高速公路冷再生技术应用研究试验路

实施方案

一、项目背景

1、冷再生技术的目的

    沥青路面就地冷再生技术通过重复利用沥青混合料（主要为砂石料和沥青材料），对现有已损坏的路面进行加强，并达到节约资源和保护生态环境的目的。其最大的优点是原路面材料的重复利用，能较大程度地节约资源，保护环境，避免山石过多被开采。大修高速公路，大量沥青路面废料的堆放将使资源的有效利用、废料存放的场地及环保等问题越来越突出，沥青路面废料的再生利用将不单单是技术问题，而是一个社会问题。石油资源是不会再生的，过度的开采会导致资源的枯竭。节约自然资源，保护自然环境是我国的基本国策。从节约资源出发，将旧沥青路面再生充分加以利用是一项行之有效的措施。有关专家指出，采用沥青路面再生技术、重复利用沥青路面废料是从根本上解决处置沥青路面废料和缓解资源压力的有效途径，也是适应当前可持续发展战略的形势。

    以环境生态的观点而言，路面再生工法是“现场优于工厂，冷拌优于热拌”。本次在西半幅K149+600～K151+600段进行就地冷再生试验段。
 
2、冷再生技术的意义

    冷再生技术具有以下优点：
    环境：现有路面材料的完全利用。不需要发现损坏点，来自料场的新材料的用量最少。减少了因开采料场等所造成的地表断痕。运输量大为减少。极大地降低了能源消耗及运输车另加给路网的损害。
再生层的质量：现有材料与水和稳定剂的连续、高质量的拌和确保了再生层的质量。液态稳定剂的添加因采用微机控制的输送系统而非常精确。各组份材料的精确计量和可靠输送是获得优质再生材料的保证。
    结构的完整性：冷再生施工产生的较厚的均匀的路面内，不存在传统施工方法中有时出现的较薄路面间的薄弱界面。
    不损坏路基：与采用传统施工机械修复道路相比，冷再生施工很少损坏路基。典型的冷再生施工，均为一次性作业，再生机的履带（履带式再生机）或高附着力轮胎（轮胎式再生机）在暴露的路面上只通过一次。而采用传统机械施工时，路基将承受频繁的高应力载荷，往往导致“局部隆起”现象，必要时需采取挖掘和回填作业进行处理。
较短的施工周期：现代再生机械具有很高的生产率，与其他修复施工相比，大大地缩短了工期。工期的缩短对道路用户来说，具有极大的无法估量的好处，因为，它大大降低了交通中断的时间。
    交通安全：冷再生施工最大的优点之一是具有很高的交通安全性。整个再生机组均可处于同一条车道内。白天可以仅进行一条车道的再生施工，而到了晚上，包括施工完毕的再生车道在内的整条道路可以全部开放交通。
经济性：综合上述所有优点，从经济性的角度来看，冷再生施工是路面修复的一种最具吸引力的方法。
由于冷再生技术具有以上优点，因此实施冷再生技术对于节约自然资源，保护自然环境以及在高速公路的维护中具有非凡的意义。

3、**高速公路应用冷再生技术的原因及条件

（1）保证**高速公路的畅通具有重要的政治、经济意义

    ①**高速公路的畅通是缓解我省交通运输紧张状况的需要
**高速公路是京珠高速的重要组成路段，是首都北京经我省连接全国各地的重要交通纽带。
    ②**高速公路的畅通是我省经济发展的需要
**高速公路作为国道京珠高速的重要组成部分，是连接省会和首都北京的重要通道，能有效的带动沿线地区的经济发展，为保证我省经济的高速发展，**高速公路的改善也已刻不容缓。
    ③**高速公路的畅通是促进我省旅游事业发展的需要
本项目的实施将创造更为便利、舒适的、快捷的交通条件，对推动河北省旅游业的持续快速发展有着十分重要的意义。
因此，要求施工时间能达到最短，对**高速公路的交通影响减到最小。

（2）**高速公路交通量大，大车多，施工时交通安全问题突出。

（3）冷再生技术的优点
    冷再生技术具有环保、经济、施工工期短、且具有很高的交通安全性等优点，较适合**高速公路的现状及特点。

二、冷再生技术国内外应用情况

1、国外
    国外对沥青路面再生利用研究，最早从1915年在美国开始的，但由于以后大规模的公路建设而忽视了对该技术的研究。1973年石油危机爆发后美国对这项技术才引起重视，并在全国范围内进行广泛研究，到八十年代末美国再生沥青混合料的用量几乎为全部路用沥青混合料的一半，并且在再生剂开发、再生混合料的设计、施工设备等方面的研究也日趋深入。沥青路面的再生利用在美国已是常规实践，目前其重复利用率高达80％。
    西欧国家也十分重视这项技术，联邦德国是最早将再生料应用于高速公路路面养护的国家，1978年就将全部废弃沥青路面材料加以回收利用。芬兰几乎所有的城镇都组织旧路面材料的收集和储存工作。法国现在也已开始在高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用这项技术。

2、国内
    我国在上世纪80年代交通部将沥青路面再生技术作为重占为科研项目立项研究。1982年由同济大学组织协调山西、河北、湖北、河南、山东、江西等省开展了《旧有沥青（渣油）路面再生利用研究》，累计铺筑再生路面600km。

三、试验段现状

1、结构形式
    试验段现状结构形式为5厘米中粒式沥青混凝土上面层、5厘米粗粒式沥青混凝土下面层、15厘米二灰碎石基层，40厘米石灰土底基层。
在通车运营后的养护中，东、西半幅均进行了沥青混凝土罩面，现状路面面层厚度为15厘米左右。

2、检测结果
    目测：
    此段路面大部分路面有车辙和网裂，部分路段网裂和车辙严重，急需处理。
    弯沉检测：
    此段路面现场弯沉检测，西幅超车道平均弯沉值为66，西幅行车道平均弯沉值为55，均大于设计容许弯沉值30。具体检测数据如下：
    **高速公路西半幅超车道路面结构强度（弯沉）检测数据
    检测区间 平均弯沉 标准差 代表弯沉 PSSI
    K149+000～K150+000 41.1 14.6 70 37
    K150+000～K151+000 36.4 10.5 57 49
    K151+000～K152+000 42.3 13.6 70 37

    **高速公路西半幅行车道路面结构强度（弯沉）检测数据
    检测区间 平均弯沉 标准差 代表弯沉 PSSI
    K149+000～K150+000 33.1 12.1 57  49
    K150+000～K151+000 33.3 11.4 56  51
    K151+000～K152+000 31.0 9.8 51  58

    车辙检测：
    经检测此段路面车辙较重，大部分路段车辙在30～50cm深，急需处理。
    钻芯：
    钻芯检测发现此段路面网裂部分面层和基层完全松散，轻微网裂处面层散，基层上部松散、成片状；部分路段表面较好，但基层松散。钻芯情况如下：
    钻芯情况一览表
    桩号 位置 钻芯情况描述
    k149+700 西幅 行车道 轮迹、龟裂处 沥青面层和基层上部全散、下部成块状
    k149+935 西幅 行车道 轮迹、龟裂处 沥青面层和基层全散
    k150+325 西幅 行车道 轮迹、龟裂处 沥青面层和基层全散
    k150+875 西幅 行车道 轮迹、龟裂处 沥青面层和基层全散
    k151+210 西幅 行车道 轮迹、龟裂处 沥青面层和基层全散
    k150+290 西幅 行车道 轻微龟裂处 上面层下部散、基层散
    路肩 表面较好处 上面层下部散、基层上部散、基层断裂
    k151+511 西幅 行车道 轮迹、龟裂处 沥青面层和基层全散

四、试验段技术方案

1、结构形式
    沥青路面上面层采用4cm厚AC-16Ⅰ型沥青混凝土，中面层采用5cm厚AC-20Ⅰ型沥青混凝土，下面层采用6cm厚AC-25Ⅰ型沥青混凝土，15cm厚再生混合料基层。

2、配合比设计
    旧沥青路面材料取样进行抽提，测定旧沥青含量、旧沥青性能、旧料级配，对旧沥青路面材料性能进行评价，确定旧料与新料的比例，调整级配。确定再生剂的用量和新沥青添加数量。通过马歇尔试验、冻融劈裂试验，车辙试验等试验评价再生混合料性能。
采用标准击实方法制备稳定剂含量不同的各种混合料的试件，并对试件进行养生。养生后，对试件进行各种测试以评价其工程特性，和水敏感性。将测试结果按每种混合料所含稳定剂的量绘制成曲线。对应于材料的理想工程特性的稳定剂含量就是最佳稳定剂含量。
（1）初选稳定剂
    考虑下列因素，初选稳定剂：
    —各种稳定剂的相关成本。
    —材料的可获得性，即具有充足的日供料能力，所供稳定剂具有稳定的性质。
    —对被再生材料的种类和质量的适用性。最合适的材料的初选依据是路面调查阶段的试验室测试。
    —与路面设计要求有关的再生混合料的工程特性。
    基于上述结论，即可确定与配方设计有关的稳定剂。本次再生采用乳化沥青和水泥两种材料进行对比或相结合使用。
（2）集料
    —通过常规试验确定级配和塑性指数。
    —调整级配以满足级配包络线的要求。
    —在105℃将样品烘干至恒重。
    —将样品分成所需的分量。确定最佳流体含量需5份样品，每份约1150g，另取4份每份约4000g用于配合比设计。
    —根据塑性指数值，向样品中掺加1%～3%水泥，如果塑性指数值超过10，应掺加更高比例的水泥。
（3）确定最佳流体含量（OFC）
    —将5升水与5升乳化沥青混合。
    —用乳化沥青和水的混合物结材料进行处理，通过击实试验确定材料的最佳含水量，因乳化沥青的流值的水的流值几乎相等，通过击实试验确定的材料最佳含水量即为最佳流体含量。
    —计算最大干密度

用下列公式计算干密度：
100          4×M
D=            ×                × 1000
（100+W）   （π×d2×h）
D—干密度，[kg/m3]；
W—试件在击实过程中的流体含量，[质量%]；
M—击实后试件的质量，[g]；
h—试件的平均高度，[cm]；
d—试件的直径，[cm]。
大卡某一试件的干密度与该批试件的平均干密度相差30 kg/m3以上，则将该试件剔除。

（4）确定OFC中的最佳沥青含量

—试件的准备
● 准备1150g烘干的样品。
● 按所需的百分比称量出水泥，加入到集料中拌和均匀。
● 保持OFC不变，按照下面公式确定所加入的乳化沥青与相应的水分的比例：
W=OFC-WE-0.5×BE
W—混合料中加入的水量，[质量%]
OFC—最佳流体含量，[质量%]
WE—乳化沥青中的含水量，[质量%]
BE—乳化沥青残留沥青含量，[质量%]
● 向集料中加入乳化沥青和水的混合物并且拌和均匀。

—用击实法制作试件的步骤
● 清洁试模、套筒、底座和击实锤底面；
● 在试模的下面垫一块圆形的塑料片或者纸片；
● 称取足够混合料以获得63.5±1.5mm的击实高度放入试模中，用插刀沿周边捣15次，中间10次，使混合料表面整平成凸圆弧面；
● 用击实锤击实混合料75次。必须保证击实锤自由落下击实；
● 从底座上取下试模和套筒，将试模掉头，装上套筒并且下压，使其紧紧地贴在底座上；
● 击实试件的另一面75次。

 —养生
● 击实后，缷去底座，将装有试件的试模在室温下养生24小时，然后用脱模器脱模。
● 把试件放在洁净的平盘上置于40℃的通风烘箱里进一步养生72小时。
    
—确定间接抗拉强度
    标准的间接抗拉强度试验需要测试试件在干燥和浸水等两种条件下的间接抗拉强度值。在试验过程中，试件的垂直变形速率恒为50.8mm/min，通过量测试件的最大破坏荷载以确定间接抗拉强度值。步骤如下：
● 在测试之前，将养生好的试件在室温下过夜；
● 在十字对称的4个方向量测每个试件的高度并计算其高度平均值；
● 量测每个试件的直径；
● 在测试之前，将试件置于25℃±1℃的恒温空气中至少1小时，但不要超过2小时；
● 从恒温空气浴中取出试件，将其放到加载装置上；
● 将试样安放稳定，使上下压条在试件的垂直端面上居中、平行；
● 将转换板放置在上压条上并且使整套装置与下面的压头居中对齐；
● 以50.8mm/min的速度向试件施加荷载，直至最大荷载，加载过程中不能有震动；
● 记录荷载，准确到0.1KN。
    为了确定浸水试件的间接抗拉强度，在测试之前要采取以下步骤：
● 将养生过的试件放入真空干燥器并且将其浸入25℃±1℃的水中；
● 使真空干燥器的真空度达到50mmHg，维持60±1分钟。若没有干燥器，则在25℃±1℃的水中浸水24小时；
● 取出试件，擦干表面，进行间接抗拉强度测试，如上所述。

    利用以下公式计算每个试件的间接抗拉强度，准确到1kPa：
    2×P     
    ITS=           
    π×d2×h
    ITS—间接抗拉强度，[kPa]；
    P—最大荷载，[KN]；
    d—试件的直径，[m]；
    h—试件的平均高度，[m]

—确定沥青含量的设计值
    在同一坐标轴上绘制所有试件（干燥和浸水的）间接抗拉强度—沥青含量（加入的沥青）曲线。选取浸水试件的最大间接抗拉强度所对应的沥青含量作为沥青含量的设计值，用于乳化沥青的再生处理。
 
（5）依沥青含量的设计值确定混合料的其它性质
    必要的情况下，依所确定的沥青含量的设计值测试混合料的其它性质，如回弹模量、动态蠕变等。若进行上述试验，则需依沥青含量的设计值按上述方法进行试件的制备和养生。

3、冷再生技术混合料性能评估
    通过马歇尔试验、冻融劈裂试验，车辙试验等试验评价再生混合料性能。

4、施工组织
   （1）本次试验段设在桩号K149+600～K151+600处，长2公里。本次冷再生主要是用旧面层沥青混合料进行再生，再生混合料作为基层。
   （2）再生前的准备
    再生前的所有准备工作均应及时作好，以使再生施工不至于因此而中断。再生机组停机不仅浪费宝贵的时间，而且使整个工程施工不连续。施工中断会在路面上产生潜在的薄弱区域，可能时应尽量避免。
    ①铣刨旧路面
    先将旧沥青混凝土路面面层全部铣刨掉，并外运至指定地点存放；然后铣刨水泥稳定碎石基层并外运。
    ②摊铺旧沥青混合料
    将旧沥青混合料进行回运，按设计标高进行摊铺平整。
    ③准备乳化沥青、水泥等材料
    准备好乳化沥青、水泥等所有再生所用的必备的材料。
   （3）再生施工
    ①再生机组就位
    每次施工开始前均应对再生施工所用各种的设备进行基本的检查：
    —对再生施工中所需要的所有机械设备进行全面的检查，包括：压路机、撒布机及罐车；
    —检查沥青类稳定剂的温度；
    —检查各罐车、撒布机或搅拌机内所所装水和稳定剂是否满足再生路段施工的需要。可能的情况下，应检查沥青罐车中标尺的的读数；
    —采用推杆（和/或拖拉绳）连接再生机组；
    —连接所有与再生机组相连的管路，排出系统中的所有空气并确保所有阀门均处于全开度位置；
    —检查再生机操作人员是否已掌握所有与稳定剂添加速度有关的数据，并已输入计算机。再生路段是否有明确的导向标志，所有开始程序是否均已清楚。
    这些基本检查应成为每次施工开始前的例行工作。除再生机外建议对所有辅助机械及设备的操作人员进行检查，以确定他们是否已明白各自的责任，以及如何操作以确保再生施工的成功。
    ②初始试验段施工
    再生施工前先进行初始试验段的施工。初始试验段长度为100m，选3段分别进行报导化沥青、水泥和乳化沥青与水泥相结合的试验段，宽度为整个行车道，以明了再生材料的有关特性。
    —再生材料的级配。应检验再生后的材料，看其是否与试验室中进行配方设计时的样品相似。通过快速筛分确定配方设计是否恰当。另外，再生机的行走速度和转子的转速均影响再生后材料的级配。
    —压实。影响再生层最终性能的最重要因素是压实后材料的密实度。
    —膨胀性。旧路面材料再生后往往体积增加从而影响完工后的路面的标高。
    ③再生施工
再生施工在再生机组就位完善后才能开始。施工开始时由有经验的操作人员对施工状况进行一系列连续的检查对获得预期的施工效果是非常重要的：
    —再生机两侧的工作深度；
    —作业面是否正确，重叠量是否合适；
    —再生材料是否达到预期效果。
    —稳定剂的实际用量与再生材料相符合。
    罐车尽量选用容积较大的车辆。在罐车用空之前不应停、倒车、或调头，应继续该作业面的施工。由于再生同组调头时，需要拆卸机械之间的连接，因此，进行相邻作业面的施工时， 倒车调整更为理想。
   ④接缝
   再生施工时应考虑两种接缝：与道路中心线平行的纵向接缝和与道路中心线成适当角度的横向接缝。
    A、纵向接缝
    再生机的工作宽度一般小于道路或行车道的宽度，因此，全幅路的再生需多次作业，从而导致数和相邻作业面间的纵向接缝。需要沿整条纵缝有一定的重叠量以保证相邻作业面间纵缝的连续性。
    全路宽再生所需的作业次数以及每条纵缝的位置受下列因素影响：
    —具体施工中所用的再生机型，特别是转子的工作宽度。
    —相邻作业面间的重叠量不小于10cm。路面越厚，重叠量越大；材料位度越粗，重叠量越大。
    —被再生道路的宽度及断面情况。
    —纵向接缝的位置应尽量避开缓慢行驶的重型车辆的轮迹。
    良好的重叠接缝对再生层的最终性能有重要影响。施工时应通过在现有路面上喷涂醒目标志或架设基准线的方法建立导向提示，帮助驾驶员正确操纵再生机，避免相邻作业面间存在未再生的夹带。
    B、横向接缝
    因每次施工开始或终止而形成的横穿作业面的横向接缝是不连续的。每次停机，即使是仅需几分钟用于更换罐车，也将形成一个严重影响再生材料均匀性的横缝。因此施工中尽量减少停机现象，在不可避免的情况下，应对所形成的横缝进行认真处理。
    —再生施工开始时，所有开始步骤必须严格依次进行，特别是稳定剂管道或水管的排气程序。所有气体必须在液体到达喷洒杆前排除，如果排气不当，有可能在再生施工开始的最初几米内，材料内无添加剂，从而导致路面内出现非稳定路段。
    —在临时停机后重新开始时，整个再生机组应该后退至少一个转子直径的距离到达再生过的材料上。这将保证开始施工后所有材料均得到处理。
    横缝问题只有当施工停止时才会出现。因此，再生机组只能在罐车用空后或类似情况下才能停机。
    ⑤压实
    再生材料的压实度是决定再生路面未来性能表现的重要因素之一。如果再生材料没有得到适当的压实，除了产生早期车辙外，再生层将无法达到所需强度，路面过早遭到破坏。因此，必须保证再生材料的压实度。
压实采用重型（自重＞15吨）双幅/双频振动压路机。使用的时候，要确保：初压时使用高幅/低频振动模式，以便压实层面的下部，随后使用低幅/高频振动模式压实再生层的上部。另外，使用振动压路机的时候，应注意以下几点：
    —使用高幅/低频振动模式压实往往会扰动层面顶部的材料，尤其是表面。不过在使用低幅/高频振动模式压实之前用平地机找平可以很容易地修正过来。
    —但是，若达到材料的最大密度后仍然继续碾压，则会破坏材料，降低材料的密度。
   （4）质量控制
    再生层和最终质量有赖于选择正确的施工工艺，合适的稳剂和用量，以及最后对所处理的材料施工合理的摊铺、压实和修饰。
完工后，必须进行再质量控制方面的检测。检测的目的就是确认再生层质量能否达到预期的要求，再生路面是否具有预期的结构能力（或者设计寿命）。再生层的质量由以下试验结果决定：
    —强度。从再生机后取得材料的样品在试验室进行各种强度试验检测进行确定。
    —压实材料的干密度。再生施工完成后，采用钻芯法测定再生基层的压实度。
    —再生层的厚度。这是影响再生层长期性能最重要的因素之一。通常用物理的方法检测层面的厚度。

五、施工期交通控制
    （1）在施工路段，采取封闭单车道，不断交施工，在施工现场设置隔离桩以保证行车和施工安全，在施工段前方2公里处、1.5公里处、1公里处、500米处、300米处和100米等处设置警示牌，交通标志的布设应能给使用者提供明确、及时、完善、清晰和足够的信息，并满足夜间行车的视觉要求。
    （2）施工时应遵守与“安全、健康与环境卫生”相关的所有法规和规范要求，并提供一切安全装置、设备与保护器材；必要时，采取相应措施，以保护其职工的生命、健康以及公众的安全。

六、冷再生技术混合料长期跟踪检测、评估方案

1、检测内容

    （1）在结束当天的工作准备铺筑沥青混凝土面层前，对再生路面进行检测，检查材料和工艺是否符合工程规范的要求。具体检测内容包括：
●  相对密度（压实度）
●  间接抗拉强度
●  水泥粘结剂的含量
●  乳化沥青粘结剂的含量
●  水泥粘结剂试验段的无侧限抗拉强度
    （2）铺筑完沥青混凝土面层后进行整体弯沉的测量。

2、评估方案
    热再生路面的评估方案采用检测弯沉和钻芯的方法进行检测评估。铺筑完路面后、三个月后、半年后、一年后、一年半和两年后分别检测一次，并和同期铺筑的其他结构基层进行对比评价。