量状况等因素,取乳化沥青含量4.0%为设计乳化沥青含量。


冷再生混合料性能验证


(1)冻融劈裂检验

对采用设计级配、最佳乳化沥青掺量和最佳含水率成型的混合料试件进行冻融劈裂试验以检验乳化沥青冷再生混合料的抗冻融性能。试验结果见表9。

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(2)干湿劈裂强度比

对采用设计级配、最佳乳化沥青掺量和最佳含水率成型的混合料试件进行干湿劈裂强度比试验,试验结果见表10。

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(3)高温性能检验

对采用设计级配、最佳乳化沥青掺量和最佳含水量成型的混合料试件进行试验,试件在试验机中60℃养生5h后立即进行动稳定度测试,D45为1.00mm,D60为1.08mm,动稳定度7000次/mm。


室内混合料配合比设计验证结论


对乳化沥青冷再生混合料的乳化沥青配方及目标配合比设计,通过相关验证试验表明,所采用设计级配的乳化沥青冷再生混合料的抗水损害性能和高温性能均满足设计要求,室内目标配合比设计所得结果可用于生产配合比的调试。室内目标配合比设计的矿料比例、乳化沥青和用水量如表11所示。

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乳化沥青厂拌冷再生混合料生产配合比设计


总体要求

依据JTGF41-2008《公路沥青路面再生技术规范》,采用兰州公路管理局高养中心树屏料场铣刨料进行乳化沥青冷再生生产配合比设计。

原材料检验

(1)水泥:采用海螺牌P.O42.5,主要试验指标满足要求。


(2)集料:采用兰州公路管理局高养中心树屏料场破碎和筛分的铣刨料,集料随机取样于树屏料场,以9.5mm为界筛开,其相关性能见表12。

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铣刨料中大于31.5mm的料很少,所以将此档料筛除,然后做筛分试验,筛分曲线如图4所示。

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由图4可以看到,原铣刨料细料偏少,粗料偏多,不符合乳化沥青冷再生混合料工程级配中粒式级配范围,需要加入10~20mm的新料以矫正级配。所加10~20mm新料的级配如表13所示。

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(3)乳化沥青:采用A乳化剂,试验室自制乳化沥青,试验结果满足要求。


调整级配


根据JTGF41-2008《公路沥青路面再生技术规范》进行级配合成,采用铣刨料(9.5~31.5mm)∶铣刨料(0~9.5mm)∶碎石(10~20mm)∶水泥∶矿粉=20∶60∶13∶2∶5。合成级配曲线图5所示。

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击实试验


参照《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)的试验方法,对合成矿料进行击实试验,确定最佳含水量为6.5%。击实试验结果见图6。

最佳乳化沥青用量确定


根据初步选定的合成级配以及最佳含水量,进行最佳乳化沥青含量试验,结合经验,乳化沥青用量采用3.5%、4.0%、4.5%共3组进行最佳乳化沥青用量烘箱内48h后测体积指标及15℃劈裂强度,结果如图7所示。

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依据上述结果,选定乳化沥青用量为4%。配合比设计根据树屏料场铣刨料的品质、筛分情况,并依据相关规范及技术要求确定初步设计生产配合比如表14所示。


但是在施工过程中发现此矿料配合比未达到最佳状态,粒径级配及乳化沥青的裹覆未能达到理想状态,通过反复调试,确定最终的生产配合比如表15所示。

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乳化沥青厂拌冷再生技术经济效益分析


根据省道S201线改建工程试验段实际发生工程费用,对厂拌冷再生沥青混合料的经济效益进行分析,省道S201线改建工程试验段乳化沥青冷再生层采用配合比为旧料∶新集料∶水泥∶矿粉=82∶15∶2∶1,乳化沥青用量4.5%,最佳掺水量2.2%。摊铺压实后比重2.50t/m³。

原材料单价

(1)铣刨料:首先对进场的铣刨料生产前的成本进行核算,RAP材料生产前的成本包括原路面铣刨与仓储10元/T、运输(含场内短拨)40元/T、破碎、筛分12元/T,合计62元/T。


(2)乳化沥青:成品沥青到场价每吨5800元,乳化剂每吨3.2~3.6万元(平均按3.4万元计算),生产每吨乳化沥青时乳化剂掺配比例为1.6%,生产每吨乳化沥青消耗燃煤400元,乳化沥青中沥青含量为62%,乳化沥青占冷再生混合料4.5%,每方冷再生混合料中乳化沥青成本为195.12元。


(3)水泥:缓凝P.O42.5水泥到场价格为410元/吨。


(4)矿粉:矿粉到场价格为170元/吨。


拌和费用


拌和设备为乳化沥青冷再生专用设备,最大产量300T/h,实际施工产量平均200T/h,台班施工产量1600吨,按实际使用15万吨总量折旧,拌和设备折旧按11.3元/吨计。拌和需机械操作工2人,检修工1人,普工2人。需配500KW发电机组1台,2m³以内轮胎式装载机1台,12方以内洒水汽车1辆。根据配合比及每台班产量,拌和所用机械设备、材料,分析拌和每吨成品料的费用,人工费为0.56元/吨,机械费为17.85元/吨,材料费为266.57元/吨,以上工料机合计加企业所得税等乳化沥青冷再生混合料成本为296.38元/吨。


乳化沥青厂拌冷再生直接经济效益分析


本工程采用乳化沥青冷再生层做为下面层,厚度为10cm,采用乳化沥青冷再生层作为下面层的路面(10cm乳化沥青冷再生层+4cmAC13上面层)成本为123.81元/㎡,常规沥青路面(4.5cmAC20下面层+4cmAC13上面层)成本为149.36元/㎡,采用乳化沥青冷再生层做为下面层的路面比常规沥青路面直接经济效益每个平方米节约成本17.1%。


采用沥青路面再生技术的其它经济效益分析


若不采用沥青路面再生技术对RAP材料进行重复利用,则需要对RAP材料进行集中处理,现以1000tRAP材料为单位对其处理费用进行测算。


(1)节省铣刨料运输费用

运距增加费用,从铣刨现场到铣刨料废弃堆场的运距较铣刨现场至沥青拌和场的运距增加30km,运费为1.2元/(t×km),铣刨料的密度为2.3t/m³,则每1000吨铣刨料重复利用可节省的运输费用为36000元。

(2)节省占用土地费用

按照土地征用费用每亩2.9万元计算,假设铣刨料堆高3m,则占地总面积为144.93㎡,则1000tRAP材料可节省占用土地费用6301元。


综合以上分析,沥青路面再生技术对铣刨料的重新利用,将每1000t沥青铣刨料妥善利用后,可节省废料运输与土地占用费为42301元,重新利用铣刨料每吨节约废料运输与土地占用费42.3元。


本次直接经济效益分析是以省道S201线改建工程试验段来进行评价的,若再生技术应用在石料稀缺的地方,材料价格相对较高,经济效益会更高。近几年,国家对环保的要求越来越高,大量石料厂关停,优质石料越来越少,石料开采成本大幅上升,单价也日趋上升,原材料成本在整个路面工程中的比例也越来越大,采用再生技术的经济效益会更加显著。若不采用再生技术,将铣刨旧料全部废弃后将产生很大的环境污染及治理等费用,同时也相对增加了石料、沥青等原材料的用量,近十年来我国修筑的高等级路面大多为沥青路面,而且所用沥青进口的占很大的比例,价格昂贵,每年需花费大量的外汇。另外,许多地方石料匮乏,大量的使用新石料,将进一步加大对矿山的开采,造成森林植被减少、水土流失等严重的生态环境破坏,如果进一步测算环境污染治理等间接费用,沥青路面再生技术的利用具有更为可观的经济效益、环保和社会效益。


结论

本文以省道S201线改建工程试验段为依托,结合本项目铣刨料品质以及项目所处区域、交通量、气候条件等因素对乳化沥青厂拌冷再生配合比进行设计验证分析,合理配合比设计的乳化沥青厂拌冷再生混合料的性能能够满足沥青路面下面层的要求。乳化沥青厂拌冷再生由于其成本低、设备和施工工艺简单、再生利用率高等优点,因此更具推广潜力,也更符合甘肃省对再生技术的需求。并对乳化沥青厂拌冷再生路面的经济效益进行分析比较,采用该再生层的路面比常规沥青路面每平方米节省工程造价17.1%,采用再生技术每利用1000t铣刨料可节省废料运输与土地占用费42301元,平均每吨节约42.3元。本次直接经济效益分析是以省道S201线改建工程试验段进行评价的,若再生技术应用在石料匮乏的地方,材料价格相对更高,采用沥青路面再生技术的经济效益会更加显著。另外,大量的使用新石料,将进一步加大对矿山的开采,造成森林植被减少、水土流失等严重的生态环境破坏,如果进一步测算环境污染治理等间接费用,沥青路面再生技术的利用具有更为可观的经济效益、环保和社会效益。

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标签:综合论文技术中心再生沥青改性沥青
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