公路泡沫沥青冷再生技术及产生原理与特点

王玉贵

（贵州省黔东南州交通建设工程公司，贵州 黔东南州 556000）

沥青路面的再生技术是国外20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新技术,目前已成为国际上道路维修改造的主要方法之一,根据我国目前修建道路的情况,按照沥青路面的设计寿命 (15～20年),20世纪90年代以后陆续建成的高速公路已进入维修养护和改造阶段,每年约有12%的路面要大修,初步估计每年的沥青路面废弃材料约为220万吨。如采用传统的方法将大量翻挖、铣刨的沥青混合料全部废弃,一方面造成环境污染,另一方面对于优质沥青较为匮乏的我国来说是一种资源的极大浪费。因此,必须采用一种既能维持道路的正常运营,又能合理处置废旧路面材料、更为经济适用的路面再生技术。

1 泡沫沥青混合料的技术性能和设计方法

1.1 技术性能

1.1.1 温度稳定性。泡沫沥青混合料的温度敏感性较常规的HMA低。泡沫沥青的高温稳定性和低温抗裂性均优于热拌沥青混合料。

1.1.2 抗车辙性能。有关抗车辙性能的研究比较少。如澳大利亚交通部门曾采用ImageFlats的材料进行了两种方式的泡沫沥青混合料车辙试验,即压实后立即试验和压实后24h试验。试验结果相差很大,前者在不到2000次时车辙深度就超过14mm,而后者经过10000次轮碾试验,车辙深度仍小于1mm。

1.1.3 水稳定性。泡沫沥青混合料的强度特性与含水量密切相关,因为该类混合料的沥青用量相对较少,而空隙率较高。为了提高混合料的水稳定性,必须采用较大的沥青用量,这样,混合料的密度增加,细粒料能裹覆更多的沥青,使其水稳定性提高。也可以加入水泥作为填料改善材料的水稳定性。

1.2 设计方法

泡沫沥青混合料是由泡沫沥青与路面材料混合在一起而得到的混合料。混合料设计通常采用马歇尔法,主要是确定沥青的发泡性能和确定最佳沥青用量2个方面。步骤如下。

1.2.1 对需翻新的路面进行调查评估。包括地下水和排水情况、旧路的纵断面和结构层厚度、路基强度等。

1.2.2 对能够回收再利用的材料进行检测。包括沥青含量、材料含水量、混合料的级配等。

1.2.3 确定泡沫沥青混凝土各种材料用量比例。对塑性指数大于12的材料需掺加1%～2%的熟石灰,为了增加沥青的粘附性,可加入1%～2%的水泥。

1.2.4 确定泡沫沥青的膨胀率及半缩期。经由改变加入的冷水量,可以调整沥青的膨胀率和半缩期,并据此选择最佳用水量。

1.2.5 制备泡沫沥青混合料试件,确定最佳沥青用量。一般配比设计要求拌制至少五种不同沥青用量的混合料。将试件经适当的养护后,再进行评估试验。一般采用间接拉伸试验,求得不同泡沫沥青用量试件的间接拉伸强度值,以最大的间接拉伸强度所对应的沥青用量作为最佳沥青用量。

1.2.6 对泡沫沥青混凝土的工程性能进行评价。确定最佳沥青含量后,针对其配比再制作试件,通过稳定度、流值试验、回弹模量及疲劳试验对性质作出评价。

2 公路泡沫沥青的产生原理及特点分析

2.1 通过向高温的沥青中加入精确计量的冷水(通常为沥青质量的1%～2%)就可以制成泡沫沥青。当注入的冷水遇到热沥青时,由于水的急速汽化,沥青的表面积大量增加,体积发生膨胀,因而会产生大量泡沫,表面活性进一步增强。对于粘度值较大或高等级的沥青,通常需要加入一定压力,促进泡沫的生成。在发泡的过程中,沥青的粘度显著降低,从而能与高速搅拌状态下的冷湿集料具有很好的裹覆性能,而且这种裹覆作用在常温下只针对集料中的细集料,通过裹覆细料形成高粘度的沥青胶浆,并在压实作用下粘结粗集料形成强度,增加了混合料的粘聚性。从泡沫沥青的产生原理可以看出,泡沫沥青并不是一种新的沥青粘结料,而是一种新式的沥青拌合技术。

2.2 沥青发泡效果可用膨胀率和半缩期评价。膨胀率是指沥青与水拌合发泡后达到的最大体积与沥青未发泡前体积的比值,半缩期是指自发泡的最大体积为准起算,至体积缩减至一半所经过的时间。一般高温的沥青经与少量水拌合后,体积在很短的时间内膨胀至最大,此后体积开始缩减,为了使发泡后的沥青能与常温的湿集料拌合充分,膨胀率越大越好;半缩期则应尽量长,以便与集料有较长的时间进行拌和,提高泡沫沥青混合料的质量。所以生产泡沫沥青的关键在于控制使用准确的用水量及获得最佳的膨胀率。

2.3 与乳化沥青和其他稳定剂 (如水泥、石灰)相比,泡沫沥青具有独特的技术特点和应用效果,其优势在于:

①单价及运输价格较低,因为泡沫沥青只要采用一般常用的针入度级沥青即可,且添加的水量相当少,而不像乳化沥青需要加入较多量的水进行乳化,由于运输量的减少,而使运输成本大大降低;

②施工速度快,泡沫沥青混合料拌好后可以立即压实,压实结束即可开放交通,尤其在城市道路维修中,可以明显减少对繁忙道路的交通影响;

③骨料无需加热,也不必对沥青进行乳化,节约能源,经济环保;④储存期较长(最长可至1个月),而并不影响使用性能,可以方便地应用于道路的日常维修;

④用泡沫沥青稳定的集料范围较广,可以是高质量的碎石,低等级的砂石料、矿渣,破碎的沥青混凝土回收料等;

⑤与传统的热拌沥青混合料相比,具有更好结构承载力、抗车辙和抗疲劳性能;

⑥与水泥处治粒料相比更有柔性,不会产生收缩龟裂的问题。

2.4 采用泡沫沥青作为冷再生稳定剂的缺点:

①沥青成功发泡需要较高的温度 (约160～180℃);②泡沫沥青的生产需要使用专门设备;③作处治基层时,比石灰和粉煤灰材料造价高;

④泡沫沥青混合料不耐水的侵害,故完成的泡沫沥青层大都需要在上面加铺较能抗水及耐磨的热拌沥青混凝土层。

3 泡沫沥青现场冷再生技术在道路维修养护中的应用

现场热再生主要针对沥青路面的上面层,处理深度0～6cm;现场冷再生适合全部面层和基层,处理深度10～50cm。沥青混凝土路面现场冷再生是利用专用路面机械,按照一定的厚度,将旧路面现有的材料(包括面层材料和部分基层材料)进行粉碎加工,必要时添加部分新骨料或细集料,再按一定比例加入一定量的稳定剂 (施工中使用稳定剂是为了提高被再生材料的强度,恢复因路面老化而导致的材料性能衰退,类型主要有水泥、石灰、粉煤灰、高炉矿渣、泡沫沥青、乳化沥青等)和适量的水,在自然环境温度下现场连续地完成材料的拌和、摊铺及压实成型,并将再生层作为新建路面的面层或基层的作业过程。再生后,视公路等级的不同,再生层上加铺沥青混凝土面层或做封层处理。

3.1 施工工序

现场冷再生施工之前应先进行路况调查,然后进行试验室配合比设计,再进行实验路段施工,用来验证配合比,必要时进行配合比调整;最后才是大规模的冷再生施工。利用泡沫沥青进行现场路面冷再生的施工工序如下:

(1)对旧有路面进行铣刨破碎,也可加入其它碎石骨料和再利用的原有沥青混合料;

(2)泡沫沥青产生后直接喷洒在再生机的拌和罩壳内,与路面材料充分拌和。在粒料中,泡沫沥青用量一般为3%～5%(重量百分比),当被再生材料本身含有较多沥青时,其用量可降低为2%～3%。也可以在使用泡沫沥青做稳定剂的同时,加入少量(一般为1%～2%)的水泥,其作用是使再生层获得所需强度,提高表层质量,防止裂纹发生;

(3)表面处理,对交通流量大的道路只需在上面加铺一层新的沥青面层,对低交通流量路面进行表面处理即可。

3.2 维修养护特点

利用泡沫沥青冷再生技术对现有道路进行维修养护具有以下特点。

(1)在道路面层修复翻新的同时提高了道路的整体结构强度;原筑路材料重新得到利用,节约了资源和能源。

(2)仅使用一种粘结料就可获得高质量的基层,与其他冷再生方法相比,工艺经济,成本低。

(3)提高了非粘结砾石道路的等级。为了提高道路的承载能力,其铺层被持续加强以抵抗交通磨耗及雨水的侵蚀,同时也消除了因灰尘和石子造成的交通危险。

(4)用泡沫沥青作为新粘结料进行粘结层及部分非粘结基层道路的冷再生,可以获得满足预期交通载荷要求的新基层,与水泥相比,泡沫沥青能产生更具柔性的铺层。

(5)泡沫沥青适合几乎所有的骨料和原道路上再生的筑路材料,与普通沥青相比,提高了沥青的裹覆能力。能理想地裹覆湿冷的骨料,所以施工几乎完全不受天气的影响。

4 结束语

本文分析了泡沫沥青的产生原理及泡沫沥青混合料的技术性能和设计方法,说明了泡沫沥青现场冷再生技术在道路维修养护中的应用。根据统计资料,我国90%以上的高等级公路沥青路面基层或底基层采用半刚性材料,早期损坏非常严重,发达国家已很少采用这种结构。应用泡沫沥青混凝土作为路面底层,就可以解决半刚性基层沥青路面结构带来的问题,既能有效避免早期病害的发生,又能解决大量路面材料废弃后造成的污染和浪费问题。

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