乳化沥青厂拌冷再生技术在高速公路大中修中的应用研究

韩庆奎，李泉，向思南，吴超凡，张继森

（湖南云中再生科技股份有限公司，湖南 长沙 410000）

0 前言

潭邵高速起于京港澳高速殷家坳互通以东2 km，向西穿越湘潭、娄底、邵阳三市，止于隆回县周旺铺镇，与邵怀高速对接，全长220.1 km，于2002年12月建成通车，已运营多年。为改善通行条件，提升道路服务水平，湖南省政府决定对潭邵高速公路进行大修，并将该项目纳入2016年湖南省重点建设项目。该路段车流量大，重载车辆比例增多，路面结构破坏严重。

由于原路面整体结构承载力偏低，面层龟网裂、松散病害严重。为节省材料的运输、加工等成本，且使原路面能有效的重复利用，现对部分路段采取乳化沥青厂拌冷再生技术用于面层与基层结构的处理方案。乳化沥青厂拌冷再生技术的项目实践经验表现出其经济、环保、高效、稳定等优点，国内目前在江西、安徽、北京、江苏、上海、陕西、江苏、河南等地已开始在高速公路上大规模应用。而在国外，欧美、日本、前苏联等国家和地区自1973年石油危机爆发以来就开始发展再生技术，厂拌冷再生技术已相对纯熟[1-4]。乳化沥青冷再生技术其中最为关键的环节在于乳化沥青的试验与生产。20世纪80年代，我国制定了乳化沥青质量技术要求，阳离子乳化沥青得到了快速发展，并开始广泛应用于粘层、透层、表面处治、贯入、冷拌碎石和稀浆封层技术[1，5-6]。本文针对潭邵高速大中修项目，对乳化沥青冷再生技术中乳化沥青的试验与生产进行了系统性的阐述，以期推进行业规范化及技术领域拓展。

1 原材料

1.1 基质沥青

基质沥青采用中石化金陵70#沥青，所测性能指标均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表1 中石化金陵70#沥青的常规性能指标

1.2 乳化剂、盐酸、水

试验中采用 TL、KZW、SBT、DRD、PN 共 5 种乳化剂；盐酸为市场常见工业盐酸；水为饮用水。

1.3 石料、水泥、矿粉

本试验采用的新集料为棋梓桥9.5～19 mm、4.75～9.5 mm石灰石，其性能指标见表2；水泥：双峰海螺P·O42.5水泥，其性能指标见表3，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，掺量取1%，不参与级配合成；矿粉：亲水系数0.4、含水率0.09%，塑性指数2.2%，密度2.786 g/cm3，符合JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》的要求，根据级配要求掺量为2%。

表2 粗集料的性能指标

表3 水泥的性能指标

1.4 混合料级配设计

根据JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》，乳化沥青冷再生混合料设计的级配范围如表4所示。

表4 乳化沥青冷再生混合料设计（中粒式）级配范围

2 乳化沥青

2.1 乳化沥青实验室制备流程

（1）将90℃以上开水倒入胶体磨中循环预热30 s左右，待皂液和沥青准备好后将水排空。

（2）将沥青定量倒入坩埚（需考虑沥青损耗），加热至135～140℃。乳化剂、水、盐酸按比例配制皂液，加温至55～60℃。

（3）将皂液倒入胶体磨，开启循环后均匀缓慢加入称量好的沥青（1 min左右），循环剪切30～60 s后（加完沥青后计时），成品桶装密封，待冷却至室温后检测指标。

实验室制备乳化沥青注意事项为：（1）乳化沥青试验室小样每次生产1 kg，改性乳化沥青每次生产0.5 kg；（2）乳化剂掺量和稳定剂掺量均按占乳化沥青质量计；（3）更换配方，用新配方配制的皂液洗胶体磨后，方可继续试验；（4）试验完成后，需用皂液和热水冲洗胶体磨，并用毛巾覆盖胶体磨进料口。

2.2 乳化沥青选择

参照JTG F41—2008，乳化沥青性能应符合表5的要求。

表5 乳化沥青的指标要求

由表5可见，采用SBT与DRD乳化剂制备的乳化沥青性能符合JTG F41—2008的质量要求，对这2种乳化沥青进行粒度分析，结果分别见图1、图2。

图1 采用乳化剂SBT EA503乳化沥青的粒度分析

图2 采用乳化剂DRD 820乳化沥青的粒度分析

由图1、图2分析可知，采用乳化剂SBT EA503乳化沥青的模数粒径SMD（峰值最高点对应的粒径）为1.34 μm、平均粒径VMD为2.73 μm；采用乳化剂DRD 820乳化沥青的模数粒径SMD为7.23 μm、平均粒径为16.34 μm。乳化沥青平均粒径越小，乳液分散越均匀，储存稳定性越好，储存稳定性数据（见表5）也印证了这一规律；同时乳化沥青平均粒径越小，沥青分子比表面积越大，用量相对减少，经济性越好。JTG F41—2008暂未对乳化沥青粒度分析作为一项必检指标，因此将乳化沥青粒度分析试验纳入规范试验尤为重要。本研究选用SBT EA503制备的乳化沥青作为冷再生用乳化剂。

2.3 乳化沥青生产工艺

通过生产过程监测和实验室试验相结合的方式，确定最终乳化沥青生产工艺：

（1）70#基质沥青温度：135～140℃，皂液温度：55～60℃；

（2）乳化剂按配方掺量为2.5%～3.0%（内掺，占乳化沥青质量），其中冷再生乳化沥青乳化剂掺量根据室外气温确定，30℃以下：掺量 2.5%；30～35℃：掺量 2.6%；35～40℃：掺量 2.7%～2.8%；40℃以上：掺量3.0%；

（3）需调酸时，皂液（乳化剂与水混合液体）的pH值控制在1～2左右（精密pH试纸变成浅红色）；

（4）开机顺序为：乳化机、皂液泵、沥青泵，关机顺序为：沥青泵、皂液泵、乳化机。

乳化沥青生产工艺注意事项为：（1）基质沥青与皂液的温度不宜超过推荐温度；（2）在配制皂液过程中，需对皂液进行搅拌；（3）在盐酸添加过程中，控制添加速度随时检查pH值，并不停地对皂液进行搅拌；（4）控制好沥青与皂液的流量，确保固含量满足规范要求，生产完成后清洗管道；（5）成品乳化沥青必须防止单独罐中，不可与其它类乳化沥青混合；（6）对成品罐中乳化沥青定期搅拌（2次/d），尽量15 d内用完。

3 冷再生乳化沥青混合料试验验证

依据JTG F41—2008和《G60潭邵高速公路大修工程乳化沥青厂拌冷再生施工技术指南》[7]，按设计的级配、最佳乳化沥青用量、最佳含水量制作试件，进行空隙率、马歇尔残留稳定度比、冻融劈裂强度比、车辙动稳定度等试验验证。测试结果见表6，钻芯取样效果见图3。

表6 验证试验测试结果

图3 SBT EA503冷再生沥青混合料钻芯效果

经冷再生乳化沥青混合料相关试验验证，各项指标均符合JTG F41—2008和项目要求指标，且经2～7 d养生期后对高速公路混合料成品Φ150 mm钻芯取样（见图3）可见，芯样完整、表观密实，达到验收标准（冷再生沥青混合料总含水量小于2%或用Φ150 mm钻头可取出完整芯样），由此验证了乳化沥青在质量合格的基础上，其混合料完全满足高速公路的路用性能要求。

4 结论

（1）乳化沥青冷再生技术其中最为关键的环节在于乳化沥青的试验与生产，先对TL、KZW、SBT、DRD、PN共5种乳化剂制备的乳化沥青进行测试，初选合格乳化剂为SBT和DRD。

（2）经乳化沥青粒度分析试验发现，乳化沥青平均粒径越小，乳液分散越均匀，储存稳定性越好；乳化沥青平均粒径越小，沥青分子比表面积越大，用量相对减少，经济性越好。JTG F41—2008暂未对乳化沥青粒度分析作为一项必检指标，因此将乳化沥青粒度分析试验纳入规范指标试验尤为重要。

（3）通过实验室试验和大生产过程监测相结合的方式，确定了实验室试验机器90℃以上开水过磨30 s，135～140℃沥青温度、55～60℃皂液温度过磨1 min左右的实验室生产方案；以及大生产过程乳化沥青各成分温度控制，乳化剂随室外温度的掺量变化，调酸工艺和设备开关机顺序等注意事项的大生产工艺。

（4）由冷再生乳化沥青混合料相关试验验证，各项指标均符合JTG F41—2008和项目要求指标，且经2～7 d养生期后对高速公路混合料成品Φ150 mm钻芯取样可见，芯样完整、表观密实，符合验收标准。

[1] 拾方治，马卫民.沥青路面再生技术手册[M].人民交通出版社，2006.

[2] Murphy D，Emery J.Modified cold in-place recycling[C]//XIIIth World meeting of the International Road Federation，1997.

[3] Thomas T，Kadrmas A，Huffman J.Cold in-place recycling on US-283 in Kansas[J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board，2000（1）：53-56.

[4] 日本道路协会.日本路面废料再生利用技术指南[M].北京：人民交通出版社，1990.

[5] 郭银涛.高性能沥青路面厂拌冷再生面层技术研究[D].南京：东南大学，2013.

[6] 虎增福.道路用乳化沥青的生产与应用[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7] 湖南省交通科学研究院.G60潭邵高速公路大修工程乳化沥青厂拌冷再生施工技术指南[R].2016.