泡沫瀝青溫拌再生技術(shù)工程應(yīng)用

冷紅松，皮慶柏，齊鑫，李肖杰，蔣進(jìn)

（貴州省安順公路管理局，貴州 安順 561000）

0 引言

據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，2020年末我國(guó)公路總里程達(dá)519.81萬(wàn)km。其中，公路養(yǎng)護(hù)里程514.4萬(wàn)km，占公路總里程的99%[1]。在公路養(yǎng)護(hù)、重修和改建過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料。據(jù)估計(jì)，我國(guó)每年公路養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料達(dá)2億噸[2]。廢棄瀝青混合料如果不加以利用，會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和造成資源浪費(fèi)。2021年2月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，全方位全過(guò)程推行綠色規(guī)劃、綠色設(shè)計(jì)、綠色投資、綠色建設(shè)等事業(yè)，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系，確保實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。因此，研究低碳、環(huán)保的廢舊瀝青路面再生利用技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

我國(guó)瀝青路面再生利用技術(shù)正快速發(fā)展，廠拌熱再生是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一。但廠拌熱再生技術(shù)存在能耗高、污染大、瀝青二次老化等問(wèn)題[3]。泡沫瀝青溫拌技術(shù)是一種成本低、效果好的再生技術(shù)，國(guó)內(nèi)在泡沫瀝青生產(chǎn)設(shè)備、泡沫瀝青發(fā)泡參數(shù)以及泡沫瀝青混合料的性能方面已有一定的研究[4-7]。目前，國(guó)內(nèi)外溫拌瀝青混合料技術(shù)主要有表面活性溫拌技術(shù)、有機(jī)降黏劑溫拌技術(shù)及泡沫瀝青溫拌技術(shù)。溫拌再生技術(shù)能夠有效解決廠拌熱再生的缺陷，具有如下優(yōu)勢(shì)[8-9]：

（1）節(jié)能減排，溫拌再生拌和溫度比廠拌熱再生低20～30℃，能夠有效減少生產(chǎn)過(guò)程中有害氣體的排放，節(jié)約能源；

（2）降低廢舊瀝青混合料的老化程度，溫拌再生較低的拌和溫度可以減輕廢舊瀝青的二次老化現(xiàn)象，同時(shí)減輕“粘鍋”現(xiàn)象；

（3）提高廢舊瀝青混合料的利用率，溫拌再生的廢舊瀝青混合料用量可比熱再生提高20%～30%；

（4）提高施工和易性，溫拌再生瀝青混合料的降溫速率慢，可以延長(zhǎng)攤鋪、碾壓時(shí)間。

本文依托貴州省安順市公路項(xiàng)目進(jìn)行泡沫瀝青溫拌再生技術(shù)的應(yīng)用研究，包括泡沫瀝青溫拌再生混合料的設(shè)計(jì)以及施工工藝。通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用，對(duì)泡沫瀝青溫拌再生技術(shù)的施工和應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。

1 泡沫瀝青溫拌再生混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 泡沫瀝青制備

采用Wirtgen公司生產(chǎn)的WLB10S瀝青發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)制備泡沫瀝青，該設(shè)備能夠逼真地模擬現(xiàn)場(chǎng)施工的情形，每批次生產(chǎn)的泡沫瀝青質(zhì)量能達(dá)到10～20kg。泡沫瀝青的制備方法如下：①向水罐注水；②向氣罐充氣；③開(kāi)啟加熱系統(tǒng)；④開(kāi)啟瀝青泵；⑤標(biāo)定瀝青流量；⑥設(shè)置發(fā)泡時(shí)水的流量；⑦泡沫瀝青生產(chǎn)，制作混合料；⑧清空瀝青罐；⑨瀝青循環(huán)管道的清潔。通過(guò)對(duì)水溫、用水量和瀝青溫度對(duì)發(fā)泡效果的研究，確定制備泡沫瀝青的最佳參數(shù)為：瀝青加熱溫度160℃、最佳用水量3%、加水溫度30℃。

1.2 泡沫瀝青溫拌再生混合料設(shè)計(jì)

進(jìn)行Sup-20瀝青混合料設(shè)計(jì)，廢舊瀝青混合料摻量為20%，瀝青混合料的合成級(jí)配如表1所示。室內(nèi)泡沫瀝青溫拌再生混合料的拌和方法為：將生產(chǎn)好的泡沫瀝青倒入一個(gè)空容器中，然后倒入已經(jīng)稱(chēng)好的熱集料，在攪拌鍋中拌和，拌和溫度為145℃。為更好地模擬壓實(shí)過(guò)程中荷載對(duì)路面的搓揉作用，模擬路面的壓實(shí)過(guò)程。本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)進(jìn)行泡沫瀝青溫拌再生混合料的設(shè)計(jì)。在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀在60kPa豎直壓力下，以1.25°的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)角、30r/min的速率旋轉(zhuǎn)，使瀝青混合料在豎向壓力與水平剪力的共同作用下壓密。在成型溫拌再生瀝青混合料時(shí)，壓實(shí)溫度為135℃。取空隙率為4%時(shí)的瀝青用量為最佳瀝青用量，即4.34%。在此瀝青用量下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的體積指標(biāo)如表2所示。依據(jù)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)獲得的配合比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表2和表3可知，所設(shè)計(jì)的泡沫瀝青溫拌再生瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)都滿(mǎn)足要求。

表1 Sup-20瀝青混合料合成級(jí)配

表2 Sup-20旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件體積指標(biāo) 單位：%

表3 Sup-20馬歇爾試件體積指標(biāo)

2 泡沫瀝青溫拌再生混合料性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

采用輪碾成型法制作尺寸為300mm×300mm×50mm的車(chē)轍試驗(yàn)試塊，試塊成型后連同試模一起在常溫下放置不少于12h，試驗(yàn)前將試件連同試模一起置于已達(dá)到試驗(yàn)溫度60±1℃的恒溫室中，保溫不少于5h。將試件連同試模移置于輪轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，控制試驗(yàn)輪與試件的接觸壓強(qiáng)為0.7±0.05MPa，試驗(yàn)時(shí)記錄儀自動(dòng)記錄變形曲線及試件溫度。圖1所示為泡沫瀝青溫拌再生混合料和熱拌再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度?？梢?jiàn)，泡沫瀝青溫拌再生混合料的高溫穩(wěn)定性滿(mǎn)足技術(shù)要求，并且明顯優(yōu)于熱拌再生瀝青混合料。

圖1 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低溫抗裂性

采用由輪碾成型的板塊切割棱柱體小梁試件，尺寸為長(zhǎng)250mm±2mm、寬30mm±2mm、高35mm±2mm。試驗(yàn)前將試件置于-10±0.5℃的恒溫空氣中3h以上，直至試件內(nèi)部溫度達(dá)到-10±0.5℃為止。以50mm/min的加載速率在跨徑中央施以集中荷載，直至試件破壞。記錄儀同時(shí)記錄荷載-跨中撓度曲線，根據(jù)該曲線計(jì)算混合料試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變。圖2是泡沫瀝青溫拌再生混合料和熱拌再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變。由圖2可知，泡沫瀝青溫拌再生混合料的低溫抗裂性能滿(mǎn)足技術(shù)要求，但低于熱再生瀝青混合料。

圖2 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究瀝青混合料的水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗(yàn)方法為成型2組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)試件。水箱溫度60±1℃。試件分為兩組，一組在水箱中存放0.5h，一組存放48h。分別進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，加載速率為50mm/min。凍融劈裂試驗(yàn)時(shí)先將試件進(jìn)行真空飽水，然后進(jìn)行凍融循環(huán)，對(duì)所有試件進(jìn)行試驗(yàn)以確定其劈裂強(qiáng)度。圖3所示為水穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知，泡沫瀝青溫拌再生混合料的水穩(wěn)定性滿(mǎn)足技術(shù)要求，但略低于熱拌再生瀝青混合料。

圖3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 抗老化性能

本文分別使用烘箱加熱和紫外線照射的方法模擬泡沫瀝青溫拌再生混合料的長(zhǎng)期熱老化和長(zhǎng)期光老化。長(zhǎng)期熱老化試驗(yàn)方案：將拌和好的混合料先按照規(guī)范進(jìn)行短期老化，在短期老化后制作低溫小梁試件，將小梁試件放在平盤(pán)上，放入85℃±3℃的烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)條件下連續(xù)加熱5d（120h±0.5h）。5d后關(guān)閉烘箱，經(jīng)自然冷卻不少于16h至室溫，取出試件，進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)。長(zhǎng)期光老化試驗(yàn)方案：將拌和好的混合料先按照規(guī)范進(jìn)行短期老化，在短期老化后制作低溫小梁試件，將成型好的試件放入紫外老化試驗(yàn)箱進(jìn)行長(zhǎng)期光老化，其中濕度85%RH，老化光照強(qiáng)度500W/m2，老化時(shí)間18d。老化結(jié)束后關(guān)閉老化試驗(yàn)箱，取出試件，進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)。圖4所示為泡沫瀝青溫拌再生混合料老化試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可知：長(zhǎng)期熱老化之后，泡沫溫拌再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變衰減12.3%；長(zhǎng)期光老化之后，泡沫溫拌再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變衰減39.1%。

圖4 老化試驗(yàn)結(jié)果

3 泡沫瀝青溫拌再生混合料施工工藝

3.1 拌和

通過(guò)改造瀝青拌和樓，安裝瀝青發(fā)泡裝置及遠(yuǎn)程控制裝置，實(shí)現(xiàn)泡沫溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)。泡沫溫拌設(shè)備通過(guò)軟管與高溫瀝青相連，按一定比例向高溫瀝青中添加水。水急劇汽化，使瀝青體積迅速膨脹，生成泡沫瀝青，從而顯著降低瀝青黏度，改善瀝青混合料施工和易性，使混合料在相對(duì)較低的溫度下即可進(jìn)行攤鋪，并碾壓密實(shí)。

泡沫溫拌再生瀝青混合料Sup-20采用一臺(tái)4000型拌和樓進(jìn)行拌和，全部生產(chǎn)由計(jì)算機(jī)控制完成，并配備打印功能。拌和樓產(chǎn)量約為260t/h，每盤(pán)重量設(shè)定值為3.6t，每盤(pán)生產(chǎn)周期約為64s（從熱料倉(cāng)向拌缸放料12s，濕拌42s，卸成品料10s）。集料加熱溫度為150℃，瀝青加熱溫度為160℃。

3.2 運(yùn)輸

混合料運(yùn)輸采用自卸汽車(chē)，運(yùn)輸車(chē)裝料按“前、后、中”順序裝料，防止混合料在裝料過(guò)程中產(chǎn)生離析。在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)泡沫溫拌再生瀝青混合料Sup-20的出料溫度分別進(jìn)行抽查。全部運(yùn)輸車(chē)用全新篷布覆蓋，料車(chē)兩側(cè)及后端覆蓋到位，車(chē)身兩側(cè)安裝保溫隔膜，既保證混合料運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的溫度，又可防止混合料在運(yùn)輸過(guò)程中免受粉塵等的污染。運(yùn)輸過(guò)程中溫度損失平均約為8℃，料車(chē)在現(xiàn)場(chǎng)等待過(guò)程中溫度損失平均約為3℃，每輛料車(chē)平均裝料時(shí)間約為22min。

3.3 攤鋪和碾壓

采用1臺(tái)ABG7620型攤鋪機(jī)進(jìn)行作業(yè)。攤鋪時(shí)攤鋪機(jī)均采用非接觸式平衡梁控制鋪面厚度和平整度，攤鋪速度控制設(shè)定在3m/min。壓實(shí)工藝如表4所示。初壓階段采用1臺(tái)VOLVO雙鋼輪壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)后面，采取前靜后振方式壓2遍。復(fù)壓階段采用2臺(tái)XP303S壓路機(jī)，碾壓4遍。終壓階段采用1臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行收光。在施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽查碾壓溫度，初壓溫度控制在135～145℃，復(fù)壓溫度控制在120～130℃。

表4 壓實(shí)工藝

3.4 試驗(yàn)檢測(cè)

施工現(xiàn)場(chǎng)取混合料制備旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件和馬歇爾試件，檢測(cè)礦料間隙率、瀝青飽和度、空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和流值，試驗(yàn)結(jié)果都能滿(mǎn)足規(guī)范要求。進(jìn)行抽提試驗(yàn)，檢驗(yàn)泡沫瀝青溫拌混合料的油石比和礦料級(jí)配，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從抽提結(jié)果看，2.36mm篩孔通過(guò)率略低，溫拌瀝青混合料油石比及礦料其余篩孔通過(guò)率均滿(mǎn)足要求。

在試驗(yàn)段鉆取5個(gè)芯樣，芯樣位置、芯樣厚度、芯樣密度及壓實(shí)度如表6所示。根據(jù)壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果可知，馬氏壓實(shí)度的平均值滿(mǎn)足要求，理論壓實(shí)度平均值也滿(mǎn)足要求。

表5 抽提試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

表6 壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 （續(xù)）

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法設(shè)計(jì)泡沫瀝青溫拌混合料，確定最佳瀝青用量。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的泡沫瀝青溫拌再生混合料的體積指標(biāo)和力學(xué)性能都滿(mǎn)足要求。

本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，闡述了泡沫瀝青溫拌再生混合料的施工工藝，包括拌和工藝、運(yùn)輸要點(diǎn)、壓實(shí)工藝及質(zhì)量控制。試驗(yàn)路鋪筑及檢測(cè)結(jié)果表明，泡沫瀝青溫拌再生混合料性能滿(mǎn)足要求，可以降低施工溫度，有利于節(jié)能環(huán)保。