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沥青混合料厂拌冷再生技术在昌九高速公路技术改造项目中的应用

 

项目实施单位:江西赣粤高速公路股份有限公司

   

综合点评
   
目前,传统的基于强基薄面设计理念的半刚性基层沥青路面是我国高速公路路面的主要结构形式,这种路面虽然减少了初期投资,但是由此也带来了早期损坏严重的弊端。因此,随着使用年限的增加,全国有越来越多的高速公路面临大修或改建工程,一方面需要大量的新基层和面层材料,另一方面还有因翻新而废弃的渣料需要环保处理,公路运营养护面临重大技术难题。
   
江西赣粤高速公路股份有限公司经营管理江西省的高速公路达558公里,且均系国家及省内高速公路网络的重要组成部分。该公司结合昌九高速公路技术改造项目,使用经过自主改造的国产水泥稳定拌合设备,利用厂拌冷再生技术实现了对原半刚性基层的柔性化转换,将厂拌冷再生层作为高速公路的上基层,实践了长寿命沥青路面的设计理念,经过2年多的特重交通考验证明,不但使用效果良好,而且还表现出优异的环保性能。
   
厂拌冷再生沥青混合料与传统的热拌沥青碎石(ATB-25)混合料相比,在不影响路面使用性能的前提下,可节省50%以上加热能源,减少的C02排放量也大于50%。昌九高速公路利用厂拌冷再生技术进行技改的路段90公里,与热拌沥青碎石(ATB-25)混合料相比可节省沥青7845吨、柴油418.4万升、电59.622万度, CO2排放减少4707吨。此外,还减少了路面翻修过程中废弃渣料的排放,取得了明显的节能减排效果。公司在厂拌冷再生上基层技术方面积累了丰富的经验,形成了一套行之有效的工法,可操作性强,经济效益和社会效益明显,具有广泛的推广应用前景。

    一、概况

    昌九高速公路是江西省首条高速公路,是国家干线公路网规划福银(福州至银川)高速公路在江西境内的重要组成部分,双向4车道,设计行车速度100km/h,全长约133.4km。一期1993年建成通车,二期1994年通车,三期1996年建成通车。实施技改时,已运营1013年。
   
尽管养护成本在逐年增加(1998年为1252万,2004年已达7700万),但是随着经济发展,交通量增大(见表1),路面损坏却日益严重、性能每况愈下,主要病害是网裂水损害和车辙。现有的以挖补、罩面为主的养护方式,费用高且治标不治本,已难见成效。这一方面说明昌九高速公路原路面结构已满足不了日益增长的交通需求;另一方面,从使用年限看,昌九高速公路原路面结构也已接近使用寿命,急需改建。


   
1 昌九高速公路交通量调查

年份

一期

(蛟桥至十里铺)

二期

(南端连接线)

三期

(北端连接线)

自然车辆

(辆/日)

累计轴载

次数(次)

自然车辆

(辆/日)

累计轴载

次数(次)

自然车辆

(辆/日)

累计轴载

次数(次)

1993

5261

623846

 

 

 

 

1994

6874

1438961

9242

1095911

 

 

1995

6139

2166919

7538

1989762

 

 

1996

8569

3183026

11129

3309432

8277

981481

1997

8995

4249648

13307

4887368

8265

1961540

1998

9973

5432240

10805

6168618

9839

3128242

1999

11060

6743728

11635

7548289

8238

4105099

2000

14186

8425895

15691

9408918

14040

5769954

2001

17069

10449926

17826

11522714

15195

7571767

2002

18390

12630601

19216

13801335

16365

9512319

2003

19730

14970172

20628

16247390

17552

11593624

原设计累计轴载Ne=2204350(次),原设计轴载远远不能够满足实际承受轴载的需要

 

    江西赣粤高速公路股份有限公司会同相关单位在进行了近3年的摸索和试验后,决定对昌九高速公路实施大规模技术改造,进而全面提升服务水平,取得了较为显著的社会效益、经济效益和环境效益。200511月至20062月,赣粤公司联合同济大学交通运输工程学院编制完成了《昌九高速公路技术改造项目规划方案》,并通过了国内知名专家评审。结合路面弯沉和路面结构层的损坏情况制定了2006年度计划实施的25公里长路段的技术改造实施方案,其中的15公里采用了沥青混合料厂拌冷再生技术。20075月,江西省高管局组织知名路面专家召开了《昌九高速公路沥青混合料冷再生技术鉴定会》,鉴定意见认为,针对昌九高速公路技改工程中将产生大量沥青混合料的现状,从环境保护、节约资源、降低工程成本的角度出发,采用厂拌冷再生沥青混合料作为补强路段的上基层,具有十分重要的现实意义。再生方案既有理论支撑,又有20052.3公里就地冷再生和200615公里厂拌冷再生试验路的实践验证,论据充分,试验和检测数据详实,各技术指标符合设计要求,说明沥青混合料厂拌冷再生上基层在昌九高速公路技改工程的应用是可行的。
   
鉴于厂拌冷再生基层方案设计方法、施工技术及工艺合理可行,经济效益和社会效益显著,该项技术在昌九技改工程中得到了大面积推广应用(75公里),并于2007年国庆节前全面完工并投入使用。昌九高速公路90公里路段的技改工程沥青混合料冷再生上基层技术,其中K47K49.32公桩2.32公里就地冷再生路段已通车3年,K28K48公桩15公里厂拌冷再生路段已通车2年,这些路段每天累计承受自然车辆约2.2万余辆,根据计重检测结果,重车比例高达35%(交通等级为特重交通),目前使用状况良好。经路面状况调查,除车辙外(表2),没有发现裂缝和其它类型的损坏。根据现行《公路沥青路面养护技术规范》的规定,车辙深度≤15mm,冷再生试验路应以日常养护为主,不需要小修。

 

    二、项目原理
    由于受到半刚性基层的裂缝、模量过大等问题的影响,沥青路面经过数年的使用,就会发生较严重的损坏,基本丧失了应有的性能,往往需要铣刨掉。在制定面层的维修方案时,为减小半刚性基层对面层的不利影响,可在原基层上加铺一层模量较小的新基层(柔性基层),昌九高速公路的技术改造工程就是基于这一思想进行的。昌九高速公路厂拌冷再生技术,是将要废弃的沥青路面,经过铣刨、回收、破碎、筛分,用新集料(矿粉)、乳化沥青、水泥、水适当配合,重新拌制,形成符合路用性能要求的再生沥青混合料,铺筑在基层之上形成上基层的整套技术。 

车辙调查结果

冷再生类型

通车

时间

车辙深度

最大值/mm

车辙深度

平均值/mm

车辙养护

质量标准/mm

就地冷再生路段

3

8.76

5.09

15

厂拌冷再生路段

2

7.83

3.25

15


   
(一)路面结构确定
   
根据长寿命沥青路面设计理念(见图1),面层顶部厚度16cm左右的范围为高受力区,应采用高质量的沥青混合料,这部分沥青混合料还必须起到抗车辙、抗滑、抗水损坏的作用,为此需选用路用性能较好的热拌新沥青混合料(见图2)。

 

 
长寿命沥青路面

 

2 采用冷再生技术改造后昌九路路面结构

 

    原沥青面层厚度16cm,按照100%利用原沥青面层材料的原则,考虑铣刨、筛分等环节的损失,原沥青面层材料的实际利用率约为75%80%,由此,可以确定冷再生上基层的厚度约为12cm(见图2)。
   
(二) 路面结构分析
   
为了使路面结构的理论计算结果能较准确地模拟路面的实际受力状态,在试验路铺筑时,采用弯沉反算的路面结构层模量作为路面结构分析的计算参数(见表3)。原路面结构和冷再生路面结构的有限元分析计算结果见表4
 

3 路面结构计算参数

结构层

厚度/cm

泊松比

模量/MPa

上面层

4

0.35

2599

中面层

6

0.35

2507

下面层

6

0.35

1706

冷再生上基层

12

0.35

3133

基层

22

0.2

6035

底基层

33

0.35

315

路基

/

0.4

45


4 有限元分析计算结果

原路面结构

冷再生路面结构

路基顶面

最大压应变/με

基层最大

拉应变/με

面层最大

剪应力/MPa

路基顶面

最大压应变/με

基层最大

拉应变/με

冷再生上

基层最大

拉应变/με

面层最大

剪应力/MPa

157

44

0.217

125

26

27

0.227

 

分析表4的结果可知:
   
1)冷再生路面结构的路基顶面最大压应变为125με比原路面结构的小32με。根据长寿命沥青路面的设计理念,路基顶面最大压应变越小越好,为了使沥青面层不出现源于层底的疲劳开裂和结构性车辙,应限制路基顶面最大压应变小于280με。参照此理论,冷再生路面结构优于原路面结构。
   
2)冷再生路面结构的水泥稳定碎石半刚性基层最大拉应变为26με是原路面结构的61.4%,按照水泥处治材料的疲劳方程(常用)εt/εb=a-blgNf,冷再生路面结构半刚性基层疲劳寿命将是原路面结构半刚性基层疲劳寿命的1000倍以上,也就解决了原路面结构半刚性基层的疲劳开裂问题。
   
3)冷再生上基层的最大拉应变为27με小于冷再生沥青混合料的疲劳极限应变,说明冷再生上基层不会出现疲劳开裂。
   
4)虽然冷再生路面结构的面层最大剪应力为0.227MPa比原路面结构的大了0.01MPa,但是按照沥青混合料抗剪强度的检测方法,测定的冷再生路面结构上、中、下面层芯样的抗剪强度分别为1.032MPa1.116MPa0.533MPa,都远大于0.227MPa。由应用最广泛的车辙预估方法可知,该冷再生路面结构的面层具有较好高温稳定性能和抗车辙性能。
   
路面结构的有限元分析表明,沥青混合料冷再生上基层弥补了原水泥稳定碎石基层的裂缝、模量过大等缺陷,实现了对原半刚性基层的柔性化转换,满足了长寿命沥青路面设计理念的要求,有效治理了我国上世纪九十年代大量建设的强基薄面的质量通病,提高了路面耐久性。

 

    三、项目生产工艺
   
由铣刨机对所要再生的沥青混凝土路面全厚度一次铣刨得到冷再生沥青混合料材料RAPreclaimed asphalt pavement),为较好的控制冷再生沥青混合料的级配组成,将RAP筛分成010mm(细)和1030mm(粗)两种,并分开堆放。根据《公路沥青路面再生技术规范》和《美国沥青再生指南》的级配范围,确定的粗、细RAP及矿粉(由于RAP中粒径小于0.075mm的颗粒含量很少,需外掺少量的矿粉)的掺配质量比为,粗RAP:RAP:矿粉=43:57:2.4,具体的级配见表5
   
根据《公路沥青路面再生技术规范》和《美国沥青再生指南》的乳化沥青冷再生混合料的设计方法,确定的乳化沥青(含有60%的重交通70号沥青)用量、水泥用量、拌合用水量分别为:2.5%1.5%3.5%(配合比试验结果见表6)。

5 添加矿粉的RAP级配

级配类型

通过下列筛孔(方孔/mm)

质量百分率/%

31.5

26.5

13.2

4.75

2.36

0.3

0.075

RAP和矿粉

100

99.0

70.9

41.8

24.6

4.2

2.3

级配范围

100

90100

6080

2560

1545

320

17


6 冷再生混合料配合比试验结果

技术指标

单位

试验结果

技术要求

空隙率

%

10.7

912

40马歇尔稳定度

kN

20.6

5

15劈裂强度

MPa

0.66

0.3

冻融劈裂强度比

%

72.1

70

20疲劳极限应变

με

4080

/

20抗压回弹模量

MPa

1146.3

/


   
根据冷再生混合料配合比试验的数据,使用国产水泥稳定粒料拌合机按照配合比设计的比例进行再生拌合,因为对粒料进行了二次筛分,分成二档粒料进行拌和,保证了再生混合料的级配稳定,保证了混合料的质量。采用国产水稳拌合机进行胶结材料计量称重系统改造,以满足胶结材料称重精度要求,并在水稳拌合机上添加乳化沥青称重喷洒系统。经过设备技术改造后,完全能满足沥青混合料厂拌冷再生的拌合要求,与进口设备相比,节省大量设备投资。拌合后的混合料用翻斗运输车拉至施工现场进行摊铺、碾压成型,在再生上基层上摊铺新的沥青混凝土面层。

     四、项目保证措施
   
做好前期调查,保证设计质量:RAP中的沥青老化程度必须加强检测,以保证再生混合料的质量。
   
提高设备精度,保证拌合质量:再生混合料中掺加的水泥、乳化沥青的胶结材料用量相对比较少,拌合设备的计量系统应准确。
   
改进施工工艺,保证施工质量:施工拌合好的再生沥青混合料应在规定的水泥凝结时间内进行摊铺,并完成碾压。厂拌冷再生沥青混合料由于是冷拌合,在摊铺碾压中要注意碾压工艺,保证再生混合料的压实。

    五、项目成效
   
(一)社会效益
    1988
年沪嘉高速公路建成通车以后,我国的公路建设进入了以高速公路为主的新时代,随着使用时间的增加,1999年前建成通车的1.1万公里高速公路,已接近或达到了设计寿命期,有些路面的破损已相当严重,必须进行大修,高速公路大修需要大量的资源和能源,同时还会排放污染物。将再生技术用于高速公路大修,既可以实现路用材料和资源的可持续利用、降低维修成本,又可以在尽量减少废弃材料的环境污染和处理费用的前提下,全面恢复或提高原路面的路用性能,实现高速公路社会效益、经济效益与环保效益的和谐统一。
   
(二)经济效益分析
   
与常用作柔性基层的热拌沥青碎石(ATB-25)混合料相比(表7),冷再生沥青混合料的冷再生沥青混合料的经济效益非常显著。并且,通过这种再生施工,可以节省由于处理废弃混合料而产生的巨额运输和处置费用,降低工程成本。

 

7   冷再生沥青混合料和ATB-25沥青混合料的价格

混合料类型

出厂价格

冷再生沥青混合料

390/m3

ATB-25,结合料为重交通50号沥青

681/m3

ATB-25,结合料为重交通70号沥青

667/m3


   
ATB-25(常被用于柔性基层)混合料相比,冷再生沥青混合料在以下三个方面节约了能源和资源(见表8):①沥青,冷再生沥青混合料需添加1.5%的沥青(乳化沥青含量2.5%,乳化沥青中沥青的含量为60%),而ATB-25混合料的沥青含量最少也要3%;②节约加热能源,冷再生沥青混合料拌和时不需要加热,而生产一吨热拌沥青混合料通常需要的加热能源是8升柴油;③降低用电量,RAP是已损坏的沥青路面经铣刨(带有破碎过程)后产生的,基本都可以直接筛分拌和使用,而新的碎石材料必须破碎后才可以拌和使用。


冷再生沥青混合料的节能效果

类型

沥青(吨)

柴油(升)

破碎碎石用电(度)

1吨冷再生沥青混合料

0.015

0

0

1吨热再生沥青混合料

0.03

8

1.14

1吨热拌沥青混合料(ATB-25

0.03

8

1.14

昌九高速技改工程的总节能

7845

4184000

596220


   
(三)环保效益分析
    1.
减少土地污染
   
昌九技术改造全线再生利用的旧沥青路面材料为24.54万方,若废弃至少永久占用并污染土地70亩,约合每公里占地0.72亩。
    2.
减少不可再生资源的开发
旧沥青路面材料的再生利用,必然可以大量节省筑路用的石料、沥青等不可再生资源。而且新石料的开采还会导致森林植被减少、水土流失等严重的生态环境破坏。昌九高速技改,节省的矿山资源约48.6万吨。
    3.
减排
   
使用1吨热拌沥青混合料会排放18公斤CO2(热再生沥青混合料的CO2排放量与热拌沥青混合料相差不大),据国家环境分析测试中心检测,采用冷再生技术至少可节省加热能源50%(乳化沥青的生产要加热),同时减少CO2排放50%以上。昌九高速技改工程冷再生沥青混合料的CO2排放量见表6,如果使用热再生混合料或热拌沥青混合料,其CO2排放量将大大增加(见表9)。

 

9  CO2排放量对比

使用一吨该材料

排放的CO2量(公斤)

昌九高速技改工程排放的CO2量(公斤)

冷再生沥青混合料

9

4707000

热再生沥青混合料

18

9414000(如果采用该材料)

热拌沥青混合料

18

9414000(如果采用该材料)


    4.
改善施工条件
   
冷再生沥青混合料的生产、摊铺自始至终始终在常温条件下操作,乳化沥青和砂石料都不需加热,没有沥青烟产生,显著降低有害物质排放,改善了施工条件,有利于现场施工人员的健康。

 

责任编辑:科技信息科 张晓惠   发布时间:2014-01-17