泡沫瀝青廠拌冷再生技術在高速公路改擴建工程中的應用

王 瑩

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

根據全國交通大發展的要求，秉著低碳環保、資源再利用的原則，結合某高速公路改擴建工程建設，采用廠拌冷再生技術，將回收的舊瀝青路面材料(RAP),加入部分新集料和泡沫瀝青等按一定比例混合后再生作為新的瀝青路面材料，用于路面結構層，節約了瀝青及大量砂石材料，降低了工程造價，促進了節約型交通發展。

1 泡沫瀝青冷再生技術原理及特點

泡沫瀝青冷再生混合料由廢舊瀝青混合料、水泥、水、一定量的新集料和泡沫瀝青組成。瀝青在高溫狀態下加入少量水，會產生微細泡沫同時體積膨脹，物理性質會暫時發生變化，粘度顯著降低，可以與冷濕粒料拌和均勻，這種狀態下的瀝青稱為泡沫瀝青。處于泡沫狀態的瀝青表面張力降低，與高速攪拌狀態下的冷濕集料具有良好的裹覆性能，而這種裹覆作用在常溫下主要針對集料的細集料部分，形成高粘度的瀝青膠漿，并在壓實作用下與粗集料粘結而形成強度。

1.1 瀝青發泡原理

當高溫瀝青與常溫冷水滴接觸時，將發生反應：熱瀝青與小水滴表面進行熱量(能量)交換，水滴溫度上升至100℃，瀝青冷卻；瀝青傳遞的熱量超過了蒸汽潛熱，使其體積膨脹，產生蒸汽。蒸汽泡在一定壓力下壓入瀝青的連續相；隨著溶有大量蒸汽泡的瀝青從噴嘴噴出，壓縮蒸汽膨脹使略微變涼的瀝青形成薄膜狀，并依靠薄膜的表面張力將氣泡完全裹附；由于瀝青與水的低導熱性，這種平衡能夠維持數秒的時間；發泡過程中產生的氣泡只能以一種亞穩定態的形式存在，容易破滅。瀝青發泡的基本過程及效果見圖1、圖2。

圖1 瀝青發泡原理

圖2 發泡瀝青的效果(AH-70)

1.2 瀝青發泡效果的衡量指標

膨脹率(發泡體積倍數)和半衰期是瀝青發泡效果的兩個評價指標。膨脹率是瀝青在發泡狀態下的最大體積與未發泡狀態下的體積之比。膨脹率越大，泡沫瀝青與集料越能充分接觸，形成良好的裹附作用，拌制的混合料效果越好，本項目規定膨脹率不小于12%。半衰期是泡沫瀝青最大體積縮小到該體積一半所用的時間，該指標描述了瀝青泡沫的穩定性，半衰期越長，說明泡沫越不容易衰減，可以增加與集料接觸與拌和的時間，提高泡沫瀝青混合料的質量，本項目規定半衰期不小于10s。

1.3 影響發泡指標的因素

泡沫瀝青的膨脹率和半衰期的影響因素較多，首先是加水量，增加發泡水用量可以有效增加產生泡沫的體積，同時膨脹率增大。而單個泡沫體積的增加減少了瀝青薄膜的厚度，使泡沫不穩定而導致半衰期減小，因此，膨脹率和半衰期與發泡用水量成相反關系，如圖3所示。瀝青的穩定性直接影響到泡沫瀝青的質量，本項目采用盤錦八方實業有限公司生產的A級70#基質瀝青，各項指標符合設計要求，性能穩定。同時還受到瀝青溫度的影響，瀝青的粘度與其溫度成反比關系，當溫度增加時，粘度減小，理論上，較低的粘度，發泡過程中在水改變狀態時就會形成較大的泡沫，因此要獲得滿意的發泡效果，瀝青發泡前的溫度應控制在140℃以上。另外增加輸送管道的壓力可以使流經這些通口的液體分散(成霧狀)，從而改善泡沫的均勻性。

圖3 一定溫度下瀝青發泡特性曲線

2 回收瀝青路面材料(RAP)分析

2.1 RAP的銑刨和級配控制

銑刨料的級配是影響混合料路用性能的重要因素，而銑刨設備種類、設備運行速度、原路面級配類型等因素都會影響到RAP的級配。要想獲得理想的再生混合料級配，必須對路面的銑刨有嚴格要求。通過預銑刨，確定銑刨過程中的各項參數，銑刨的速度在4～5m/min時，不同路面結構形式級配比較接近，級配曲線適中。

2.2 RAP的預處理

廠拌再生時，回收瀝青路面材料(RAP)必須經過預處理后才可使用。使用機具將一個料堆的回收瀝青路面材料(RAP)充分混合，然后用破碎機進行破碎，使回收瀝青路面材料(RAP)最大粒徑小于再生瀝青混合料最大公稱粒徑，不應有超粒徑材料。根據再生混合料的最大公稱粒徑合理選擇篩孔尺寸，將處理后的回收瀝青路面材料(RAP)篩分成不少于兩檔的材料，材料的質量要求詳見表1。在轉運和堆放過程中避免回收瀝青路面材料(RAP)發生離析，料倉中的回收瀝青路面材料(RAP)應及時使用，避免長時間堆放。

表1 廠拌冷再生RAP檢測項目與質量要求

3 泡沫瀝青冷再生混合料配合比設計

3.1 原材料

泡沫瀝青混合料中，加入泡沫瀝青和RAP之外，還要加入少量水泥，以促使瀝青盡快破乳，提高混合料的早期強度，同時還可以改善混合料的高溫穩定性和水穩定性等性能。另外回收路用材料RAP級配不能滿足要求，必須加入新集料調整配合比。本項目泡沫瀝青冷再生混合料所選用的原材料包括：碎石(20～30mm)、RAP(9.5～31.5mm、0～9.5mm)、石屑(0～3mm)、水泥(P.O42.5緩凝)、A級70#道路石油瀝青。通過對原材料進行檢測，性能符合規范要求后，進行配合比設計。

3.2 合成級配

首先對銑刨料RAP進行合理取樣，通過篩分試驗，確定其級配，與設計級配范圍進行比較，根據需要加入新集料。混合料級配要關注0.075mm篩孔通過率，以確保有充足的細料。該項目最終礦料級配設計見表2。

表2 各礦質組成材料質量所占比例

3.3 確定最佳含水率

參照JTG E40-2007規范T0131方法，對合成礦料進行擊實試驗，確定最佳含水率。泡沫瀝青試驗用量為3.0%，根據擊實曲線，見圖4，確定混合料的最佳含水率為4.8%，且此時對應的最大干密度為2.148g/cm3。

圖4 擊實曲線

3.4 確定最佳泡沫瀝青用量

根據規范要求，預估瀝青油石比為2.9%，以2.9%為中值，按照2.3%、2.6%、2.9%、3.2%、3.5%泡沫瀝青油石比，保持最佳含水率4.8%不變，制作馬歇爾試件，制件及養生方法按JTG F41-2008附錄D執行。各組油石比試件進行15℃干濕劈裂試驗、25℃凍融破裂試驗，試驗結果見表3，通過對干濕劈裂試驗、凍融破裂試驗以及試件密度進行綜合分析，結合工程經驗，最終確定泡沫瀝青最佳油石比為2.9%，通過動穩定度性能檢驗結果合格，見表4。

表4 泡沫冷再生混合料配合比設計性能檢驗

4 泡沫瀝青冷再生施工工藝

4.1 施工準備

(1)施工前應確認下承層密實平整，強度符合設計要求。攤鋪前在下承層表面噴灑乳化瀝青，噴灑用量為純瀝青用量的0.2～0.3kg/m2。

(2)試驗段的鋪筑。施工前應在主線上鋪設不少于200m的試驗段，目的在于從施工工藝、施工管理、工程質量以及施工安全等方面驗證材料施工配合比及施工方案等的可行性，為大面積施工提供技術參數。

(3)廠拌冷再生應采用專用的拌和設備，其生產能力應與攤鋪設備的生產能力相匹配，一般不小于200t/h，且其拌和后的冷再生混合料應均勻一致，無結團成塊現象發生，既要拌和均勻，也不能產生過度拌和的現象。

(4)運輸混合料應選用載重量15t以上的自卸車，其數量滿足連續攤鋪施工需要，車輛運輸能力應超過拌和能力和攤鋪能力，不能出現攤鋪機等待料車的情況。向料車裝料時，為減少混合料離析現象，應前后移動車輛位置，平衡裝料。

4.2 攤鋪

(1)廠拌冷再生混合料施工氣溫宜在10℃以上，且不得在雨天施工。

(2)應采用攤鋪機攤鋪，熨平板不需要加熱。攤鋪速度根據拌和能力、運輸能力、攤鋪寬度和厚度等綜合確定，做到緩慢、均勻、連續不斷地攤鋪，速度控制在2～4m/min的范圍內，中途不得隨意變換速度或停頓。若攤鋪后的混合料出現明顯離析、波浪、裂縫、拖痕時應及時停止工作，分析原因并予以消除。松鋪系數根據試驗段鋪筑的結果確定，一般在1.25～1.30之間。

4.3 壓實

(1)鋼輪壓路機、輪胎壓路機的數量及噸位要依據再生層厚度、壓實度等要求來確定。單幅攤鋪寬度不超過4.5m時，宜配備16t以上單鋼輪振動壓路機、25t以上膠輪壓路機、11t以上雙鋼輪振動壓路機各一臺；單幅攤鋪寬度超過4.5m時，宜配備上述壓路機各兩臺。

(2)根據試驗段確定合理的碾壓工藝。經驗不足時可參照下述工藝實施：初壓采用雙鋼輪壓路機1～3遍，第一遍前進采用靜壓方式，其它壓實遍數在不發生混合料推移的情況下都應采用振動壓實；復壓采用單鋼輪壓路機振動壓實3～5遍，終壓采用輪胎壓路機靜壓4～6遍，根據需要確定是否采用雙鋼輪壓路機靜壓收光。初壓速度宜為1.5～3km/h，復壓和終壓速度宜為2～4km/h。

4.4 養生及開放交通

(1)冷再生層養生后方可再加鋪上層結構，一般養生時間為3～7d，不宜少于48h。當再生層用Φ150mm鉆頭的鉆芯機可取出完整的芯樣或含水率低于2%時，可結束養生。

(2)不應通過添加大劑量水泥的方式提高冷再生混合料早期強度。

(3)冷再生層宜在封閉交通條件下自然養生，24h后根據工程需要允許小型車輛通過，但應嚴格限制重型車輛。車輛行駛速度應控制在40km/h以內，并嚴禁車輛在再生層上調頭和急剎車。

5 結語

泡沫瀝青冷再生混合料作為柔性基層應用到高速公路改擴建工程中，改變了單一的半剛性基層加鋪瀝青路面的結構狀況，優化了路面組合形式，延長了路面使用壽命，同時將廢舊路面瀝青材料再生利用，變廢為寶，達到了節約資源、環境保護的目的。加強和推廣泡沫瀝青冷再生技術的應用具有十分重要的意義。