泡沫沥青厂拌冷再生技术在高速公路改扩建工程中的应用

王 莹

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

根据全国交通大发展的要求，秉着低碳环保、资源再利用的原则，结合某高速公路改扩建工程建设，采用厂拌冷再生技术，将回收的旧沥青路面材料(RAP),加入部分新集料和泡沫沥青等按一定比例混合后再生作为新的沥青路面材料，用于路面结构层，节约了沥青及大量砂石材料，降低了工程造价，促进了节约型交通发展。

1 泡沫沥青冷再生技术原理及特点

泡沫沥青冷再生混合料由废旧沥青混合料、水泥、水、一定量的新集料和泡沫沥青组成。沥青在高温状态下加入少量水，会产生微细泡沫同时体积膨胀，物理性质会暂时发生变化，粘度显著降低，可以与冷湿粒料拌和均匀，这种状态下的沥青称为泡沫沥青。处于泡沫状态的沥青表面张力降低，与高速搅拌状态下的冷湿集料具有良好的裹覆性能，而这种裹覆作用在常温下主要针对集料的细集料部分，形成高粘度的沥青胶浆，并在压实作用下与粗集料粘结而形成强度。

1.1 沥青发泡原理

当高温沥青与常温冷水滴接触时，将发生反应：热沥青与小水滴表面进行热量(能量)交换，水滴温度上升至100℃，沥青冷却；沥青传递的热量超过了蒸汽潜热，使其体积膨胀，产生蒸汽。蒸汽泡在一定压力下压入沥青的连续相；随着溶有大量蒸汽泡的沥青从喷嘴喷出，压缩蒸汽膨胀使略微变凉的沥青形成薄膜状，并依靠薄膜的表面张力将气泡完全裹附；由于沥青与水的低导热性，这种平衡能够维持数秒的时间；发泡过程中产生的气泡只能以一种亚稳定态的形式存在，容易破灭。沥青发泡的基本过程及效果见图1、图2。

图1 沥青发泡原理

图2 发泡沥青的效果(AH-70)

1.2 沥青发泡效果的衡量指标

膨胀率(发泡体积倍数)和半衰期是沥青发泡效果的两个评价指标。膨胀率是沥青在发泡状态下的最大体积与未发泡状态下的体积之比。膨胀率越大，泡沫沥青与集料越能充分接触，形成良好的裹附作用，拌制的混合料效果越好，本项目规定膨胀率不小于12%。半衰期是泡沫沥青最大体积缩小到该体积一半所用的时间，该指标描述了沥青泡沫的稳定性，半衰期越长，说明泡沫越不容易衰减，可以增加与集料接触与拌和的时间，提高泡沫沥青混合料的质量，本项目规定半衰期不小于10s。

1.3 影响发泡指标的因素

泡沫沥青的膨胀率和半衰期的影响因素较多，首先是加水量，增加发泡水用量可以有效增加产生泡沫的体积，同时膨胀率增大。而单个泡沫体积的增加减少了沥青薄膜的厚度，使泡沫不稳定而导致半衰期减小，因此，膨胀率和半衰期与发泡用水量成相反关系，如图3所示。沥青的稳定性直接影响到泡沫沥青的质量，本项目采用盘锦八方实业有限公司生产的A级70#基质沥青，各项指标符合设计要求，性能稳定。同时还受到沥青温度的影响，沥青的粘度与其温度成反比关系，当温度增加时，粘度减小，理论上，较低的粘度，发泡过程中在水改变状态时就会形成较大的泡沫，因此要获得满意的发泡效果，沥青发泡前的温度应控制在140℃以上。另外增加输送管道的压力可以使流经这些通口的液体分散(成雾状)，从而改善泡沫的均匀性。

图3 一定温度下沥青发泡特性曲线

2 回收沥青路面材料(RAP)分析

2.1 RAP的铣刨和级配控制

铣刨料的级配是影响混合料路用性能的重要因素，而铣刨设备种类、设备运行速度、原路面级配类型等因素都会影响到RAP的级配。要想获得理想的再生混合料级配，必须对路面的铣刨有严格要求。通过预铣刨，确定铣刨过程中的各项参数，铣刨的速度在4～5m/min时，不同路面结构形式级配比较接近，级配曲线适中。

2.2 RAP的预处理

厂拌再生时，回收沥青路面材料(RAP)必须经过预处理后才可使用。使用机具将一个料堆的回收沥青路面材料(RAP)充分混合，然后用破碎机进行破碎，使回收沥青路面材料(RAP)最大粒径小于再生沥青混合料最大公称粒径，不应有超粒径材料。根据再生混合料的最大公称粒径合理选择筛孔尺寸，将处理后的回收沥青路面材料(RAP)筛分成不少于两档的材料，材料的质量要求详见表1。在转运和堆放过程中避免回收沥青路面材料(RAP)发生离析，料仓中的回收沥青路面材料(RAP)应及时使用，避免长时间堆放。

表1 厂拌冷再生RAP检测项目与质量要求

3 泡沫沥青冷再生混合料配合比设计

3.1 原材料

泡沫沥青混合料中，加入泡沫沥青和RAP之外，还要加入少量水泥，以促使沥青尽快破乳，提高混合料的早期强度，同时还可以改善混合料的高温稳定性和水稳定性等性能。另外回收路用材料RAP级配不能满足要求，必须加入新集料调整配合比。本项目泡沫沥青冷再生混合料所选用的原材料包括：碎石(20～30mm)、RAP(9.5～31.5mm、0～9.5mm)、石屑(0～3mm)、水泥(P.O42.5缓凝)、A级70#道路石油沥青。通过对原材料进行检测，性能符合规范要求后，进行配合比设计。

3.2 合成级配

首先对铣刨料RAP进行合理取样，通过筛分试验，确定其级配，与设计级配范围进行比较，根据需要加入新集料。混合料级配要关注0.075mm筛孔通过率，以确保有充足的细料。该项目最终矿料级配设计见表2。

表2 各矿质组成材料质量所占比例

3.3 确定最佳含水率

参照JTG E40-2007规范T0131方法，对合成矿料进行击实试验，确定最佳含水率。泡沫沥青试验用量为3.0%，根据击实曲线，见图4，确定混合料的最佳含水率为4.8%，且此时对应的最大干密度为2.148g/cm3。

图4 击实曲线

3.4 确定最佳泡沫沥青用量

根据规范要求，预估沥青油石比为2.9%，以2.9%为中值，按照2.3%、2.6%、2.9%、3.2%、3.5%泡沫沥青油石比，保持最佳含水率4.8%不变，制作马歇尔试件，制件及养生方法按JTG F41-2008附录D执行。各组油石比试件进行15℃干湿劈裂试验、25℃冻融破裂试验，试验结果见表3，通过对干湿劈裂试验、冻融破裂试验以及试件密度进行综合分析，结合工程经验，最终确定泡沫沥青最佳油石比为2.9%，通过动稳定度性能检验结果合格，见表4。

表4 泡沫冷再生混合料配合比设计性能检验

4 泡沫沥青冷再生施工工艺

4.1 施工准备

(1)施工前应确认下承层密实平整，强度符合设计要求。摊铺前在下承层表面喷洒乳化沥青，喷洒用量为纯沥青用量的0.2～0.3kg/m2。

(2)试验段的铺筑。施工前应在主线上铺设不少于200m的试验段，目的在于从施工工艺、施工管理、工程质量以及施工安全等方面验证材料施工配合比及施工方案等的可行性，为大面积施工提供技术参数。

(3)厂拌冷再生应采用专用的拌和设备，其生产能力应与摊铺设备的生产能力相匹配，一般不小于200t/h，且其拌和后的冷再生混合料应均匀一致，无结团成块现象发生，既要拌和均匀，也不能产生过度拌和的现象。

(4)运输混合料应选用载重量15t以上的自卸车，其数量满足连续摊铺施工需要，车辆运输能力应超过拌和能力和摊铺能力，不能出现摊铺机等待料车的情况。向料车装料时，为减少混合料离析现象，应前后移动车辆位置，平衡装料。

4.2 摊铺

(1)厂拌冷再生混合料施工气温宜在10℃以上，且不得在雨天施工。

(2)应采用摊铺机摊铺，熨平板不需要加热。摊铺速度根据拌和能力、运输能力、摊铺宽度和厚度等综合确定，做到缓慢、均匀、连续不断地摊铺，速度控制在2～4m/min的范围内，中途不得随意变换速度或停顿。若摊铺后的混合料出现明显离析、波浪、裂缝、拖痕时应及时停止工作，分析原因并予以消除。松铺系数根据试验段铺筑的结果确定，一般在1.25～1.30之间。

4.3 压实

(1)钢轮压路机、轮胎压路机的数量及吨位要依据再生层厚度、压实度等要求来确定。单幅摊铺宽度不超过4.5m时，宜配备16t以上单钢轮振动压路机、25t以上胶轮压路机、11t以上双钢轮振动压路机各一台；单幅摊铺宽度超过4.5m时，宜配备上述压路机各两台。

(2)根据试验段确定合理的碾压工艺。经验不足时可参照下述工艺实施：初压采用双钢轮压路机1～3遍，第一遍前进采用静压方式，其它压实遍数在不发生混合料推移的情况下都应采用振动压实；复压采用单钢轮压路机振动压实3～5遍，终压采用轮胎压路机静压4～6遍，根据需要确定是否采用双钢轮压路机静压收光。初压速度宜为1.5～3km/h，复压和终压速度宜为2～4km/h。

4.4 养生及开放交通

(1)冷再生层养生后方可再加铺上层结构，一般养生时间为3～7d，不宜少于48h。当再生层用Φ150mm钻头的钻芯机可取出完整的芯样或含水率低于2%时，可结束养生。

(2)不应通过添加大剂量水泥的方式提高冷再生混合料早期强度。

(3)冷再生层宜在封闭交通条件下自然养生，24h后根据工程需要允许小型车辆通过，但应严格限制重型车辆。车辆行驶速度应控制在40km/h以内，并严禁车辆在再生层上调头和急刹车。

5 结语

泡沫沥青冷再生混合料作为柔性基层应用到高速公路改扩建工程中，改变了单一的半刚性基层加铺沥青路面的结构状况，优化了路面组合形式，延长了路面使用寿命，同时将废旧路面沥青材料再生利用，变废为宝，达到了节约资源、环境保护的目的。加强和推广泡沫沥青冷再生技术的应用具有十分重要的意义。