泡沫沥青冷再生技术简介

王锐军 李国芬 李强

摘 要：由于泡沫沥青具有良好的现场性能和环境友好的优点，泡沫沥青冷再生技术已成为公路建设和养护发展的一个重要方向。本文从泡沫沥青及其发泡机理、泡沫沥青冷再生混合料、泡沫沥青冷再生技术及其施工工艺等方面对泡沫沥青冷再生技术进行介绍。

关键词：泡沫沥青; 冷再生混合料; 冷再生技术; 施工工艺

中图分类号：U414         文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2021）10-213-002

1.技术背景

目前公路建设提倡资源节约、环境友好的绿色发展理念[1]。近年来，泡沫沥青作为沥青结合料进行冷再生又引起了广泛注意并得到新的应用[2]。泡沫沥青冷再生技术有效地解决了废旧路面原材料在城市中的堆放、垃圾排放、废弃物污染环境等方面的问题，实现了对路面废旧原材料进行再生和循环的综合利用，减少了石料等矿物资源的开采，降低了道路养护维修成本，符合国家循环经济、可持续发展和节约资源、环境友好的发展目标，社会和环境效益明显。

2.泡沫沥青冷再生混合料

2.1泡沫沥青及其发泡机理

在极短的时间内将众多细微水体颗粒喷入高温沥青中，水体颗粒遇热形成气泡使沥青体积迅速膨胀，从而产生大量的沥青泡沫，沥青泡沫随后会出现破裂，这种包含水、气、沥青的三相混合体就是泡沫沥青[3]。当泡沫沥青与集料相互接触时，沥青泡沫瞬间就变成了数以万计的小颗粒而散布在细料的表面，形成了一层黏稠附着大量泡沫沥青的细料和其他填料的缝料，经过拌和与压实，这些缝料可以均匀填充在不同粗料之间的孔洞中，使得泡沫沥青冷再生混合料整体内部结构更加密实稳固，从而其强度得到提高。

沥青的发泡效果是制备泡沫沥青冷再生技术工艺中的重要问题之一，对泡沫沥青冷再生混合料的性能产生了较大的影响。目前，我们评价沥青发泡效果的主要技术指标是它们的膨胀率与半衰期[4]。膨胀率是指当沥青发泡充分膨胀时所能够达到的最大体积和泡沫彻底消失时的平均体积百分数之比;半衰期是指将泡沫沥青由最大的体积逐渐下降至最大体积一半而持续所必须经过的时间。一般认为，膨胀率越高，同时半衰期持续越长可作为最优的发泡效果[5]。目前人们普遍认为理想的发泡效果应该是膨胀率超过10倍，且其半衰期不低于8s。

2.2泡沫沥青冷再生混合料

泡沫沥青冷再生混合料通常是由多种不同的材料共同组成，即旧式路面筑路材料中的沥青混凝土或小块碎石与泡沫沥青、新集料、水泥、矿粉按一定比例混合后加水拌合，经过压实得到的一种再生料。

从材料构成方面讲，泡沫沥青冷再生混合料中既包括有机结合料的沥青，又包括无机结合料的水泥，所以泡沫沥青混合料是一种介于半刚性和柔性之间的材料，其强度接近半刚性材料，但也表现出一定的柔韧性[6]。泡沫沥青冷再生混合料在一定程度上充分兼顾了二者的共同特性，既具备了较好的抗车辙性能，又具备了较好的耐疲劳性能。在泡沫沥青冷再生混合料形成过程中，泡沫沥青先与混合料中的细集料、矿粉结合形成泡沫沥青胶浆，然后再以“点焊”的形式将粗集料黏结在一起。由于泡沫沥青是以点状分布于集料表面的，未对集料颗粒进行完全裹附，这在一定程度上节约了沥青用量，经济效益显著。

3.泡沫沥青冷再生技术

泡沫沥青冷再生技术可以分为厂拌冷再生和就地冷再生这两种技术，二者均能够大量乃至100%地充分利用原有的路面结构层筑路材料，对于缓解局部区域旧料的堆放和减少废弃物在旧料运送中的问题有着重要意义。

厂拌冷再生技术主要指的是将旧沥青路面材料经过大型铣削机进行回收，然后在特定的厂拌冷再生设备上添加新的泡沫沥青粘结剂，并与新集料和原路面旧料拌和均匀，最终通过摊铺压实设备应用到路面上的综合应用工艺。就地冷再生技术主要是指采用专门的泡沫沥青就地冷再生装置，对旧沥青路面进行现场冷铣刨加工，然后在其中掺入一定的泡沫沥青、新集料、水泥、矿粉及拌和用水，经过正常的拌合、摊铺、碾压等步骤，一次性完成铺筑沥青路面的再生技术。泡沫沥青就地冷再生技术具有施工简单、不损坏路基、施工成本低和节能环保等优点。

根据再生技术的不同，材料组成设计方法具有明显差异[7]。相较于泡沫沥青的就地冷再生技术，厂拌冷再生技术可以更有效地提高和改善沥青路面的施工质量和路用性能。在应用过程当中，我们可以根据工程实际情况拟定再生技术方案，选择合适的再生工艺，采用其中一种或二者组合的工艺形式进行施工。

4.泡沫沥青冷再生施工工艺

由于环境和经济原因，泡沫沥青冷再生技术被认为是一种有效的维护和修复技术。然而，泡沫沥青冷再生方法的选择、稳定剂种类及用量的确定、设计方法的优化等都对泡沫沥青冷再生路面的最终性能有着重要的影响。一旦其中一个步骤出现问题，就会出现诸如车辙、湿气损坏和断裂等问题。随着道路工作时间的延长，车辙和裂缝越来越严重，特别是路面开始“疲劳”和抗疲劳断裂性能的恶化，会导致泡沫沥青冷再生路面开裂，行驶质量急剧下降。因此，在泡沫沥青冷再生技术的实际工程应用中，现场施工工艺是泡沫沥青冷再生技术实现预期路面性能的一个关键步骤。

4.1施工工艺

一般来说，整个泡沫沥青冷再生施工流程包括旧沥青路面的铣刨、级配控制、稳定剂添加、混合料浇筑、压实和面层施工等程序。

铣刨是利用铣刨机或粉碎机进行铣刨加工的，既可获得既有路面材料（包括面层），也可获得底层材料。铣床的粉碎深度取决于机器的类型和功率。随着冷再生设备的发展，路面再生系统开发的粉碎机最大深度可达18英寸。當粉状物料需要进一步粉碎和分级以达到设计级配时，必须进行级配控制，通常采用拖车式筛分和破碎设备来实现这一目标。然后将指定的稳定剂添加到分级的粉末材料中，在拖车式搅拌机中进行。然而，级配控制、稳定剂添加和混合料拌和过程都可以由现代铣床完成。传统的沥青摊铺机和平地机是完成泡沫沥青冷再生混合料摊铺过程的两种常用摊铺机械。前者应用广泛，后者多用于交通流量较小的场合。大型振动钢轮压路机和大型充气轮胎压路机是获得所需密度的两种典型压路机。

4.2施工质量控制

施工质量控制是实现泡沫沥青冷再生技术应用目标的最后一道工序。如果忽视这一部分或缺乏足够的重视，最终的路面性能将与预期结果相差甚远。实际上，有许多质量控制方面需要注意，包括再生深度、压实度、温度、养护时间、密度/压实度和路基条件等。一般的质量控制大多是由公路管理机构的经验决定的。

因此，在泡沫沥青冷再生施工过程中应严格考虑回收深度。例如，泡沫沥青冷再生混合料最好压实到50至100mm的深度。如果深度小于50mm，则在施工过程中可能出现离析问题。相反，如果深度大于100mm，则养护可能是一个重要问题。泡沫沥青冷再生混合料的压实过程也应严格控制，现场压实是施工的关键步骤，严重的问题可归因于初始压实量过大。为防止压实设备使用不当，防止“架桥”现象的发生，必须注意初压。建议使用仅在高振幅振动模式下运行的重型光鼓或垫足振动压路机对再生材料进行初始压实，同时应根据再生层的厚度确定静压压路机的质量。在铺设磨损表面之前，还必须考虑养护时间。通常，养护过程应继续进行，直到含水量降至1～1.5%。在夏季，养护时间通常为一到两周。对于沥青磨耗层，为保证足够的养护时间，再生基层应采用开级配。相关研究表明，在恒定湿度水平下，较长的养护期将导致较高的间接拉伸强度;在养护初期，间接拉伸强度没有增加，但在养护后期，间接拉伸强度增加，同时，随着养护时间的增加，动态模量和流动数都相应增加。

温度是施工过程中必须考虑的关键因素。然而，在泡沫沥青冷再生施工工艺中，很少考虑铣刨料（RAP）温度的影响。有研究表明，RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料的湿间接抗拉强度有显著影响。同时，当RAP温度达到55℃时，现场最佳泡沫沥青掺量降低了约0.5%。因此，建议在施工时将RAP材料加热到适当的温度。

4.3现场测试方法

4.3.1路面取芯法

路面取芯法与开挖试坑或检查孔的方法相比，具有破坏性小、效率高的优点。在这个过程中采用了旋转钻孔。此外，结合层的厚度可由芯样准确确定，而且通过对试件的试验，可以得到试件的体积组成和无侧限抗压强度。目前采样的趋势是通过取芯获得样品，通常为6英寸（直径为150 mm），然后在实验室对芯样进行测试。通过现场取芯和室内试验，可以确定代表泡沫沥青冷再生施工现场的样品级配。也可以采用锯切法进行块状取样，但通常比取芯法成本更高。

4.3.2DCP探头

动态圆锥贯入仪（DCP）探头是由一根带有硬化钢锥尖的钢杆组成，钢杆锥尖使用标准质量的落锤以恒定距离打入路面。另外，材料的原位承载强度可以用贯入速率来表征。一旦穿透率改变，就达到了层与层之间的边界。此外，由贯入率得出的绘图结果可用于指示路面层的厚度和特性。在实测分析的基础上，借助于计算机软件可以得到现场加州承载比（CBR）、回弹模量和层厚等数据信息。

4.3.3探地雷达

挖探坑法、路面取芯法和DCP法是确定路面层厚的三种传统方法。然而，这些方法的缺点，如耗时，昂贵，交通中断等在一定程度上限制了它们的发展。而探地雷达（GPR）作为一种无损检测（NDT）方法，被用来作为一种道路工程诊断工具来探测泡沫沥青冷再生路面信息。具体来说，探地雷达可用于确定损伤位置，评估泡沫沥青冷再生路面面层厚度和相关材料特性。有研究表明，探地雷达是一种有效的道路工程诊断工具，可以减少与原位厚度估计相关的不确定性，并准确量化原位结构成分。为了系统地检测现场路面信息，探地雷达常与落锤式弯沉仪结合使用。具体来说，前者用于估算层厚，后者被用来评价泡沫沥青冷再生路面的早期使用性能。此外，探地雷达还可用于测定含水道路工程材料的密度。

4.3.4落锤式弯沉仪

落锤式弯沉仪（FWD）测试是泡沫沥青冷再生路面施工现场监测和测试的常用工具。FWD可用于评估其结构条件和建立性能模型等，相关评价参数可从FWD数据中获得，包括挠度、刚度、结构承载力和结构编号。Loizos等人利用FWD-NDT技术和芯样试验，对泡沫沥青冷再生路面的裂缝进行了评估。

4.3.5NNDG和PSPA

非核密度计（NNDG）可以收集和分析大量的数据。NNDG通常用于测量泡沫沥青冷再生路面初始压实完成后的路面密度，因为数据受到压实前不稳定的空隙率和水分的显著影响。基于超声表面波理论，便携式地震属性分析仪（PSPA）可以快速测量地震模量。现场地震模量可以用PSPA估计。相关学者采用NNDG和PSPA对泡沫沥青冷再生层的密度和刚度进行了测试。研究发现，NNDG和PSPA可用于监测泡沫沥青冷再生层的质量，确定中间部分和接缝处施工不良路段的位置。

5.结语

综上所述，泡沫沥青冷再生技术是一种通过就地或者厂拌等方式将原来的路面废弃物和旧沥青材料重新进行再利用，极大的节省了自然资源，一定程度上解决了对环境的污染，显著降低了集料的利用率和使用成本，社会价值及其经济效益显著。此外，由于泡沫沥青冷再生混合料的空隙率较大，其力学强度较低。在后续研究中，应着重于优化级配设计和施工工艺，从宏细微观等多层次、多角度对其强度形成机理进行探究，从而提高力学强度。

参考文献：

[1]王雨楠，吕卫帮.不同加速养生方式泡沫沥青冷再生混合料宏细观结构性能研究[J]硅酸盐通报，2021，40（01）：330-339

[2] Kar S S， Swamy A K， Tiwari D， et al. Impact of Recycled Asphalt Pavement on Properties of Foamed Bituminous Mixtures[J]The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering， 2018， 13（1）：14-22

[3]李强，许傲，陈浩，商健林，张帅.级配和水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料路用性能的影响[J]铁道科学与工程学报，2021，18（02）：402-407

[4]王伟.泡沫沥青发泡效果评价方法简析[J]公路交通科技（应用技术版）， 2018， 000（005）：P.84-85

[5] Bitolog M， Bouraima M B， Zhang X H ， et al. Effect of Temperature and Asphalt Binder Type on the Properties of Foamed Asphalt Mix[J] Matec Web of Conferences， 2018， 206

[6]董雨明，關彦斌，邢鹏.走近沥青路面材料再生技术[J]中国公路，2020（07）：14-21

[7]Zhang J. Investigate of Mechanism and Rules of the Foamed Asphalt Mixture Strength[C]// Icctp. ASCE， 2010