泡沫沥青冷再生技术关键指标控制及工程应用研究

2018-02-18张正国宋尚霖

中国建材科技 2018年5期

张正国宋尚霖

（1 甘肃省金昌公路管理局，甘肃金昌 737100；2 甘肃恒路交通勘察设计院有限公司（甘肃省高等级公路养护工程研究中心），甘肃兰州 730070）

0 引言

泡沫沥青冷再生技术可再生利用旧沥青路面材料（厂拌、就地冷再生），也可再生水泥稳定基层材料（全深式再生）。“十二五”发展规划对温室气体排放指标作了明确要求，并将其作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，其中要求全国公路养护废旧路面材料循环利用率达到4%，国省干线公路废旧路面材料循环利用率达到70%；高速公路废旧路面材料循环利用率达到100%，废旧沥青路面材料的再生利用将会成为发展绿色公路的关键[1]。该技术不仅有利于资源节约和生态保护，还具有造价低、工期短、开放交通快等优点，在我国国省干线和高速公路等高等级公路下面层中大规模应用，但《公路沥青冷再生技术规范》（JTGF41-2008）中缺少对泡沫沥青混合料配合比设计系统的规范，也没有对泡沫沥青冷再生混合料低温抗裂性提出要求。对于泡沫沥青再生混合料的成型压实方法和养生温度范围也缺少成熟性的指导意见。综上，本文通过室内与现场试验相结合，对泡沫沥青冷再生关键技术指标控制提出合理化建议。

1 泡沫沥青的产生机理

泡沫沥青又叫膨胀沥青，是将一定的常温水注入热沥青使其体积发生膨胀，形成大量的沥青泡沫，经过很短的时间沥青泡沫破裂[1]。这一过程只是沥青的物理变化，没有发生化学反应。当泡沫沥青与集料接触时，沥青泡沫瞬间化为数以百计的“小颗粒”，散布于细集料（特别是粒径小于0.3mm）的表面，形成粘有大量沥青的细料填缝料，经过拌和压实，这些细料能填充于湿冷的粗集料之间的孔隙并形成类似砂浆的作用，使混合料达到稳定。泡沫沥青技术原理如图1所示。

图1 泡沫沥青原理图

2 泡沫沥青再生材料的组成

2.1 混合料组成及设计

泡沫沥青冷再生混合料中，RAP 再生利用量：75%～85%；添加新集料：15%～25%；添加水泥：1.5%～2%；添加泡沫沥青：2%～2.5%。沥青发泡温度：160～170℃，发泡用水量：2.0%～2.5%，膨胀率：≥10 倍；半衰期：≥8 秒。

2.2 材料性能要求

按照上述混合料组成比例，沥青应符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的规定，水泥应符合“GB175-199（国家标准《普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥》）”中关于“普通硅酸盐水泥的技术要求”；石屑和碎石应洁净干燥，无杂质无风化，并有颗粒级配；泡沫沥青再生基层最终性能要求见表1。

表1 泡沫沥青冷再生混合料性能指标

3 泡沫沥青关键技术分析

3.1 配合比设计方法

近年来，工程实践表明，泡沫沥青冷再生技术在应用的过程中同样存在抗车辙能力偏低，水稳性差等缺点，而混合料级配的设计是最关键的一环。研究表明，级配设计对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳性、表明特性均匀有显著的影响。目前大多数设计人员在进行级配设计时，只是将混合料的级配调整到规范规定的范围，并没有对路面铣刨料进行针对性的设计。本文建议采用交通运输部公路科学院研究提出的粗集料断级配混合料构成的双曲线模型[3]，这种断级配的双曲线模型是一种新型的断级配设计方法，使用起来方便，而且有利于工程实际应用。

在实际运用中进行级配设计时，主要进行3 个关键点的控制：第一要控制公称最大粒径及其通过率，要求模型级配最大公称粒径通过率一般不大于筛分结果，且公称最大粒径应大于95%；第二个控制点为间断点（一般4.75mm）及其通过率（规范要求40%～60%）；第三个控制点为最小粒径（0.075mm）及其通过率（一般为3%～7%）[3]。级配设计时，不仅要考虑混合料级配实际值的调整，也要保证铣刨料的用量。试验研究表明，级配调整中由于铣刨料细集料较少，在级配设计时细集料的调整很容易满足模型要求。铣刨料中粗集料级配比较复杂，需要重复多次调整计算。当级配调整与模型级配相差较大时，应将差值换算成集料质量并按模型配合比设计比例添加到混合料中。

图2 干劈裂强度（ITS）比较

根据刘胜全[3]等的研究成果可知，采用该模型级配设计，混合料和同种材料普通级配比较，使用模型级配的干劈裂强度比普通级配高20%左右，且模型级配具有很好的抗水损害效果，抗水损害能力能够满足规范要求，是提高混合料水稳定性的有效办法。图2为不同级配泡沫沥青冷再生混合料干劈裂强度（ITS）比较，图3为干湿劈裂强度比（ITSR）比较。

图3 干湿劈裂强度比（ITSR）比较

3.2 再生混合料成型方法

研究结果表明，泡沫沥青冷再生混合料的孔隙率一般在8%～13%范围内，相比常规热拌沥青混合料差别较大。而根据国家规范，室内试验普遍采用马歇尔成型方法成型混合料试件，而施工现场采用胶轮压路机和振动压路机对泡沫沥青冷再生混合料进行碾压，这两种的压实原理不同，直接影响了泡沫沥青冷再生混合料的技术性能。因此采用一种与现场压实状况更贴近的试件成型方法，对混合料的设计尤为重要。研究表明[4]，传统的马歇尔击实方法已无法适应和匹配现场压实成型方法，采用振动成型冷再生混合料试件更加符合再生路面的实际成型方式。

3.3 低温抗裂性评价方法

《公路沥青路面再生技术规范》（JTGF41-2008）仅对泡沫沥青冷再生混合料的力水稳定性、力学强度提出了明确要求，并没有对泡沫沥青冷再生混合料的低温抗裂性提出要求。泡沫沥青冷再生混合料作为基层是否满足抗裂要求，RAP 掺料、水泥、泡沫沥青等对再生混合料的低温抗裂影响程度，以及如何进行泡沫沥青冷再生混合料的低温抗裂性进行评价，这些问题都急需解决。试验结果表明[5]，采用低温SCB 试验评价泡沫沥青冷再生混合料的低温抗劣性，以弯拉应变和破坏应变能作为评价指标，控制水泥掺料在1.5%左右，稍微提高泡沫沥青用量均可改善泡沫沥青冷再生混合料的低温抗裂性。

3.4 施工过程控制及养生温度

泡沫沥青冷再生混合料在生产的过程中，首要要检查再生机的工作状况（重点检查发泡效果和沥青用量是否符合配合比要求）。拌和用水量应该是最佳用水量+0.5%。再生料在运往施工现场时，由于成品通过皮带输送至卡车上，混合料中的细集料很容易黏附在皮带上，且粗集料由于惯性大被输送至卡车时被抛出较远，这样卡车一端粗集料相对集中，可能发生离析，因此建议将混合料先输送到硬化的地上，再用装载机进行翻拌后装入卡车[6]。

关于养生温度控制研究结果表明，随着养生温度的提高，泡沫沥青在混合料中分布更广泛，“点焊”状结合更密。图4为不同养生温度劈裂强度的试验结果[7]，由图可知，不同养生温度下干湿劈裂强度及干湿劈裂强度比相差较大，干、湿劈裂强度随着温度的升高成型先缓慢增大后快速上上升的趋势。但室内加速养生温度越高则与施工现场的一致性越差，室内配合比设计强度在施工现场越难达到，是偏于危险的。因此建议泡沫沥青冷再生混合料设计与施工在配合比设计阶段，采用40℃养生，并要重视混合料设计试件养生温度与现场施工气温的一致性的重要性。