水穩(wěn)基層就地冷再生泡沫瀝青配合比設(shè)計方法

呂 洋

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

1 路況概述

試驗路全長約65 km，隨著通車時間的延長，在車輛荷載、降雨等多項因素的共同作用下，路面局部損壞嚴重，車輛行駛時的平穩(wěn)性不足，甚至埋下行車安全隱患。針對該狀況，公路部門積極推進維修改造進程。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查可知，路面病害形式多樣化，包含橫縱向裂縫、龜裂、沉陷、松散等。原路段有明顯的功能性損壞，不利于車輛的安全通行，反映出路段承載能力偏低的現(xiàn)狀，為改善該狀況，有必要從原路段的實際狀況出發(fā)，采取針對性的結(jié)構(gòu)補強措施，力爭恢復(fù)正常通車狀態(tài)。

2 病害修復(fù)方案

原路段有明顯的損壞，若采用常規(guī)的局部維修方法，存在工作量大、效果差的局限性。對于罩面施工方法，其應(yīng)用效果具有暫時性，難以完全恢復(fù)舊路段的功能，且路面裂縫病害的存在還易誘發(fā)更為嚴重的反射裂縫，可行性不足。常規(guī)方法是確定病害發(fā)生范圍，將舊路面和基層挖除干凈，再于該處施作基層和面層，從實際應(yīng)用效果來看，其存在工期長、成本高、環(huán)境污染嚴重、對現(xiàn)場交通秩序干擾較強的局限性。相比之下，現(xiàn)場冷再生技術(shù)更具可行性，原因在于其能夠有效處治原路段的病害，且成本低、施工高效、對現(xiàn)場交通秩序的干擾較小。

3 試樣分析

在現(xiàn)場用WR2500 再生機取樣，考慮到取樣分析結(jié)果的全面性要求，分別在不同再生深度的路段取樣，要求所有的取樣槽的長度至少達到2 m。從取樣槽的中部取樣，保證取樣的均勻性，避免離析。在完成取樣作業(yè)后，可利用取樣槽加強觀察，明確路面結(jié)構(gòu)層的具體特點，同時測量各層的厚度，作為后續(xù)施工的參考。

3.1 砂當量與塑性指數(shù)試驗

砂當量是衡量細集料含土率的關(guān)鍵指標，同時也可作為評價集料潔凈程度的依據(jù)。此外，為確定銑刨材料的塑性指數(shù)，組織砂當量和塑性指數(shù)試驗，此處考慮兩種材料，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 兩種材料的砂當量與塑性指數(shù)試驗結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)，兩種材料的砂當量均較低，此結(jié)果表明集料中的泥土含量豐富，由于泥土的存在，易影響再生料的性能；塑性指數(shù)偏高，若施工采用到泡沫瀝青材料，為降低其塑性，考慮摻入適量水泥或石灰的處理方法。

3.2 集料的選擇

隨著公路等級的變化，各自所用集料對應(yīng)的級配范圍不盡相同，具體如圖1 所示。分析可知，A 區(qū)域的集料適合泡沫瀝青穩(wěn)定，可將其應(yīng)用在重交通道路中；B 區(qū)域的集料，其特點在于細集料的含量偏高，通常將其應(yīng)用在輕交通道路，若要將此區(qū)域的集料調(diào)整至A 區(qū)域，可以考慮摻入粗集料的方法；C 區(qū)域的集料，細集料的含量較低，受限于此特點，泡沫瀝青穩(wěn)定效果變差，出于改善穩(wěn)定效果的目的，考慮摻入細集料或粉煤灰的方法。既有研究表明，不同集料對泡沫瀝青混合料特性有顯著的影響，其中以0.075 mm以下的集料最為顯著，建議將此類材料的用量控制在5%~20%。

圖1 泡沫瀝青冷再生混合料級配

3.3 級配設(shè)計

銑刨料的細料含量偏低，較為明顯的是0.075 mm 篩孔通過率約為1.5%，針對此材料特性，采取摻入細料的方法，以便實現(xiàn)對級配的有效調(diào)節(jié)。工程技術(shù)人員綜合考慮現(xiàn)場條件，決定摻入適量最大粒徑為5 mm 的米砂；摻入1%~1.5% 的水泥，用于提高泡沫瀝青冷再生料的早期強度。此外，銑刨料中含有泥土，再生料的塑性較大，級配設(shè)計時也需考慮到此類特點。綜合分析后，確定各類材料的具體用量，即銑刨料75%、米砂23.5%、水泥1.5%。檢驗結(jié)果顯示，在按照該用量方法予以調(diào)整后，泡沫瀝青混合料的級配達到要求。

4 泡沫瀝青冷再生配合比設(shè)計

4.1 最佳發(fā)泡條件

泡沫瀝青的發(fā)泡效果用膨脹率和半衰期兩項指標做綜合評價。根據(jù)規(guī)律，隨著膨脹率的增加，泡沫瀝青與集料保持有效的接觸，可取得均勻的裹覆效果，拌制的泡沫瀝青混合料質(zhì)量較佳；隨著半衰期的延長，泡沫瀝青不易衰減，也正是基于此特點，能夠更好地與集料接觸，即有相對較長的拌和時間。在泡沫瀝青的質(zhì)量控制中，通常難以實現(xiàn)膨脹率與穩(wěn)定性均達到最優(yōu)狀態(tài)的效果，單方面的增加膨脹率或延長半衰期雖然可改善發(fā)泡效果，但遠不如兩者均適當?shù)臓顟B(tài)，換言之，在協(xié)調(diào)好膨脹率和半衰期后，使兩者折中，此時的發(fā)泡效果較好。為研究膨脹率與半衰期的變化關(guān)系，取發(fā)泡溫度和用水量為變量，試驗中對兩項變量加以調(diào)整，分析不同變量條件下的膨脹率和半衰期，確定最為適宜的發(fā)泡溫度和用水量，具體如圖2 所示。

圖2 70 號瀝青發(fā)泡特性曲線

分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)泡條件為150 ℃、2.5%的用水量時，可以取得較好的發(fā)泡效果，此時泡沫瀝青的膨脹率不小于10 倍，半衰期不短于8 s，符合工程對兩項指標提出的要求。

4.2 最佳含水量

在拌和、壓實階段，按比例摻入適量的水，保證泡沫瀝青混合料有良好的和易性和壓實度。含水量的控制直接影響到泡沫瀝青混合料的性能，若含水量偏低，導(dǎo)致混合料干澀，不利于壓實作業(yè)的順利進行，壓實處理后的密實度較低；若含水量偏高，水的潤滑作用過強，難以有效保證混合料的強度和穩(wěn)定性。在本工程中，最佳含水量取混合料在最大干密度時的含水量，水泥、泡沫瀝青用量分別為1.5%、2.5%，設(shè)定5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%五項含水量，分別制得不同含水量條件下的試件，展開試驗與分析，確定試件的干密度與含水量。

分析發(fā)現(xiàn)，初期干密度隨著含水量的增加而增加，原因在于水分可填充在集料毛細孔間，此時對于增強細集料的粘結(jié)性能而言有重要的作用，并且和易性得到優(yōu)化；后續(xù)，繼續(xù)增加含水量時，部分集料被水分裹覆，壓實度和干密度均降低。經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，最大干密度2.137 g/cm3所對應(yīng)的最佳含水量為6.5%。

4.3 最佳泡沫瀝青用量

在確定最佳含水量（6.5%）后，設(shè)定三種泡沫瀝青用量（2.5%、2.7%、3%），分別組織馬歇爾試驗，目的在于確定最為合適的泡沫瀝青用量。拌和時，先摻入水和礦料，對兩者做充分的拌和；而后，摻入泡沫瀝青，針對此時的混合料做雙面擊實75 次的處理，再安排72 h 的養(yǎng)生（全程均在40 ℃的恒溫烘箱內(nèi)完成），冷卻至室溫后開始脫模。對比可知，相比于乳化瀝青冷再生混合料，泡沫瀝青冷再生的成型特性與之存在區(qū)別，例如時間延長24 h、養(yǎng)生溫度降低20 ℃，且取消二次擊實。按照前述提及的方法制成試件后，予以分組，做針對性的實驗：第一、二組，15 ℃干濕劈裂強度實驗；第三、四組，25 ℃凍融劈裂實驗?；趯嶒灁?shù)據(jù)展開計算，確定干濕劈裂強度比和凍融劈裂強度比。

隨著泡沫瀝青用量的增加，15 ℃的劈裂強度值有先增后減的變化趨勢，即呈現(xiàn)出階段性變化特征；隨著泡沫瀝青用量的增加，劈裂強度持續(xù)加大，在2.7%的泡沫瀝青用量條件下，15 ℃劈裂強度達到峰值狀態(tài)，與此同時此時的干濕劈裂強度均達到要求，因此可以確定最為合適的泡沫瀝青用量，即2.7%。

4.4 目標配合比的確定

經(jīng)前述分析后，確定了最佳含水量和泡沫瀝青用量，此時則明確了配合比，具體如表2 所示。需說明的是，最佳含水量減去銑刨料和泡沫瀝青中的含水量的結(jié)果則指的是外加水的比例，外摻比例指的是水泥、泡沫瀝青和水的用量。在明確目標配合比后，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，富有針對性地加以調(diào)整（主要視再生料的含水量而定）。

表2 泡沫瀝青冷再生目標配合比設(shè)計結(jié)果

5 泡沫瀝青就地冷再生施工工藝

5.1 逐層撒布

首先，撒布米砂并安排1 遍靜壓，直至該部分厚度達到315 cm 為止；隨后，按照50 kg/m2的用量要求，于米砂表面撒布水泥。

5.2 施工準備

瀝青罐車到場后，及時檢測溫度，將其與發(fā)泡溫度做對比分析，偏低則不具備投入使用的條件，偏高（超過20 ℃）時靜置一段時間，待其冷卻至合適區(qū)間（比發(fā)泡溫度高5~10 ℃）即可投入使用。正式施工前，組織發(fā)泡試驗，以便檢驗發(fā)泡效果，根據(jù)實際檢驗情況對再生機的瀝青用量和發(fā)泡用水量做靈活的調(diào)整。

5.3 再生施工

再生機運行速度以6 m/min 為宜，施工初期現(xiàn)場作業(yè)人員加強對再生料的觀察，判斷是否有濕度異常的狀況，若有則根據(jù)實際情況對再生機的噴水量做靈活的調(diào)整。根據(jù)再生機的運行特性可知，其再生寬度為215 m，若要完成315 m 單幅路面的施工，需要設(shè)備運行兩遍，且需注意的是，在第二遍運行時有必要關(guān)閉重疊部分的噴嘴。

5.4 初壓

經(jīng)過再生施工后，及時用壓路機碾壓，此時由專員操作設(shè)備，沿再生機施工中心做一遍靜壓處理。

5.5 整平

靜壓完成后，進入整平環(huán)節(jié)，設(shè)備采用的是平地機，目的在于消除再生機運行期間產(chǎn)生的輪痕印，提升材料分布的均勻性。平地機的切削深度不宜始終一致，較為合適的是采取由深至淺的方法，整平遍數(shù)控制在2~3 遍，此時經(jīng)過整平后的部分普遍具有較高的平整度，當然必要時可適當增加整平遍數(shù)，直至整平效果滿足要求為止。

5.6 復(fù)壓

整平后，用灑水車灑水，使再生層表面保持濕潤，再用振動壓路機復(fù)壓2~3 遍。

5.7 終壓

復(fù)壓后依然安排灑水，在保證再生層表面呈濕潤的狀態(tài)后，用輪胎壓路機做2~3 遍的壓實處理，最終使再生層具有足夠的密實性和平整性，完成再生施工作業(yè)。

6 再生施工效果的檢驗與分析

6.1 彎沉測試

由于基層材料、劑量、齡期的差異化，路面的中面層和基層的發(fā)展變化不盡相同。以冷再生混合料為例，在經(jīng)過一段時間后強度才有所提高。因此，于試驗路段修筑竣工后1 周組織，基層表面的彎沉值測定工作，根據(jù)此項結(jié)果評價冷再生基層表面的承載性能；此外，后續(xù)加強跟蹤，測定在各齡期時路面面層的彎沉量。試驗路段的測定考慮到左、右兩個車道，按照10 m 左右的間隔依次測定，采集彎沉值，根據(jù)實測結(jié)果計算，確定均值和標準差；在此基礎(chǔ)上，按二倍的標準差舍去異常點，進一步展開計算，得到全新的均值和標準差；最后，考慮95%的保證率，計算相應(yīng)的代表值。匯總結(jié)果，如表3 所示。

表3 試驗路段基層表砸彎沉測試結(jié)果

6.2 再生后的路況調(diào)查

路面施工后7 d 安排觀測，以便檢查再生路面是否有異常狀況。實測結(jié)果顯示，再生路段未見表面剝落、變形的異常狀況，運營狀態(tài)良好，車輛可安全、平穩(wěn)地通行。

7 結(jié)論

綜上所述，文章以青海扎倒高速公路路面的泡沫瀝青就地冷再生工程為例，結(jié)合工程條件展開分析，確定泡沫瀝青的發(fā)泡條件，再闡述配合比設(shè)計、性能驗證試驗，確定施工工藝。實地檢查結(jié)果顯示，在路面上基層的施工中，泡沫瀝青冷再生混合料的應(yīng)用效果較好，施工成型的結(jié)構(gòu)具有平整、穩(wěn)定的特點，達到預(yù)期要求，由此表明就地冷再生技術(shù)可行，可將其推廣至類似工程中。