泡沫瀝青冷再生技術簡介

王銳軍 李國芬 李強

摘 要：由于泡沫瀝青具有良好的現場性能和環境友好的優點，泡沫瀝青冷再生技術已成為公路建設和養護發展的一個重要方向。本文從泡沫瀝青及其發泡機理、泡沫瀝青冷再生混合料、泡沫瀝青冷再生技術及其施工工藝等方面對泡沫瀝青冷再生技術進行介紹。

關鍵詞：泡沫瀝青; 冷再生混合料; 冷再生技術; 施工工藝

中圖分類號：U414? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）10-213-002

1.技術背景

目前公路建設提倡資源節約、環境友好的綠色發展理念[1]。近年來，泡沫瀝青作為瀝青結合料進行冷再生又引起了廣泛注意并得到新的應用[2]。泡沫瀝青冷再生技術有效地解決了廢舊路面原材料在城市中的堆放、垃圾排放、廢棄物污染環境等方面的問題，實現了對路面廢舊原材料進行再生和循環的綜合利用，減少了石料等礦物資源的開采，降低了道路養護維修成本，符合國家循環經濟、可持續發展和節約資源、環境友好的發展目標，社會和環境效益明顯。

2.泡沫瀝青冷再生混合料

2.1泡沫瀝青及其發泡機理

在極短的時間內將眾多細微水體顆粒噴入高溫瀝青中，水體顆粒遇熱形成氣泡使瀝青體積迅速膨脹，從而產生大量的瀝青泡沫，瀝青泡沫隨后會出現破裂，這種包含水、氣、瀝青的三相混合體就是泡沫瀝青[3]。當泡沫瀝青與集料相互接觸時，瀝青泡沫瞬間就變成了數以萬計的小顆粒而散布在細料的表面，形成了一層黏稠附著大量泡沫瀝青的細料和其他填料的縫料，經過拌和與壓實，這些縫料可以均勻填充在不同粗料之間的孔洞中，使得泡沫瀝青冷再生混合料整體內部結構更加密實穩固，從而其強度得到提高。

瀝青的發泡效果是制備泡沫瀝青冷再生技術工藝中的重要問題之一，對泡沫瀝青冷再生混合料的性能產生了較大的影響。目前，我們評價瀝青發泡效果的主要技術指標是它們的膨脹率與半衰期[4]。膨脹率是指當瀝青發泡充分膨脹時所能夠達到的最大體積和泡沫徹底消失時的平均體積百分數之比;半衰期是指將泡沫瀝青由最大的體積逐漸下降至最大體積一半而持續所必須經過的時間。一般認為，膨脹率越高，同時半衰期持續越長可作為最優的發泡效果[5]。目前人們普遍認為理想的發泡效果應該是膨脹率超過10倍，且其半衰期不低于8s。

2.2泡沫瀝青冷再生混合料

泡沫瀝青冷再生混合料通常是由多種不同的材料共同組成，即舊式路面筑路材料中的瀝青混凝土或小塊碎石與泡沫瀝青、新集料、水泥、礦粉按一定比例混合后加水拌合，經過壓實得到的一種再生料。

從材料構成方面講，泡沫瀝青冷再生混合料中既包括有機結合料的瀝青，又包括無機結合料的水泥，所以泡沫瀝青混合料是一種介于半剛性和柔性之間的材料，其強度接近半剛性材料，但也表現出一定的柔韌性[6]。泡沫瀝青冷再生混合料在一定程度上充分兼顧了二者的共同特性，既具備了較好的抗車轍性能，又具備了較好的耐疲勞性能。在泡沫瀝青冷再生混合料形成過程中，泡沫瀝青先與混合料中的細集料、礦粉結合形成泡沫瀝青膠漿，然后再以“點焊”的形式將粗集料黏結在一起。由于泡沫瀝青是以點狀分布于集料表面的，未對集料顆粒進行完全裹附，這在一定程度上節約了瀝青用量，經濟效益顯著。

3.泡沫瀝青冷再生技術

泡沫瀝青冷再生技術可以分為廠拌冷再生和就地冷再生這兩種技術，二者均能夠大量乃至100%地充分利用原有的路面結構層筑路材料，對于緩解局部區域舊料的堆放和減少廢棄物在舊料運送中的問題有著重要意義。

廠拌冷再生技術主要指的是將舊瀝青路面材料經過大型銑削機進行回收，然后在特定的廠拌冷再生設備上添加新的泡沫瀝青粘結劑，并與新集料和原路面舊料拌和均勻，最終通過攤鋪壓實設備應用到路面上的綜合應用工藝。就地冷再生技術主要是指采用專門的泡沫瀝青就地冷再生裝置，對舊瀝青路面進行現場冷銑刨加工，然后在其中摻入一定的泡沫瀝青、新集料、水泥、礦粉及拌和用水，經過正常的拌合、攤鋪、碾壓等步驟，一次性完成鋪筑瀝青路面的再生技術。泡沫瀝青就地冷再生技術具有施工簡單、不損壞路基、施工成本低和節能環保等優點。

根據再生技術的不同，材料組成設計方法具有明顯差異[7]。相較于泡沫瀝青的就地冷再生技術，廠拌冷再生技術可以更有效地提高和改善瀝青路面的施工質量和路用性能。在應用過程當中，我們可以根據工程實際情況擬定再生技術方案，選擇合適的再生工藝，采用其中一種或二者組合的工藝形式進行施工。

4.泡沫瀝青冷再生施工工藝

由于環境和經濟原因，泡沫瀝青冷再生技術被認為是一種有效的維護和修復技術。然而，泡沫瀝青冷再生方法的選擇、穩定劑種類及用量的確定、設計方法的優化等都對泡沫瀝青冷再生路面的最終性能有著重要的影響。一旦其中一個步驟出現問題，就會出現諸如車轍、濕氣損壞和斷裂等問題。隨著道路工作時間的延長，車轍和裂縫越來越嚴重，特別是路面開始“疲勞”和抗疲勞斷裂性能的惡化，會導致泡沫瀝青冷再生路面開裂，行駛質量急劇下降。因此，在泡沫瀝青冷再生技術的實際工程應用中，現場施工工藝是泡沫瀝青冷再生技術實現預期路面性能的一個關鍵步驟。

4.1施工工藝

一般來說，整個泡沫瀝青冷再生施工流程包括舊瀝青路面的銑刨、級配控制、穩定劑添加、混合料澆筑、壓實和面層施工等程序。

銑刨是利用銑刨機或粉碎機進行銑刨加工的，既可獲得既有路面材料（包括面層），也可獲得底層材料。銑床的粉碎深度取決于機器的類型和功率。隨著冷再生設備的發展，路面再生系統開發的粉碎機最大深度可達18英寸。當粉狀物料需要進一步粉碎和分級以達到設計級配時，必須進行級配控制，通常采用拖車式篩分和破碎設備來實現這一目標。然后將指定的穩定劑添加到分級的粉末材料中，在拖車式攪拌機中進行。然而，級配控制、穩定劑添加和混合料拌和過程都可以由現代銑床完成。傳統的瀝青攤鋪機和平地機是完成泡沫瀝青冷再生混合料攤鋪過程的兩種常用攤鋪機械。前者應用廣泛，后者多用于交通流量較小的場合。大型振動鋼輪壓路機和大型充氣輪胎壓路機是獲得所需密度的兩種典型壓路機。

4.2施工質量控制

施工質量控制是實現泡沫瀝青冷再生技術應用目標的最后一道工序。如果忽視這一部分或缺乏足夠的重視，最終的路面性能將與預期結果相差甚遠。實際上，有許多質量控制方面需要注意，包括再生深度、壓實度、溫度、養護時間、密度/壓實度和路基條件等。一般的質量控制大多是由公路管理機構的經驗決定的。

因此，在泡沫瀝青冷再生施工過程中應嚴格考慮回收深度。例如，泡沫瀝青冷再生混合料最好壓實到50至100mm的深度。如果深度小于50mm，則在施工過程中可能出現離析問題。相反，如果深度大于100mm，則養護可能是一個重要問題。泡沫瀝青冷再生混合料的壓實過程也應嚴格控制，現場壓實是施工的關鍵步驟，嚴重的問題可歸因于初始壓實量過大。為防止壓實設備使用不當，防止“架橋”現象的發生，必須注意初壓。建議使用僅在高振幅振動模式下運行的重型光鼓或墊足振動壓路機對再生材料進行初始壓實，同時應根據再生層的厚度確定靜壓壓路機的質量。在鋪設磨損表面之前，還必須考慮養護時間。通常，養護過程應繼續進行，直到含水量降至1～1.5%。在夏季，養護時間通常為一到兩周。對于瀝青磨耗層，為保證足夠的養護時間，再生基層應采用開級配。相關研究表明，在恒定濕度水平下，較長的養護期將導致較高的間接拉伸強度;在養護初期，間接拉伸強度沒有增加，但在養護后期，間接拉伸強度增加，同時，隨著養護時間的增加，動態模量和流動數都相應增加。

溫度是施工過程中必須考慮的關鍵因素。然而，在泡沫瀝青冷再生施工工藝中，很少考慮銑刨料（RAP）溫度的影響。有研究表明，RAP溫度對泡沫瀝青冷再生混合料的濕間接抗拉強度有顯著影響。同時，當RAP溫度達到55℃時，現場最佳泡沫瀝青摻量降低了約0.5%。因此，建議在施工時將RAP材料加熱到適當的溫度。

4.3現場測試方法

4.3.1路面取芯法

路面取芯法與開挖試坑或檢查孔的方法相比，具有破壞性小、效率高的優點。在這個過程中采用了旋轉鉆孔。此外，結合層的厚度可由芯樣準確確定，而且通過對試件的試驗，可以得到試件的體積組成和無側限抗壓強度。目前采樣的趨勢是通過取芯獲得樣品，通常為6英寸（直徑為150 mm），然后在實驗室對芯樣進行測試。通過現場取芯和室內試驗，可以確定代表泡沫瀝青冷再生施工現場的樣品級配。也可以采用鋸切法進行塊狀取樣，但通常比取芯法成本更高。

4.3.2DCP探頭

動態圓錐貫入儀（DCP）探頭是由一根帶有硬化鋼錐尖的鋼桿組成，鋼桿錐尖使用標準質量的落錘以恒定距離打入路面。另外，材料的原位承載強度可以用貫入速率來表征。一旦穿透率改變，就達到了層與層之間的邊界。此外，由貫入率得出的繪圖結果可用于指示路面層的厚度和特性。在實測分析的基礎上，借助于計算機軟件可以得到現場加州承載比（CBR）、回彈模量和層厚等數據信息。

4.3.3探地雷達

挖探坑法、路面取芯法和DCP法是確定路面層厚的三種傳統方法。然而，這些方法的缺點，如耗時，昂貴，交通中斷等在一定程度上限制了它們的發展。而探地雷達（GPR）作為一種無損檢測（NDT）方法，被用來作為一種道路工程診斷工具來探測泡沫瀝青冷再生路面信息。具體來說，探地雷達可用于確定損傷位置，評估泡沫瀝青冷再生路面面層厚度和相關材料特性。有研究表明，探地雷達是一種有效的道路工程診斷工具，可以減少與原位厚度估計相關的不確定性，并準確量化原位結構成分。為了系統地檢測現場路面信息，探地雷達常與落錘式彎沉儀結合使用。具體來說，前者用于估算層厚，后者被用來評價泡沫瀝青冷再生路面的早期使用性能。此外，探地雷達還可用于測定含水道路工程材料的密度。

4.3.4落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）測試是泡沫瀝青冷再生路面施工現場監測和測試的常用工具。FWD可用于評估其結構條件和建立性能模型等，相關評價參數可從FWD數據中獲得，包括撓度、剛度、結構承載力和結構編號。Loizos等人利用FWD-NDT技術和芯樣試驗，對泡沫瀝青冷再生路面的裂縫進行了評估。

4.3.5NNDG和PSPA

非核密度計（NNDG）可以收集和分析大量的數據。NNDG通常用于測量泡沫瀝青冷再生路面初始壓實完成后的路面密度，因為數據受到壓實前不穩定的空隙率和水分的顯著影響。基于超聲表面波理論，便攜式地震屬性分析儀（PSPA）可以快速測量地震模量。現場地震模量可以用PSPA估計。相關學者采用NNDG和PSPA對泡沫瀝青冷再生層的密度和剛度進行了測試。研究發現，NNDG和PSPA可用于監測泡沫瀝青冷再生層的質量，確定中間部分和接縫處施工不良路段的位置。

5.結語

綜上所述，泡沫瀝青冷再生技術是一種通過就地或者廠拌等方式將原來的路面廢棄物和舊瀝青材料重新進行再利用，極大的節省了自然資源，一定程度上解決了對環境的污染，顯著降低了集料的利用率和使用成本，社會價值及其經濟效益顯著。此外，由于泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率較大，其力學強度較低。在后續研究中，應著重于優化級配設計和施工工藝，從宏細微觀等多層次、多角度對其強度形成機理進行探究，從而提高力學強度。

參考文獻：

[1]王雨楠，呂衛幫.不同加速養生方式泡沫瀝青冷再生混合料宏細觀結構性能研究[J]硅酸鹽通報，2021，40（01）：330-339

[2] Kar S S， Swamy A K， Tiwari D， et al. Impact of Recycled Asphalt Pavement on Properties of Foamed Bituminous Mixtures[J]The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering， 2018， 13（1）：14-22

[3]李強，許傲，陳浩，商健林，張帥.級配和水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料路用性能的影響[J]鐵道科學與工程學報，2021，18（02）：402-407

[4]王偉.泡沫瀝青發泡效果評價方法簡析[J]公路交通科技（應用技術版）， 2018， 000（005）：P.84-85

[5] Bitolog M， Bouraima M B， Zhang X H ， et al. Effect of Temperature and Asphalt Binder Type on the Properties of Foamed Asphalt Mix[J] Matec Web of Conferences， 2018， 206

[6]董雨明，關彥斌，邢鵬.走近瀝青路面材料再生技術[J]中國公路，2020（07）：14-21

[7]Zhang J. Investigate of Mechanism and Rules of the Foamed Asphalt Mixture Strength[C]// Icctp. ASCE， 2010