泡沫瀝青冷再生技術(shù)在高速公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

陳光軍，王鵬

（1.蜀道投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；2.江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210049）

0 引言

隨著我國(guó)高速公路和國(guó)省道干線公路的交通量和車輛軸載日益增大，過(guò)去修建的常規(guī)瀝青混合料路面在建成通車3～5年后迅速出現(xiàn)疲勞裂縫、車轍、擁包等病害，并很快發(fā)展成嚴(yán)重病害，破壞瀝青路面結(jié)構(gòu)性能，影響通行車輛的行車舒適性和安全性，亟需進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)大中修養(yǎng)護(hù)以提高道路服務(wù)水平。傳統(tǒng)的瀝青路面大中修養(yǎng)護(hù)維修，主要是將舊路面遭到破壞的結(jié)構(gòu)層銑刨?gòu)U棄，重新鋪筑瀝青面層。這一維修方式會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄瀝青混合料，征用土地集中堆放廢棄材料會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，并產(chǎn)生黑色污染影響生態(tài)環(huán)境[1]。與此同時(shí)，也是一種對(duì)砂石資源的浪費(fèi)。2021 年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，鼓勵(lì)應(yīng)用建筑垃圾等大宗固廢替代砂石資源。因此亟需研究推廣一種廢舊瀝青混合料再生利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減少資源浪費(fèi)和降低養(yǎng)護(hù)維修成本的目的。

泡沫瀝青冷再生混合料技術(shù)，是對(duì)銑刨的廢棄瀝青混合料進(jìn)行破碎篩分處理，以一定比例加入新料、泡沫瀝青和外加劑就地冷再生的工藝[2]。該技術(shù)相比廠拌熱再生、就地?zé)嵩偕?、廠拌冷再生，具有施工效率高、施工成本低、碳排量低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在混合料性能差等問(wèn)題，過(guò)去僅用于低等級(jí)路面的低結(jié)構(gòu)層位，應(yīng)用范圍小。為提高泡沫瀝青冷再生混合料路用性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，本文從室內(nèi)材料性能、配合比設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制等方面進(jìn)行研究，探討泡沫瀝青冷再生混合料在高速公路養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用。

1 生產(chǎn)工藝對(duì)泡沫瀝青性能的影響

1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青

本文中采用常見(jiàn)的SK70和SK90兩種基質(zhì)瀝青制備泡沫瀝青，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)泡沫瀝青性能的影響，優(yōu)選性能穩(wěn)定的基質(zhì)瀝青。試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種瀝青的性能指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）發(fā)泡用水

水是瀝青產(chǎn)生泡沫的主要因素，在制備泡沫瀝青過(guò)程中用水量在5%以內(nèi)，可以保證泡沫瀝青在常溫下與集料拌和時(shí)具有較好的分散性能[3]。發(fā)泡用水應(yīng)滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）的相關(guān)要求。本文選用自來(lái)水進(jìn)行發(fā)泡。

1.2 泡沫瀝青加工工藝

本文中采用水壓0.55MPa、氣壓0.4MPa 的發(fā)泡設(shè)備，研究不同基質(zhì)瀝青、發(fā)泡溫度、用水量對(duì)發(fā)泡瀝青性能的影響。根據(jù)泡沫瀝青的膨脹率和半衰期（膨脹率表征瀝青的發(fā)泡效果，半衰期表征泡沫瀝青的體積穩(wěn)定性），優(yōu)選最佳的泡沫瀝青加工工藝。試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 不同工藝下發(fā)泡瀝青膨脹率試驗(yàn)結(jié)果 單位：倍

表1（續(xù)）

表2 不同工藝下發(fā)泡瀝青半衰期試驗(yàn)結(jié)果 單位：s

大多數(shù)發(fā)泡溫度下SK70 的半衰期均小于SK90，說(shuō)明SK70 制備的泡沫瀝青穩(wěn)定性弱于SK90，但是當(dāng)發(fā)泡溫度為160℃時(shí)，SK70 的半衰期大于SK90，此時(shí)體積穩(wěn)定性最高。SK70 在最低水量下的最低膨脹率高于SK90，僅在發(fā)泡溫度180℃且用水量為2%～3%時(shí)SK70的膨脹率與SK90 相近，甚至略小于SK90，說(shuō)明SK70相比SK90 更容易發(fā)泡，考慮到用水量越高對(duì)瀝青混合料性能影響越大，因此建議選擇低用水量的發(fā)泡工藝。綜合考慮，推薦以SK70 作為基質(zhì)瀝青，在發(fā)泡溫度為160℃、用水量為3%、水壓為0.55MPa、氣壓為0.4MPa的工藝下制備發(fā)泡瀝青。

2 發(fā)泡瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

（1）再生集料

由于不同工程中舊瀝青路面級(jí)配存在差異，且舊瀝青老化殘留性能、銑刨工藝、破碎程度等均不相同，導(dǎo)致再生瀝青混合料（Reclaimed Asphalt Pavement,RAP）的級(jí)配和性能離散性較大[4]。本文對(duì)依托實(shí)體工程大中修項(xiàng)目銑刨的RAP 進(jìn)行試驗(yàn)分析，其性能指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，篩分試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 RAP篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，廢舊瀝青混合料經(jīng)過(guò)銑刨、破碎得到的RAP 中粗集料占比較大，粒徑小于2.36mm 的細(xì)集料含量低于粗粒式泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)級(jí)配下限，這是因?yàn)閺U舊瀝青混合料中的細(xì)集料和瀝青黏結(jié)在一起，由于細(xì)集料粒徑較小，黏附在粗集料表面或結(jié)團(tuán)的細(xì)集料很難破碎、剝離出來(lái)。

（2）細(xì)集料

為了在拌和再生瀝青混合料時(shí)，泡沫瀝青能夠更好地分散，在設(shè)計(jì)再生瀝青混合料級(jí)配時(shí)應(yīng)根據(jù)RAP篩分結(jié)果，補(bǔ)充一定量的細(xì)集料。本文選用的石屑性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（3）水泥

為了提高泡沫瀝青再生混合料的早期強(qiáng)度，需要添加初凝速度較慢的硅酸鹽水泥作為膠凝材料。本文采用等級(jí)為42.5MPa、初凝時(shí)間為250min、終凝時(shí)間為400min 的普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，擬采用1.5%的水泥摻量替代新增的礦粉。

2.2 泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

（1）壓實(shí)成型方式

本文采用振動(dòng)壓實(shí)成型法（壓實(shí)時(shí)間為2min、振動(dòng)頻率為30Hz）制備試件，確定的含水率較馬歇爾成型法少6%～11%，有利于實(shí)際施工時(shí)減少養(yǎng)生時(shí)間，提高施工效率。

（2）級(jí)配設(shè)計(jì)

為保證泡沫瀝青冷再生混合料具有較好的路用性能，在設(shè)計(jì)級(jí)配時(shí)應(yīng)確保滿足規(guī)范要求，在此基礎(chǔ)上盡量提高RAP利用率[5]。本文根據(jù)RAP和石屑的級(jí)配組成，以RAP 用量85%, 80%, 75%分別設(shè)計(jì)出3 組級(jí)配，級(jí)配組成見(jiàn)表4。

表4 級(jí)配組成

采用振動(dòng)壓實(shí)成型法，以3%泡沫瀝青用量制備3組級(jí)配的試件，通過(guò)劈裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)各組級(jí)配下的混合料性能。為了保證制備過(guò)程中具有較好的拌和效果和壓實(shí)度，需確定各組級(jí)配下的最佳含水率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同級(jí)配下的混合料路用性能對(duì)比

由表5 可知：級(jí)配A 的劈裂強(qiáng)度不符合規(guī)范要求，對(duì)比級(jí)配B 和級(jí)配C 的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可知，級(jí)配C的高溫穩(wěn)定性較差，因此選擇級(jí)配B作為本文泡沫瀝青冷再生混合料的級(jí)配。

（3）最佳泡沫瀝青用量的確定

泡沫瀝青的用量參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG 5521—2019）確定，將規(guī)范中馬歇爾試件成型方式替換為振動(dòng)壓實(shí)成型，制備泡沫瀝青用量分別為2.2%, 2.4%, 2.6%, 2.8%, 3.0%, 3.2%的混合料試件，將帶有試模的混合料試件放置于60℃烘箱中養(yǎng)生72h，冷卻12h 后脫模，并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，最終確定最佳泡沫瀝青用量為2.6%。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本文依托四川省某高速公路大中修工程，探討泡沫瀝青冷再生技術(shù)在高速公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用情況。該高速公路為雙向4 車道，路基寬度為28m，2008 年通車至今出現(xiàn)了大量嚴(yán)重病害，經(jīng)檢測(cè)決定銑刨至水穩(wěn)基層。原路面結(jié)構(gòu)為：4cm 厚AC-13 上面層+6cm 厚AC-20中面層+6cm厚AC-25下面層+22cm厚水穩(wěn)碎石基層?，F(xiàn)選取K171+600—K172+100作為試驗(yàn)段，設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)為4cm厚SMA-13+6cm厚AC-20+26cm厚泡沫瀝青再生基層。

3.2 施工質(zhì)量控制技術(shù)

（1）最佳含水量與最大干密度控制

泡沫瀝青冷再生層的壓實(shí)度主要受含水量及干密度影響。由于泡沫瀝青自身發(fā)泡需要用水，因此在生產(chǎn)過(guò)程中拌和用水應(yīng)控制在最佳含水率的70%～85%，同時(shí)在施工過(guò)程中及時(shí)檢測(cè)再生料的含水率，動(dòng)態(tài)控制以保證再生層的壓實(shí)度。

（2）拌和質(zhì)量控制

在控制再生混合料的拌和質(zhì)量時(shí)，可以先通過(guò)目測(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)定，再進(jìn)行細(xì)致評(píng)定。目測(cè)時(shí)，可以用手將混合料捏團(tuán)，若混合料無(wú)法有效形成緊密團(tuán)塊，說(shuō)明材料拌和質(zhì)量不佳，此時(shí)需要對(duì)拌和生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

（3）壓實(shí)工藝

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)，最終確定碾壓方案為：先采用BW202AD-2雙鋼輪壓路機(jī)以1.5～1.7km/h的速度前靜后振初壓1 遍、弱壓1 遍，再采用LSD226H 單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)以1.8～2.0km/h 的速度高頻低幅振壓4 遍，最后采用YL25膠輪壓路機(jī)進(jìn)行終壓直至無(wú)輪跡。

（4）養(yǎng)生工藝

養(yǎng)生期間封鎖交通不允許車輛通行，養(yǎng)生時(shí)間不少于7d，養(yǎng)生期間不需要灑水，當(dāng)再生層能夠取出完整芯樣且含水率低于2%時(shí)，可以提前結(jié)束養(yǎng)生。

3.3 施工質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)冷再生混合料進(jìn)行取樣和室內(nèi)60℃養(yǎng)生測(cè)試，并在下面層施工結(jié)束后、竣工一年后取樣檢測(cè)，對(duì)比分析實(shí)際施工過(guò)程中再生料生產(chǎn)質(zhì)量、下面層施工質(zhì)量、竣工通車一年后路面性能，結(jié)果見(jiàn)表6。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，在上述質(zhì)量控制技術(shù)下施工的泡沫瀝青冷再生混合料下面層，其性能滿足質(zhì)量要求，試驗(yàn)段應(yīng)用效果良好。

表6 不同時(shí)期再生料的性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)泡沫瀝青制備工藝各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行探討，優(yōu)選出最佳制備原料和工藝：基質(zhì)瀝青SK70、水壓0.55MPa、氣壓0.4MPa、發(fā)泡溫度160℃、發(fā)泡用水量3%。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)振動(dòng)壓實(shí)法成型混合料試件，基于馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)結(jié)果，確定了最佳級(jí)配和最佳泡沫瀝青用量。通過(guò)實(shí)際工程試驗(yàn)段，總結(jié)了拌和用水、拌和質(zhì)量、壓實(shí)工藝、養(yǎng)生工藝等質(zhì)量控制點(diǎn)，確保了施工質(zhì)量符合要求，可為同類工程提供參考。