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关键词:
沥青路面再生冷再生施工工艺质量控制
引言
路面再生利用,是将沥青路面进行切刨、破碎、翻挖、参加专用再生剂、无机、有机新结合料、新机料等按比例尺新拌合成混合料,按规定工艺铺筑路面,节省工程投资,同时有利于废料处理、保护环境、节约能源和可持续发展的重要技术措施。
因而具有显著的经济效益和社会效益。
目前我国的公路建设飞速发展,每年投资规模已经超过2000亿元。
在90年代以后陆续建成的高速公路已进入大、中修期,大量的翻挖、铣刨沥青混合料被废弃,一方面造成环境污染,另一方面对于我国这种优质沥青极为匮乏国家来说是一种资源的浪费,而且大量的使用新石料,开采石矿会导致森林植被减少,水土流失等严重的生态环境破坏。
按照沥青的设计寿命(15-20年),从现在起,每年有12%的沥青路面需要翻修,旧沥青废弃量将达到每年220万吨之巨,如能加以利用,每年可节省材料费3.5亿人民币,而这个数字是以每年15%的速度增长的。
10年以后,沥青路面的大、中修产生的旧沥青混合料将达到1000万吨,届时通过再生利用每年可节约材料费15亿元。
否则这些为数巨大的沥青混凝土层翻挖后只能白白的废弃掉,不仅浪费了资源,也会对环境造成严重的污染。
因此,沥青再生技术的研究、推广和相关专用设备的开发,对降低建设成本、保护生态环境以及对我们国家的公路建设都有极大的意义,随着我国高等级沥青路面维修养护量不断增加,对沥青路面再生技术有必要加强理论探讨,为再生旧料在实际工程中的大量应用奠定基础。
2沥青路面再生利用技术
2.1沥青路面再生利用技术在国内外的发展
国外对沥青路面再生利用研究,最早是美国从1915年开始的,到上世纪八十年代底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、再生混合料设计、施工设备等方面的研究也日趋深入。
在美国沥青路面的再生利用已是常规实践。
欧洲国家也十分重视这项技术。
德国是最早将再生料应用于高速公路路面养护的国家,该国1978年就已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。
过去再生材料主要用于低等级公路的路面和基层,近几年已开始应用于重交通道路上。
法国现在对再生技术的研究也颇为重视,在高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中开始逐步推广应用这项技术。
1997年国际结合组织堆14个国家的调查表明旧料利用率已达75%--100%,其他国家也有不同程度的利用。
由于我国缺乏必要的理论指导及科学的设计方法和机械设备的支持,我国沥青路面再生起步晚,所以我国再生旧料并没有在实际工程中得到大量应用。
但随着我国沥青路面维修养护量的不断增加,近几年我国在这方面发展较快。
2.2沥青路面再生利用技术的优点和分类
2.2.1沥青路面再生利用技术的优点
沥青路面的再生利用是将旧沥青路面经过翻挖、回收、破碎、筛分等方法处理后,与再生剂、新沥青、新集料等按一定比例重新拌和成混合料,能够满足一定的路用性能并重新铺筑于路面的一整套工艺。
由于对旧材料进行重复利用,施工过程中路面的几何线形及厚度能得到很好地保持。
与其它沥青路面修复技术相比,沥青路面再生还能在一定程度上减少交通持续中断的现象。
总结起来,沥青路面材料的循环利用有下列优点:
①降低施工成本;
②节约集料和沥青;
③保持原路面的几何特性;
④保护环境;
⑤节约能源;
⑥减少用户的延误,更重要的是再生后的沥青路面与新铺沥青路面性能基本相当。
2.2.2沥青路面再生利用技术的分类
1)热再生(HR)
是将再生沥青路面(RAP)与新集料、新沥青和专用再生剂(需要时)在工厂拌和再生混合料,经运输、摊铺、碾压成型。
2)就地热再生(HIR):
分为表面在生法、复拌法、重铺法
就地热再生是一种现场维修法,又对现有道路的加热、软化、翻松、拌合、拌合和碾压组成。
按所需添加新集料、沥青、再生剂和新加铺层以提高现有道路的性能。
3)冷刨法(CP)
是用专门设备剥离现有道路到合适的深度、纵断面和横断面,经清扫可立即用作行驶面,如需要,在清扫路面上喷洒粘层后加铺新的沥青面层或再生混合料。
4)全后再生发(FRD):
分为机械稳定法、沥青稳定法、化学稳定法、符合稳定法
是将全厚深度的沥青面层、基层、底基层或路基铣刨、粉碎、拌合以提高良好的基层材料,然后,在其上加铺沥青面层或磨耗层。
道路类似于现场冷再生,不需加热。
5)冷再生法(CR)
是再生路面过程中无需加热的方法,根据使用的工艺可分为:
就地冷再生法(CIR)、厂拌冷再生法(CCRP)
3沥青路面就地冷再生技术
3.1沥青路面就地冷再生技术
这种技术包括四个主要工序:
首先是准备旧路的再生材料,包括破碎和翻松旧路;
其次是加入稳定剂和水并加以拌和;
第三是成型和压实;
最后是在再生的路面上加铺磨耗层。
就地冷再生工艺主要用于结构层的翻修,是用于各种类型的道路。
就地冷再生技术的优点主要包括:
1)全部旧料就地再生,达到100%回收料再生,不仅减少了新料的用量,而且减少了运输费用;
2)在翻新路面的补强问题上用很大的灵活性,可以在再生路面上只铺一层稀浆封层,也可在上加铺一层热沥青混合料磨耗层,又可以将再生路面作为底面层在其上加铺一层中面层和上面层,构成三层结构的路面,还可以将再生的路面作为第一层结构层而在其上铺多层结构的沥青路面;
3)消除旧路面不规整的横向断面;
4)由于已经有再生路面作为地面层,在其上加铺其他面层的工作量相应减少,因个人节约了施工时间、降低了施工成本;
5)减轻环境污染、减少能源消耗。
就地冷再生技术可治理的道路损坏有:
a松散
b坑槽
c泛油
d抗滑不足
e车辙,波浪
f拥包
g疲劳裂缝、边缘裂缝和块裂
h滑移裂缝、纵向和横向温缩裂缝
i反射裂缝和间接裂缝
j膨胀、拥包、凹陷和沉降引起的行驶质量差
3.1.1就地冷再生原理
就地冷再生有一台专用再生机实现,其核心是一个装有若干个硬质合金刀具的切削转子。
转子旋转时向上切削现有旧路铺层材料,转子的切削深度可以通过电脑精确控制。
在转子切削材料的同时,来自再生机前面并由再生机推动前行的水罐车中的水,通过软管输送给再生机,并由机载系统喷洒进拌和腔内。
在拌和腔内与切削下来的材料进行充分均匀地拌和,并达到压实所需的最佳含水量,如图所示。
图1道路就地冷再生原理
液体稳定剂,例如水泥稀浆或乳化沥青或两者结合,也可以类似的方式直接喷洒到拌和腔。
此外还可以通过专门设计的喷洒嘴将泡沫沥青喷洒到拌和腔。
热沥青、冷水和空气在一排相互独立的发泡腔里,是沥青发泡,并通过喷嘴均匀地喷洒在整个工作宽度上。
粉状稳定剂,例如消石灰、水泥,通常事先洒铺在再生前的路面上。
再生机将粉状稳定剂与再生料和水拌和。
微型计算机根据再生的宽度、工作深度、工作速度及材料的密度控制拌和水用量和沥青用量。
重新作业时,可以关闭一些喷嘴,以便减小喷洒宽度。
3.1.2就地冷再生施工机组
作业方向
根据再生场合和稳定剂的不同类型,可采用不同的再生列车组合方式。
通常情况下,再生机是自行的,它可以推动或托动与其相连的设备。
再生列车组的典型配置如图2和图3所示。
图2 典型的水泥将再生车
图2给出了使用水泥做再生剂的再生列车组合。
在将水泥和水拌和成稀浆之前,他们的使用量需要精确的计量,然后通过软管泵送给再生机,并在拌和腔中喷洒。
水泥也可以粉料的形式预先撒布在路表面,而此时稀浆拌和车可用水车取代。
从再生机出来的再生料需要使用重型压路机进行初压,使全部再生材料达到均匀的密实度。
再生料在使用震动和轮胎压路机完成终压前,应先使用平地机进行整平。
当乳化沥青或泡沫沥青和水泥稀浆一起使用时,可使用类似的列车组,只不过在稀浆拌和车前增加一辆沥青罐车,如图3说示。
有时水泥是以粉状的形式撒布在沥青再生机前的路表面,沥青罐直接与再生机连接,水车作为引导车辆位于列车最前面。
履带式再生机配熨平板,在这种情况下不需要使用平地机。
图3 典型的水泥浆与沥青再生列车
3.2沥青路面就地冷再生施工工艺
3.2.1再生混合料的配合比设计
1)旧混合料的性能评价
研究沥青混合料随使用年限发生的变化对沥青路面再生利用非常关键,因为它直接影响再生路面的性能,因此对旧沥青路面的评价在路面再生的工艺中非常重要。
(1)根据旧沥青路面不同的破坏状况,确定适宜的取样频率,随机钻芯取样以获得有代表性的样品;
(2)对旧沥青混合料采用抽提法,分析矿料级配、集料性能的变化;
旧二灰碎石或水泥稳定碎石混合料分析其级配;
(3)根据老化沥青的性能选择合适的稳定剂及掺量,使再生后的沥青满足路用性能要求。
2)冷再生混合料配合比设计内容
在冷再生施工中配合比主要是确定再生混合料所需添加的骨料、再生剂、水的含量。
目前再生剂主要有水泥、乳化沥青、泡沫沥青、软质沥青、化学添加剂等,如果需要复合应用,可参入化学再生剂。
一般再生剂应用组合方式有:
水泥+水、乳化沥青+水、泡沫沥青+水、水泥+泡沫沥青+水、水泥+乳化沥青+水五种。
一般的配合比设计流程为:
图4冷再生配合比设计流程
由流程图可看出设计步骤:
1)旧路取样,获取有代表性的RAP样品;
2)试验室确定回收的混合料的组成及性能:
提取、筛分;
3)确定添加的新集料的规格和用量及级配;
4)选择新添再生剂的等级和用量并根据工程情况和经济情况确定再生剂的组合方式;
5)确定拌和前的含水量;
6)拌合再生混合料;
7)成型试件;
8)养生:
短期养护、长期养护;
9)物理、力学性能:
毛细体积密度、马希尔稳定度、流值、间接拉伸强度
水稳性――在有水不稳定地区需要增加水稳性
10)确定最佳配合比。
在室内确定配合比的基础上,根据现场温度条件由有经验、有资格的人员进行调整。
3.2.2再生机组与试验段
1)再生机组的准备
只有在所有准备工作完成后才能开始再生施工,这些准备工作依次为:
(1)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;
(2)测量再生剂和路表面温度;
(3)检测各罐车、撒布机和搅拌车内所装水或稳定剂是否足够满足再生路段施工的需要;
(4)在第一个工作面,采用推杆将再生机组排成一排;
(5)连接所有与再生机相连的管路,排除系统中所有空气并确保所有阀门处于全开度位置;
(6)检查再生机操作人员是否已将所有与稳定剂添加量有关的数据输入计算机,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。
这些基本检查快速而简单,并应成为每次施工开始前的例行工作。
除再生机,建议对所有辅助机械及设备的操作人员进行检查,以确定他们是否以明白各自的责任,以及如何操作以确保再生施工的成功。
2)试验段施工
每个再生工程的初始路段应作为试验段,一便确定先有路面材料的特性。
该初始试验段将为施工人员和监理人员对再生施工的四个最重要影响因素的评价提供依据,它们是:
(1)再生材料的级配。
应检验再生后的材料,看其是否与实验室中进行配比设计时的样品相似。
通过筛分确定混合料设计是否恰当。
(2)转子的转速及再生机行走速度,均影响再生后材料的级配和混合料的质量。
此外,再生机铣刨和拌和腔前,装备有“破碎梁”用于调整再生材料的最大粒径。
另一个特点是后门的开或关采用液压控制。
作用在封闭门上的力可有效改善铣刨与拌和腔内材料的拌和效果。
通过优化组合上述因素即可获得满意的级配。
(3)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。
较厚的路面往往需要特殊压实工艺。
而初始试验段恰好为比较各种压实方法提供了机会。
(4)膨胀性。
已损坏旧路面的沥青层往往具有较低的空隙率,原天然材料得到了很大程度的密实。
这种材料再生后往往体积增加,从而影响完工路面的高程。
(5)初始试验段的施工将使操作人员,监理人员以及管理人员在没有进度压力的情况下进行施工,可以全面了解到再生材料的有关特性。
3.2.3就地冷再生施工
1)就地冷再生施工中的注意事项
如果上述的准备工作进展顺利,一般在施工中不会出现什么问题。
然而,一旦施工开始,经验丰富的监理人员应对施工状况进行一系列连续的检查,这对获得预期的施工效果是非常重要的。
特别应密切注意以下几点:
(1)再生机两侧的工作深度。
此外,再生作业面底端的水平应对照测定的参考面定期检查。
(2)作业面是否正确,重叠是否合适.为帮助操作者,导向线一定要固定在作业面的边缘.
(3)行进速度。
最佳的拌和速度介于6-12m/min,它取决于作业深度、再生的材料和添加剂。
必须禁止任何要求再生机以最大行进速度施工的做法。
(4)再生材料的含水量必须确保压实的要求。
经验丰富的监理人员可以根据感觉很快做出评价。
(5)再生材料是否达到预期效果。
再生施工的生产率主要由再生机的类型和数量决定。
有时单方向的施工,需要使用1台以上的再生机。
采用多台机器“一前一后”的作业方式进行全宽度施工而无需进行二次作业以完成再生的全部宽度。
这种施工方式要求在再生机转向相邻作业面前确定理想的作业长度,作业长度一般受所用的稳定剂决定。
不同的稳定剂有不同的要求:
(1)采用水泥作为稳定剂时,一次性施工长度一般较短,以便有足够的时间对整个半幅路段进行再生,要在水泥材料终凝以前完成再生层的整形和压实以及表面处理。
(2)采用泡沫沥青或乳化沥青作稳定剂时,罐车的容积也是决定因素之一,一般在罐车用空之前不应停顿,倒车或掉头,而应继续该作业面的施工。
与稳定剂有关的两个因素也很重要:
(1)当进行具有一定横坡度的道路的再生施工时,再生材料有沿坡度向低处移动的趋势。
这种趋势一般在横坡超过4%时较为明显,且多见于浅层(<150mm)再生。
此时,建议在进行相邻作业面的再生前先采用平地机进行整形,以恢复路面形状并保证有足够的重叠量。
另外,增加重叠宽度也常常用于解决该问题。
(2)应始终通过人工检查稳定剂的实际用量,以便确保与所再生的面积相符合。
2)横向接缝
每次施工开始或终止会形成横穿作业面,并造成作业面不连续的横向接缝。
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,施工中应尽量减少停机现象。
在不可避免的情况下,应对所形成的横缝进行认真处理。
合理处理这种横缝的关键是需要首先弄清再生机拌和腔内的情况,尤其是稳定剂的添加过程。
绝大多数问题均为添加剂或水在横缝处的过量或不足引起的。
影响横缝的两个最重要的因素如下:
(1)再生施工开始时,所有准备必须严格依次进行,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达到喷洒杆前排除。
如果排气不当,有可能在再生施工开始的最初几米内,材料中无添加剂,从而导致路面内出现过湿(或干)路段。
(2)当停止和开始进,行进速度放慢。
尽管由计算机进行自动控制,很低的行进速度(<2m/min)和较低的用量要求,可能导致喷嘴上的作用压力降低到液体不能有效注入。
解决这个难题的最好方法是对接缝区域进行预以保证接缝有效宽度上的材料得到处理。
开始时,操作员应开足马力,快速达到正常的施工速度。
与摊铺沥青相似,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。
3)材料的摊铺
再生后,再生材料必须置于其终位并经压实以获得所需的密实度。
然而,如前所述,履带式再生机在其后部常装有熨夹板来完成再生料的摊铺,一般不需要平地机整平。
4)压实
再生材料的压实度是决定维修路面未来性能的重要原因之一.
(1)影响现场密度的因素,受到下承层特性的影响,还有再生材料的类型决定了其能达到的密度水平。
(2)获得最大现场密度。
在采用振动压路机时应该注意:
①当使用压实测定仪监控密度时,主要压路机必须装备此装置。
②当采用轮胎式再生机时,主要的压路机经常紧随在再生机后面。
③在仅采用低幅震动压实厚层面的地方.有时发生“弹簧”现象。
④如上所述,以最小的压实功达到要求的密度,含水量是关键因素。
⑤许多工地犯有“过压”的错误。
3.3就地冷再生施工的质量控制
我国目前还缺乏路面现场冷再生的施工规范,经过分析现场冷再生路面的施工质量控制方法,主要包括以下内容:
3.3.1就地冷再生路面的施工质量控制内容
1)铣刨下来的旧路面混合料的级配要求;
2)最佳含水率和通风养生;
3)现场冷再生路面施工的质量控制、质量保证的要求:
①现场冷再生的材料要求(旧料、沥青、添加剂等);
②现场冷再生的混合料技术要求(体积参数、性能指标、级配要求等);
③现场冷再生施工技术要求(准备、施工、验收等)。
3.3.2就地冷再生路面的性能观测
再生前对路面的状况(平整度、抗滑、破损状况等)进行调查和评价,对于完工后的现场冷再生路面进行定期观测(平整度、抗滑、破损状况等),并与同期新建路面的使用情况作对比,研究现场冷再生路面的路用性能。
4总结
由于沥青路面冷再生节约了大量的建设和养护资金,减少了资源的浪费和环境的破坏,具有巨大的经济效益和社会效益,目前路面冷再生技术在我国还处于试验推广阶段,在强调可持续发展的今天,相信随着冷再生机制造技术的不断创新,冷再生工艺将会日益趋于完善。
本着“提高资源综合利用效率,保护环境”的原则,采用性能完善的冷再生设备进行道路冷再生养护施工,也将会为中国的道路养护做出新的贡献,对我国公路的建设发展都具有特别重要的意义。
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