泡沫沥青冷再生技术在高速公路养护中的应用

陈光军，王鹏

（1.蜀道投资集团有限责任公司，四川 成都 610000；2.江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏 南京 210049）

0 引言

随着我国高速公路和国省道干线公路的交通量和车辆轴载日益增大，过去修建的常规沥青混合料路面在建成通车3～5年后迅速出现疲劳裂缝、车辙、拥包等病害，并很快发展成严重病害，破坏沥青路面结构性能，影响通行车辆的行车舒适性和安全性，亟需进行路面结构大中修养护以提高道路服务水平。传统的沥青路面大中修养护维修，主要是将旧路面遭到破坏的结构层铣刨废弃，重新铺筑沥青面层。这一维修方式会产生大量的废弃沥青混合料，征用土地集中堆放废弃材料会造成土地资源的浪费，并产生黑色污染影响生态环境[1]。与此同时，也是一种对砂石资源的浪费。2021 年国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》，鼓励应用建筑垃圾等大宗固废替代砂石资源。因此亟需研究推广一种废旧沥青混合料再生利用技术，实现减少资源浪费和降低养护维修成本的目的。

泡沫沥青冷再生混合料技术，是对铣刨的废弃沥青混合料进行破碎筛分处理，以一定比例加入新料、泡沫沥青和外加剂就地冷再生的工艺[2]。该技术相比厂拌热再生、就地热再生、厂拌冷再生，具有施工效率高、施工成本低、碳排量低、环境友好等优点，但是也存在混合料性能差等问题，过去仅用于低等级路面的低结构层位，应用范围小。为提高泡沫沥青冷再生混合料路用性能，扩大其应用范围，本文从室内材料性能、配合比设计、施工质量控制等方面进行研究，探讨泡沫沥青冷再生混合料在高速公路养护工程中的应用。

1 生产工艺对泡沫沥青性能的影响

1.1 原材料

（1）基质沥青

本文中采用常见的SK70和SK90两种基质沥青制备泡沫沥青，通过室内试验分析基质沥青标号对泡沫沥青性能的影响，优选性能稳定的基质沥青。试验结果显示，两种沥青的性能指标均符合现行规范要求。

（2）发泡用水

水是沥青产生泡沫的主要因素，在制备泡沫沥青过程中用水量在5%以内，可以保证泡沫沥青在常温下与集料拌和时具有较好的分散性能[3]。发泡用水应满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）的相关要求。本文选用自来水进行发泡。

1.2 泡沫沥青加工工艺

本文中采用水压0.55MPa、气压0.4MPa 的发泡设备，研究不同基质沥青、发泡温度、用水量对发泡沥青性能的影响。根据泡沫沥青的膨胀率和半衰期（膨胀率表征沥青的发泡效果，半衰期表征泡沫沥青的体积稳定性），优选最佳的泡沫沥青加工工艺。试验结果如表1、表2所示。

表1 不同工艺下发泡沥青膨胀率试验结果 单位：倍

表1（续）

表2 不同工艺下发泡沥青半衰期试验结果 单位：s

大多数发泡温度下SK70 的半衰期均小于SK90，说明SK70 制备的泡沫沥青稳定性弱于SK90，但是当发泡温度为160℃时，SK70 的半衰期大于SK90，此时体积稳定性最高。SK70 在最低水量下的最低膨胀率高于SK90，仅在发泡温度180℃且用水量为2%～3%时SK70的膨胀率与SK90 相近，甚至略小于SK90，说明SK70相比SK90 更容易发泡，考虑到用水量越高对沥青混合料性能影响越大，因此建议选择低用水量的发泡工艺。综合考虑，推荐以SK70 作为基质沥青，在发泡温度为160℃、用水量为3%、水压为0.55MPa、气压为0.4MPa的工艺下制备发泡沥青。

2 发泡沥青冷再生混合料配合比设计

2.1 原材料

（1）再生集料

由于不同工程中旧沥青路面级配存在差异，且旧沥青老化残留性能、铣刨工艺、破碎程度等均不相同，导致再生沥青混合料（Reclaimed Asphalt Pavement,RAP）的级配和性能离散性较大[4]。本文对依托实体工程大中修项目铣刨的RAP 进行试验分析，其性能指标满足现行规范要求，筛分试验结果如表3所示。

表3 RAP筛分试验结果

由表3可知，废旧沥青混合料经过铣刨、破碎得到的RAP 中粗集料占比较大，粒径小于2.36mm 的细集料含量低于粗粒式泡沫沥青冷再生混合料设计级配下限，这是因为废旧沥青混合料中的细集料和沥青黏结在一起，由于细集料粒径较小，黏附在粗集料表面或结团的细集料很难破碎、剥离出来。

（2）细集料

为了在拌和再生沥青混合料时，泡沫沥青能够更好地分散，在设计再生沥青混合料级配时应根据RAP筛分结果，补充一定量的细集料。本文选用的石屑性能指标满足规范要求。

（3）水泥

为了提高泡沫沥青再生混合料的早期强度，需要添加初凝速度较慢的硅酸盐水泥作为胶凝材料。本文采用等级为42.5MPa、初凝时间为250min、终凝时间为400min 的普通硅酸盐水泥，其各项技术指标均符合规范要求，拟采用1.5%的水泥掺量替代新增的矿粉。

2.2 泡沫沥青冷再生混合料配合比设计

（1）压实成型方式

本文采用振动压实成型法（压实时间为2min、振动频率为30Hz）制备试件，确定的含水率较马歇尔成型法少6%～11%，有利于实际施工时减少养生时间，提高施工效率。

（2）级配设计

为保证泡沫沥青冷再生混合料具有较好的路用性能，在设计级配时应确保满足规范要求，在此基础上尽量提高RAP利用率[5]。本文根据RAP和石屑的级配组成，以RAP 用量85%, 80%, 75%分别设计出3 组级配，级配组成见表4。

表4 级配组成

采用振动压实成型法，以3%泡沫沥青用量制备3组级配的试件，通过劈裂试验、冻融劈裂试验、车辙试验评价各组级配下的混合料性能。为了保证制备过程中具有较好的拌和效果和压实度，需确定各组级配下的最佳含水率。试验结果见表5。

表5 不同级配下的混合料路用性能对比

由表5 可知：级配A 的劈裂强度不符合规范要求，对比级配B 和级配C 的动稳定度试验结果可知，级配C的高温稳定性较差，因此选择级配B作为本文泡沫沥青冷再生混合料的级配。

（3）最佳泡沫沥青用量的确定

泡沫沥青的用量参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG 5521—2019）确定，将规范中马歇尔试件成型方式替换为振动压实成型，制备泡沫沥青用量分别为2.2%, 2.4%, 2.6%, 2.8%, 3.0%, 3.2%的混合料试件，将带有试模的混合料试件放置于60℃烘箱中养生72h，冷却12h 后脱模，并进行马歇尔试验、冻融劈裂试验，最终确定最佳泡沫沥青用量为2.6%。

3 实际工程应用

3.1 工程概况

本文依托四川省某高速公路大中修工程，探讨泡沫沥青冷再生技术在高速公路养护中的应用情况。该高速公路为双向4 车道，路基宽度为28m，2008 年通车至今出现了大量严重病害，经检测决定铣刨至水稳基层。原路面结构为：4cm 厚AC-13 上面层+6cm 厚AC-20中面层+6cm厚AC-25下面层+22cm厚水稳碎石基层。现选取K171+600—K172+100作为试验段，设计路面结构为4cm厚SMA-13+6cm厚AC-20+26cm厚泡沫沥青再生基层。

3.2 施工质量控制技术

（1）最佳含水量与最大干密度控制

泡沫沥青冷再生层的压实度主要受含水量及干密度影响。由于泡沫沥青自身发泡需要用水，因此在生产过程中拌和用水应控制在最佳含水率的70%～85%，同时在施工过程中及时检测再生料的含水率，动态控制以保证再生层的压实度。

（2）拌和质量控制

在控制再生混合料的拌和质量时，可以先通过目测进行简单评定，再进行细致评定。目测时，可以用手将混合料捏团，若混合料无法有效形成紧密团块，说明材料拌和质量不佳，此时需要对拌和生产参数进行调整。

（3）压实工艺

经过现场压实度检测，最终确定碾压方案为：先采用BW202AD-2双钢轮压路机以1.5～1.7km/h的速度前静后振初压1 遍、弱压1 遍，再采用LSD226H 单钢轮振动压路机以1.8～2.0km/h 的速度高频低幅振压4 遍，最后采用YL25胶轮压路机进行终压直至无轮迹。

（4）养生工艺

养生期间封锁交通不允许车辆通行，养生时间不少于7d，养生期间不需要洒水，当再生层能够取出完整芯样且含水率低于2%时，可以提前结束养生。

3.3 施工质量检测

对试验段现场冷再生混合料进行取样和室内60℃养生测试，并在下面层施工结束后、竣工一年后取样检测，对比分析实际施工过程中再生料生产质量、下面层施工质量、竣工通车一年后路面性能，结果见表6。根据检测结果可知，在上述质量控制技术下施工的泡沫沥青冷再生混合料下面层，其性能满足质量要求，试验段应用效果良好。

表6 不同时期再生料的性能对比

4 结语

本文对泡沫沥青制备工艺各关键参数进行探讨，优选出最佳制备原料和工艺：基质沥青SK70、水压0.55MPa、气压0.4MPa、发泡温度160℃、发泡用水量3%。在此基础上进行配合比设计，通过振动压实法成型混合料试件，基于马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验结果，确定了最佳级配和最佳泡沫沥青用量。通过实际工程试验段，总结了拌和用水、拌和质量、压实工艺、养生工艺等质量控制点，确保了施工质量符合要求，可为同类工程提供参考。