常溫環(huán)氧瀝青與泡沫瀝青冷再生結(jié)合使用初探

郭 華

(山西路橋建設(shè)集團有限公司 太原 030006)

0 引言

瀝青老化有熱老化、光老化、水老化和壓力老化四種。結(jié)合國內(nèi)研究現(xiàn)狀，由于各地公路建設(shè)用料不同，建設(shè)時間不同，氣候壞境及荷載等不同，造成瀝青的老化原因也不同。

在乳化瀝青冷再生技術(shù)的應(yīng)用過程中，由于受乳化瀝青性能以及施工特點、施工多種變異性等影響，常常會出現(xiàn)因乳化瀝青破乳時間過短、混合料施工中出現(xiàn)離析以及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題甚至導(dǎo)致乳化瀝青冷再生應(yīng)用失敗的情況。乳化瀝青與瀝青路面舊料、新添加集料的結(jié)合主要靠兩者之間良好的裹附性能，可時常會因裹附力差而引起乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性問題，冷再生混合料的主要影響因素、疲勞耐久性等都需要全面的進一步深入研究。目前的《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》雖然給施工帶來了指導(dǎo)和可借鑒性，但是仍然有許多細節(jié)不夠完善。近年來山西省開展了乳化瀝青冷再生的研究與應(yīng)用，將常溫環(huán)氧瀝青與泡沫瀝青冷再生結(jié)合使用，這一定程度上說明乳化瀝青冷再生技術(shù)還有上升的空間。

1 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生技術(shù)產(chǎn)生的背景

冷再生技術(shù)屬于冷拌冷鋪技術(shù)，相比較熱拌瀝青混合料而言，冷再生混合料不耐水，所以在傳統(tǒng)路面設(shè)計上都會盡量將冷再生層放在路面結(jié)構(gòu)底部，冷再生層上面再加鋪很厚的瀝青層。實踐證明，這種設(shè)計方法不僅造成資源浪費，而且因為用于保護冷再生層的上部瀝青路面的滲水系數(shù)并不為零，所以并不能從根本上保證冷再生層不會發(fā)生水損壞[1-4]。這也是很多冷再生路面發(fā)生早期破壞的主要原因。李永紅等認為常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生強化技術(shù)是由創(chuàng)新技術(shù)手段解決冷再生路面成本偏高、不耐水的缺點，強化提升冷再生層的性能和耐久性[5]，梁建等認為泡沫瀝青路面冷再生是解決傳統(tǒng)瀝青路面冷再生固有缺陷的專門成套技術(shù)，該體系通過優(yōu)化材料設(shè)計和施工工藝技術(shù)提高冷再生混合料的強度和耐水性，達到降低施工綜合成本、提高施工效率的目的，常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生技術(shù)比乳化瀝青冷再生更具有優(yōu)勢[6]。

2 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生作用機理

2.1 常溫環(huán)氧瀝青材料

常溫環(huán)氧瀝青材料具有粘結(jié)強度高、滲透性好、易于施工、性價比高的特點，屬于最新一代的防水粘結(jié)材料，它以一定比例的改性環(huán)氧樹脂聚合物乳液、改性多元胺固化劑、水性高分子改性劑和改性乳化瀝青類材料混合而成，環(huán)氧與瀝青分子交聯(lián)形成連續(xù)相，化學(xué)固化成型。謝偉等研究表明以水為溶劑，安全環(huán)保，常溫施工，滲透性好，高低溫穩(wěn)定性好，粘結(jié)及抗剪切強度高，防水效果好[7]。常溫環(huán)氧瀝青粘結(jié)層材料是水性化的環(huán)氧瀝青材料，產(chǎn)品用有專利的反應(yīng)型親水助劑，通過相反轉(zhuǎn)法制備水性化的環(huán)氧樹脂。結(jié)合采用乙烯多胺，聚醚胺，環(huán)氧樹脂等原料，生產(chǎn)具有增強乳化功能的專用環(huán)氧樹脂固化利、特制的乳化瀝青，功能性添加利等復(fù)合制備出常溫環(huán)氧瀝青材料。李梅芳等認為材料中的環(huán)氧樹脂與瀝青分子交聯(lián)形成連續(xù)相，化學(xué)固化成型，成品安全環(huán)保、施工環(huán)境限制少，溫度要求小，滲透性好，具備較好的高低溫穩(wěn)定性，粘結(jié)及抗剪切強度高，防水效果極佳[8]，原理圖見圖1和圖2。

圖1 泡沫瀝青發(fā)泡原理圖

圖2 泡沫瀝青冷再生原理圖

2.2 泡沫瀝青技術(shù)

2018年以前，泡沫瀝青技術(shù)一直被外國廠商完全壟斷，沒有走國產(chǎn)化發(fā)展之路，高昂的設(shè)備成本投入嚴重損害了應(yīng)用單位的積極性，阻礙了該技術(shù)在我國的普及推廣。隨著我國大量公路進入大修期，瀝青路面冷再生領(lǐng)域作為國家政策大力推行，這樣必須打破泡沫瀝青技術(shù)被國外廠家壟斷的現(xiàn)狀，實現(xiàn)泡沫瀝青技術(shù)的進口產(chǎn)品替代。2019年以來，我國開始采用在水穩(wěn)拌合站加裝泡沫瀝青功能模塊的技術(shù)路線，實現(xiàn)了泡沫瀝青技術(shù)的國產(chǎn)化[9]。

3 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生的影響因素研究

3.1 乳化瀝青冷再生混合料的影響因素研究

(1)首先對不同來源的舊瀝青銑刨料進行化學(xué)、物理性質(zhì)分析，針對性地確定再生方案。

對舊瀝青料進行抽提分級，分析銑刨料的組成結(jié)構(gòu)、相關(guān)參數(shù)及瀝青老化原理。通過對乳化瀝青混合料的工作性能和膠結(jié)原理分析，從乳化劑結(jié)構(gòu)、形成原理等方面分析水泥—乳化瀝青再生混合料強度的形成原理。廖維太等認為分析銑刨料組成結(jié)構(gòu)、參數(shù)與瀝青老化機理研究對于再生的舊料中的含水率、瀝青含量對冷再生混合料強度的影響不可忽視。其中混合料中瀝青老化最直接的表現(xiàn)是變硬、變脆，容易開裂和松散[10]。鑒于此，必須對回收瀝青材料進行分析評價，根據(jù)不同路段舊料的組成和性質(zhì)特點，針對性地指定乳瀝青再生方案。

(2)乳化瀝青冷再生混合料性能提升技術(shù)通過添加外加劑、再生劑提升乳化瀝青與集料的裹附性，瀝青混合料的水穩(wěn)定性以及其他性能得到改善，增強了瀝青路面舊料、集料、水、水泥、水溶性納米活性高分子聚合物的結(jié)合效果。殷本明等認為通過加入輕質(zhì)組分、水溶性納米活性高分子聚合物等方式，研制出一種針對性的乳化再生劑可提高再生瀝青的性能[11]。發(fā)泡用水量與膨脹率、半衰期、發(fā)泡溫度均相關(guān)，水溶性納米活性高分子聚合物的加入，還可以同時解決破乳速度、裹附性、抗疲勞性等問題，見圖3-圖4。

圖3 瀝青160℃發(fā)泡試驗結(jié)果

圖4 瀝青170℃發(fā)泡試驗結(jié)果

(3)瀝青路面舊料的分級可對乳化瀝青冷再生混合料的影響。為了保證瀝青路面舊料材料應(yīng)用時的穩(wěn)定性，現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定將瀝青路面舊料分為兩個規(guī)格，研究分析瀝青路面舊料的分級對乳化瀝青冷再生混合料的影響，見圖5、表1。

圖5 路面銑刨料顆粒級配與泡沫瀝青冷再生材料級配范圍

表1 泡沫瀝青冷再生材料級配與路面銑刨料顆粒級配范圍表

(4)吳順瑜等認為影響乳化瀝青冷再生混合料的因素基于乳化瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能、收縮性能、疲勞性能等，通過分析水泥、瀝青含量、加水量等對混合料性能的影響，并設(shè)計方案確定了膠凝用量、最佳乳化瀝青用量以及最佳含水率[12]。另外，研究時還應(yīng)考慮不同成型方法對冷再生混合料性能的影響。

3.2 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生結(jié)合性能研究

(1)常溫環(huán)氧瀝青強化泡沫瀝青冷再生路面結(jié)構(gòu)性能研究:利用常溫環(huán)氧瀝青材料的滲透性和高粘結(jié)性，段叔瑜認為對泡沫瀝青再生混合料的孔隙進行封閉并使其與上層瀝青熱拌混凝土緊密聯(lián)結(jié)，能夠提高冷再生混合料的水穩(wěn)定性，強化層間結(jié)合使得瀝青面層形成連續(xù)體系，達到延長路面使用壽命的目的[13]。

(2)各類常溫環(huán)氧瀝青結(jié)構(gòu)層路用性能(防水、粘結(jié)、磨耗)研究:常溫環(huán)氧瀝青用于層間粘結(jié)料，能提高路面結(jié)構(gòu)防滲功能并強化瀝青面層連續(xù)體系，可減小瀝青面層彎拉應(yīng)變、緩解瀝青面層疲勞開裂。

(3)吳英彪等研究結(jié)果表明，在適合條件下，適當增加冷再生層的厚度，泡沐瀝青冷再生層加上常溫環(huán)氧瀝青抗滑復(fù)合封層可以極大提升泡沫瀝青冷再生層使用價值。常溫環(huán)氧用于表面磨耗層，提高路面抗滑性能減少交通事故，同時可延長路面的使用壽命[14]。

(4)姚利等對級配碎石基層路面結(jié)構(gòu)性能分析表明：位于泡沫瀝青冷再生結(jié)構(gòu)層之下的級配碎石具有優(yōu)良的疏水能力，可減少路面滲水、層間水對泡沫瀝青再生混合料的侵害，大大緩解泡沫冷再生混合料的穩(wěn)定性。級配碎石結(jié)構(gòu)層具有強大的應(yīng)力舒緩能力，可大大減少路面結(jié)構(gòu)的聚縫率[15]。

(5)泡沫瀝青廠拌冷再生設(shè)備改裝設(shè)計與功能開發(fā):通過局部優(yōu)化、改造水穩(wěn)拌和站結(jié)構(gòu)、加裝瀝青發(fā)泡功能模塊，開發(fā)低成本、高性能的廠拌泡沫瀝青冷再生混合料生產(chǎn)裝置。

4 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生技術(shù)優(yōu)勢

4.1 用于柔性基層瀝青路面

常溫環(huán)氧瀝青抗滑復(fù)合封層，與泡沫瀝青冷再生層結(jié)合取代熱拌瀝青混凝土面層，直接用于道路改造，提高路面耐水性和路面結(jié)構(gòu)整體協(xié)同受力特性，半剛性基層排水效果及水敏感性較差，此類結(jié)構(gòu)一旦開始破壞，路面壽命將呈現(xiàn)出急劇減少的趨勢，因此，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的壽命短、早期破壞也就不可避免。成志強等認為由于國外主要的發(fā)達國家大多使用柔性基層瀝青路面，而且對于越重交通下，也越少使用半剛性基層，不可否認的是，以集配碎石基層為代表的柔性基層具有較少早開裂現(xiàn)象[16]。

4.2 用于粘結(jié)層與上封層

常溫環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層材料可用于各等級瀝青混凝土路面的層間粘結(jié)、水泥混凝土路面“白改黑”層間粘結(jié)、鋼橋面及水泥砼橋面的防水粘結(jié)等，與專用骨料結(jié)合做耐磨抗滑的上封層?？蓪⒙访娓鲗咏Y(jié)構(gòu)粘結(jié)成一個整體，增加路面承載能力，延長道路使用壽命。陳波等認為通過增設(shè)常溫環(huán)氧瀝青固化防水聯(lián)結(jié)層及常溫環(huán)氧瀝青抗滑復(fù)合封層與泡沫瀝青冷再生層配套使用，可以確保整個路面冷再生結(jié)構(gòu)層發(fā)揮其應(yīng)有的結(jié)構(gòu)承載力水平，不僅材料性能上超越傳統(tǒng)的乳化瀝青冷再生，而且其綜合成本仍然低于乳化瀝青冷再生+乳化瀝青粘層的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計[17]。

5 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生技術(shù)的經(jīng)濟、社會效益

陜西省西安至閻良高速公路原路面結(jié)構(gòu)形式為上面層4 cm AK-16型，中面層5 cm AC-20 I型，下面層6 cm AC-25 II型，基層為20 cm水泥、粉煤灰穩(wěn)定砂礫，底基層28cm二灰穩(wěn)定土，經(jīng)過10年運營期后不同程度地出現(xiàn)路面沉陷、車轍、推移、裂縫等病害。經(jīng)專家評審確定處置方案為水泥、粉煤灰砂礫基層不做翻修，只表面進行銑刨拉毛處理后鋪筑14cm泡沫瀝青冷再生作為下面層，6cm AC-20作為中面層，最后鋪筑4cm的AC-13瀝青混凝土作為上面層。

常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生技術(shù)直接節(jié)能量主要體現(xiàn)在減少石料加熱所需要的燃料消耗，以及就地取材，節(jié)約石料開采、生產(chǎn)、運輸過程中的燃油消耗，同時不僅節(jié)能減排取得很好的效果，在原材料(瀝青，碎石)消耗及減少土地占用等方面效果十分明顯，可節(jié)約30%左右的成本，節(jié)省加熱能源60%以上，減少二氧化碳排放量80%以上，縮短20%工期，極大提高施工效率。常溫環(huán)氧瀝青封層技術(shù)取代熱拌瀝青混合料鋪筑面層，除節(jié)省加熱成本、減少排放污染外，直接材料成本可節(jié)約50%以上。

6 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生混合料的測試

具體包括:高溫性能、水穩(wěn)定性、劈裂強度、疲勞耐久生能、收縮試驗等[9-15]，詳見表2-表4。

表2 常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生混合料設(shè)計指標及技術(shù)要求

表3 施工過程中廠拌冷再生質(zhì)量控制檢查要求、頻度和項目

表4 施工完成后廠拌冷再生質(zhì)量控制檢查要求、頻度和項目

6.1 泡沫瀝青冷再生路用性能分析

為使混合料具備良好的路用性能，分析如下：

(1)在不同的用水量和溫度條件下進行瀝青發(fā)泡特性試驗，以適宜的半衰期組合和膨脹率選定發(fā)泡條件，保證瀝青的發(fā)泡效果。

(2)根據(jù)泡沫瀝青冷再生混合料的級配要求進行礦質(zhì)混合料級配組成的合理設(shè)計。

陜西公路局公路研究所舒森等認為含水量對泡沫瀝青混合料性能影響很大，可以采用間接拉伸試驗去確定泡沫瀝青冷再生混合料的最優(yōu)瀝青用量[18]。

在工程實踐中鋪筑試驗段，通過鋪筑試驗段，將現(xiàn)場制備試件與實驗室配合比試件通過一系列試驗的數(shù)據(jù)對比，精度滿足規(guī)范及設(shè)計要求。同時，在試驗段進行現(xiàn)場取芯，直接將該取芯試件進行相關(guān)性試驗，驗證在工程實踐中廠拌乳化瀝青冷再生混合料是否具有良好的抗裂性、水穩(wěn)定性，并符合規(guī)范要求。通過調(diào)整不同成分摻量進行瀝青混合料破乳速度試驗、粘附性試驗及疲勞試驗以評價該外加劑的性能和施工工藝通過施工工藝的優(yōu)化，對鋪筑效果以及開放自后的效果進行量化分析[19]。

冷再生混合料施工工藝的控制，路面改建工程再生時，由于路線大長，而且特別分散，按照現(xiàn)有的施工工藝，比瀝青宜在拌和后2小時攤鋪碾壓完成，因此，長遠距運輸使得傳統(tǒng)的施工工藝受到限制。采用新的施工工藝，進行設(shè)備與工程之間的運距、數(shù)量、種類的優(yōu)化，進一步研究冷再生混合料性能的因素研究分析水泥摻量、乳化瀝青、水摻量對冷再生混合料技術(shù)性能的影響[20]。

6.2 常溫環(huán)氧瀝青抗滑復(fù)合封層特點

(1)持久的抗滑性能:使用環(huán)氧瀝青封層技術(shù)可使路面的BPN值長期維持在60左右，有效保證路面的高抗滑性能。

(2)防水性能優(yōu)異:材料固化前粘度低，滲透性強，能滲入路表空隙和微裂縫，固化后粘結(jié)性強，與原路面嵌入式融為一體，對處置后的路表形成薄層保護，防止雨水滲入路面造成水損害。

(3)防腐性能優(yōu)異:材料具有優(yōu)異的化學(xué)惰性，能隔絕酸、堿、鹽及油污對原路面的污染侵蝕。尤其是隔絕融雪劑和車輛尾氣、漏油對路面的腐蝕。

(4)降噪性能優(yōu)異:材料能降低行車噪音，提高行車舒適性。

(5)固廢利用:可使用礦渣作為耐磨、硬質(zhì)抗滑集科用于道路表面抗滑功能層，積極響應(yīng)國家政策，開辟一條固廢材料利用的新途徑。

(6)綠色環(huán)保:材料是一種水性的新型綠色環(huán)保型材料，其VOC含量遠低于室內(nèi)裝飾材料的國家標準，不含重金屬成分，且冷法施工對施工人員無傷害。

7 結(jié)束語

通過施工可以總結(jié)常溫環(huán)氧瀝青的泡沫瀝青廠拌冷再生的技術(shù)要求及施工條件，提出配套的泡沫瀝青冷再生設(shè)備構(gòu)成，包括現(xiàn)場機械與場地設(shè)備，為冷再生泡沫瀝青廠拌技術(shù)在路面工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。此項技術(shù)可減少交通管制的困難，加快了通車時間，可早日開放交通帶來的社會效益，掃除了泡沫瀝青技術(shù)發(fā)展的進口設(shè)備高投入障礙，為泡沫瀝青技術(shù)在我國的普及發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。