泡沫瀝青冷再生技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)控制及工程應(yīng)用研究

張正國 宋尚霖

（1 甘肅省金昌公路管理局，甘肅 金昌 737100；2 甘肅恒路交通勘察設(shè)計院有限公司（甘肅省高等級公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心），甘肅 蘭州 730070）

0 引言

泡沫瀝青冷再生技術(shù)可再生利用舊瀝青路面材料（廠拌、就地冷再生），也可再生水泥穩(wěn)定基層材料（全深式再生）?！笆濉卑l(fā)展規(guī)劃對溫室氣體排放指標(biāo)作了明確要求，并將其作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中長期規(guī)劃，其中要求全國公路養(yǎng)護(hù)廢舊路面材料循環(huán)利用率達(dá)到4%，國省干線公路廢舊路面材料循環(huán)利用率達(dá)到70%；高速公路廢舊路面材料循環(huán)利用率達(dá)到100%，廢舊瀝青路面材料的再生利用將會成為發(fā)展綠色公路的關(guān)鍵[1]。該技術(shù)不僅有利于資源節(jié)約和生態(tài)保護(hù)，還具有造價低、工期短、開放交通快等優(yōu)點，在我國國省干線和高速公路等高等級公路下面層中大規(guī)模應(yīng)用，但《公路瀝青冷再生技術(shù)規(guī)范》（JTGF41-2008）中缺少對泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計系統(tǒng)的規(guī)范，也沒有對泡沫瀝青冷再生混合料低溫抗裂性提出要求。對于泡沫瀝青再生混合料的成型壓實方法和養(yǎng)生溫度范圍也缺少成熟性的指導(dǎo)意見。綜上，本文通過室內(nèi)與現(xiàn)場試驗相結(jié)合，對泡沫瀝青冷再生關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)控制提出合理化建議。

1 泡沫瀝青的產(chǎn)生機(jī)理

泡沫瀝青又叫膨脹瀝青，是將一定的常溫水注入熱瀝青使其體積發(fā)生膨脹，形成大量的瀝青泡沫，經(jīng)過很短的時間瀝青泡沫破裂[1]。這一過程只是瀝青的物理變化，沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)泡沫瀝青與集料接觸時，瀝青泡沫瞬間化為數(shù)以百計的“小顆?！保⒉加诩?xì)集料（特別是粒徑小于0.3mm）的表面，形成粘有大量瀝青的細(xì)料填縫料，經(jīng)過拌和壓實，這些細(xì)料能填充于濕冷的粗集料之間的孔隙并形成類似砂漿的作用，使混合料達(dá)到穩(wěn)定。泡沫瀝青技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 泡沫瀝青原理圖

2 泡沫瀝青再生材料的組成

2.1 混合料組成及設(shè)計

泡沫瀝青冷再生混合料中，RAP 再生利用量：75%～85%；添加新集料：15%～25%；添加水泥：1.5%～2%；添加泡沫瀝青：2%～2.5%。瀝青發(fā)泡溫度：160～170℃，發(fā)泡用水量：2.0%～2.5%，膨脹率：≥10 倍；半衰期：≥8 秒。

2.2 材料性能要求

按照上述混合料組成比例，瀝青應(yīng)符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，水泥應(yīng)符合“GB175-199（國家標(biāo)準(zhǔn)《普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥》）”中關(guān)于“普通硅酸鹽水泥的技術(shù)要求”；石屑和碎石應(yīng)潔凈干燥，無雜質(zhì)無風(fēng)化，并有顆粒級配；泡沫瀝青再生基層最終性能要求見表1。

表1 泡沫瀝青冷再生混合料性能指標(biāo)

3 泡沫瀝青關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 配合比設(shè)計方法

近年來，工程實踐表明，泡沫瀝青冷再生技術(shù)在應(yīng)用的過程中同樣存在抗車轍能力偏低，水穩(wěn)性差等缺點，而混合料級配的設(shè)計是最關(guān)鍵的一環(huán)。研究表明，級配設(shè)計對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性、表明特性均勻有顯著的影響。目前大多數(shù)設(shè)計人員在進(jìn)行級配設(shè)計時，只是將混合料的級配調(diào)整到規(guī)范規(guī)定的范圍，并沒有對路面銑刨料進(jìn)行針對性的設(shè)計。本文建議采用交通運輸部公路科學(xué)院研究提出的粗集料斷級配混合料構(gòu)成的雙曲線模型[3]，這種斷級配的雙曲線模型是一種新型的斷級配設(shè)計方法，使用起來方便，而且有利于工程實際應(yīng)用。

在實際運用中進(jìn)行級配設(shè)計時，主要進(jìn)行3 個關(guān)鍵點的控制：第一要控制公稱最大粒徑及其通過率，要求模型級配最大公稱粒徑通過率一般不大于篩分結(jié)果，且公稱最大粒徑應(yīng)大于95%；第二個控制點為間斷點（一般4.75mm）及其通過率（規(guī)范要求40%～60%）；第三個控制點為最小粒徑（0.075mm）及其通過率（一般為3%～7%）[3]。級配設(shè)計時，不僅要考慮混合料級配實際值的調(diào)整，也要保證銑刨料的用量。試驗研究表明，級配調(diào)整中由于銑刨料細(xì)集料較少，在級配設(shè)計時細(xì)集料的調(diào)整很容易滿足模型要求。銑刨料中粗集料級配比較復(fù)雜，需要重復(fù)多次調(diào)整計算。當(dāng)級配調(diào)整與模型級配相差較大時，應(yīng)將差值換算成集料質(zhì)量并按模型配合比設(shè)計比例添加到混合料中。

圖2 干劈裂強度（ITS）比較

根據(jù)劉勝全[3]等的研究成果可知，采用該模型級配設(shè)計，混合料和同種材料普通級配比較，使用模型級配的干劈裂強度比普通級配高20%左右，且模型級配具有很好的抗水損害效果，抗水損害能力能夠滿足規(guī)范要求，是提高混合料水穩(wěn)定性的有效辦法。圖2為不同級配泡沫瀝青冷再生混合料干劈裂強度（ITS）比較，圖3為干濕劈裂強度比（ITSR）比較。

圖3 干濕劈裂強度比（ITSR）比較

3.2 再生混合料成型方法

研究結(jié)果表明，泡沫瀝青冷再生混合料的孔隙率一般在8%～13%范圍內(nèi)，相比常規(guī)熱拌瀝青混合料差別較大。而根據(jù)國家規(guī)范，室內(nèi)試驗普遍采用馬歇爾成型方法成型混合料試件，而施工現(xiàn)場采用膠輪壓路機(jī)和振動壓路機(jī)對泡沫瀝青冷再生混合料進(jìn)行碾壓，這兩種的壓實原理不同，直接影響了泡沫瀝青冷再生混合料的技術(shù)性能。因此采用一種與現(xiàn)場壓實狀況更貼近的試件成型方法，對混合料的設(shè)計尤為重要。研究表明[4]，傳統(tǒng)的馬歇爾擊實方法已無法適應(yīng)和匹配現(xiàn)場壓實成型方法，采用振動成型冷再生混合料試件更加符合再生路面的實際成型方式。

3.3 低溫抗裂性評價方法

《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTGF41-2008）僅對泡沫瀝青冷再生混合料的力水穩(wěn)定性、力學(xué)強度提出了明確要求，并沒有對泡沫瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性提出要求。泡沫瀝青冷再生混合料作為基層是否滿足抗裂要求，RAP 摻料、水泥、泡沫瀝青等對再生混合料的低溫抗裂影響程度，以及如何進(jìn)行泡沫瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性進(jìn)行評價，這些問題都急需解決。試驗結(jié)果表明[5]，采用低溫SCB 試驗評價泡沫瀝青冷再生混合料的低溫抗劣性，以彎拉應(yīng)變和破壞應(yīng)變能作為評價指標(biāo)，控制水泥摻料在1.5%左右，稍微提高泡沫瀝青用量均可改善泡沫瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性。

3.4 施工過程控制及養(yǎng)生溫度

泡沫瀝青冷再生混合料在生產(chǎn)的過程中，首要要檢查再生機(jī)的工作狀況（重點檢查發(fā)泡效果和瀝青用量是否符合配合比要求）。拌和用水量應(yīng)該是最佳用水量+0.5%。再生料在運往施工現(xiàn)場時，由于成品通過皮帶輸送至卡車上，混合料中的細(xì)集料很容易黏附在皮帶上，且粗集料由于慣性大被輸送至卡車時被拋出較遠(yuǎn)，這樣卡車一端粗集料相對集中，可能發(fā)生離析，因此建議將混合料先輸送到硬化的地上，再用裝載機(jī)進(jìn)行翻拌后裝入卡車[6]。

關(guān)于養(yǎng)生溫度控制研究結(jié)果表明，隨著養(yǎng)生溫度的提高，泡沫瀝青在混合料中分布更廣泛，“點焊”狀結(jié)合更密。圖4為不同養(yǎng)生溫度劈裂強度的試驗結(jié)果[7]，由圖可知，不同養(yǎng)生溫度下干濕劈裂強度及干濕劈裂強度比相差較大，干、濕劈裂強度隨著溫度的升高成型先緩慢增大后快速上上升的趨勢。但室內(nèi)加速養(yǎng)生溫度越高則與施工現(xiàn)場的一致性越差，室內(nèi)配合比設(shè)計強度在施工現(xiàn)場越難達(dá)到，是偏于危險的。因此建議泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計與施工在配合比設(shè)計階段，采用40℃養(yǎng)生，并要重視混合料設(shè)計試件養(yǎng)生溫度與現(xiàn)場施工氣溫的一致性的重要性。

圖4 不同養(yǎng)生溫度劈裂強度的試驗結(jié)果

4 結(jié)語

泡沫瀝青冷再生作為一種新型的道路建筑材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗結(jié)果，分析了現(xiàn)有泡沫瀝青冷再生技術(shù)存在的一些問題，并給出了合理化建議。

1）采用交通運輸部公路科學(xué)研究院提出的雙曲線斷級配模型，可以有效提高泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗車轍能力。

2）采用振動成型方法更符合再生路面的實際成型方式。

3）推薦采用低溫SCB 試驗評價泡沫瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性，采用破壞應(yīng)變和單位體積破壞應(yīng)變能作為低溫性能評價標(biāo)準(zhǔn)。

4）現(xiàn)場施工應(yīng)先將泡沫瀝青冷再生混合料輸送至硬化場地，再用裝載機(jī)進(jìn)行翻拌后裝入卡車。

5）建議泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計與施工在配合比設(shè)計階段，采用40℃養(yǎng)生，并要重視混合料設(shè)計試件養(yǎng)生溫度與現(xiàn)場施工氣溫的一致性的重要性。