泡沫沥青温拌再生技术工程应用

冷红松，皮庆柏，齐鑫，李肖杰，蒋进

（贵州省安顺公路管理局，贵州 安顺 561000）

0 引言

据交通运输部统计，2020年末我国公路总里程达519.81万km。其中，公路养护里程514.4万km，占公路总里程的99%[1]。在公路养护、重修和改建过程中，会产生大量的废旧沥青混合料。据估计，我国每年公路养护产生的废旧沥青混合料达2亿吨[2]。废弃沥青混合料如果不加以利用，会产生环境污染和造成资源浪费。2021年2月，国务院发布的《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》指出，全方位全过程推行绿色规划、绿色设计、绿色投资、绿色建设等事业，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，确保实现碳达峰、碳中和目标。因此，研究低碳、环保的废旧沥青路面再生利用技术是当务之急。

我国沥青路面再生利用技术正快速发展，厂拌热再生是当前应用较为广泛的技术之一。但厂拌热再生技术存在能耗高、污染大、沥青二次老化等问题[3]。泡沫沥青温拌技术是一种成本低、效果好的再生技术，国内在泡沫沥青生产设备、泡沫沥青发泡参数以及泡沫沥青混合料的性能方面已有一定的研究[4-7]。目前，国内外温拌沥青混合料技术主要有表面活性温拌技术、有机降黏剂温拌技术及泡沫沥青温拌技术。温拌再生技术能够有效解决厂拌热再生的缺陷，具有如下优势[8-9]：

（1）节能减排，温拌再生拌和温度比厂拌热再生低20～30℃，能够有效减少生产过程中有害气体的排放，节约能源；

（2）降低废旧沥青混合料的老化程度，温拌再生较低的拌和温度可以减轻废旧沥青的二次老化现象，同时减轻“粘锅”现象；

（3）提高废旧沥青混合料的利用率，温拌再生的废旧沥青混合料用量可比热再生提高20%～30%；

（4）提高施工和易性，温拌再生沥青混合料的降温速率慢，可以延长摊铺、碾压时间。

本文依托贵州省安顺市公路项目进行泡沫沥青温拌再生技术的应用研究，包括泡沫沥青温拌再生混合料的设计以及施工工艺。通过实际工程应用，对泡沫沥青温拌再生技术的施工和应用效果进行总结和评价。

1 泡沫沥青温拌再生混合料配合比设计

1.1 泡沫沥青制备

采用Wirtgen公司生产的WLB10S沥青发泡试验机制备泡沫沥青，该设备能够逼真地模拟现场施工的情形，每批次生产的泡沫沥青质量能达到10～20kg。泡沫沥青的制备方法如下：①向水罐注水；②向气罐充气；③开启加热系统；④开启沥青泵；⑤标定沥青流量；⑥设置发泡时水的流量；⑦泡沫沥青生产，制作混合料；⑧清空沥青罐；⑨沥青循环管道的清洁。通过对水温、用水量和沥青温度对发泡效果的研究，确定制备泡沫沥青的最佳参数为：沥青加热温度160℃、最佳用水量3%、加水温度30℃。

1.2 泡沫沥青温拌再生混合料设计

进行Sup-20沥青混合料设计，废旧沥青混合料掺量为20%，沥青混合料的合成级配如表1所示。室内泡沫沥青温拌再生混合料的拌和方法为：将生产好的泡沫沥青倒入一个空容器中，然后倒入已经称好的热集料，在搅拌锅中拌和，拌和温度为145℃。为更好地模拟压实过程中荷载对路面的搓揉作用，模拟路面的压实过程。本文采用旋转压实进行泡沫沥青温拌再生混合料的设计。在旋转压实过程中，旋转压实仪在60kPa竖直压力下，以1.25°的旋转压实角、30r/min的速率旋转，使沥青混合料在竖向压力与水平剪力的共同作用下压密。在成型温拌再生沥青混合料时，压实温度为135℃。取空隙率为4%时的沥青用量为最佳沥青用量，即4.34%。在此沥青用量下，旋转压实试件的体积指标如表2所示。依据旋转压实获得的配合比进行马歇尔试验，试验结果如表3所示。由表2和表3可知，所设计的泡沫沥青温拌再生沥青混合料各项指标都满足要求。

表1 Sup-20沥青混合料合成级配

表2 Sup-20旋转压实试件体积指标 单位：%

表3 Sup-20马歇尔试件体积指标

2 泡沫沥青温拌再生混合料性能

2.1 高温稳定性

采用轮碾成型法制作尺寸为300mm×300mm×50mm的车辙试验试块，试块成型后连同试模一起在常温下放置不少于12h，试验前将试件连同试模一起置于已达到试验温度60±1℃的恒温室中，保温不少于5h。将试件连同试模移置于轮辙试验机的试验台上，控制试验轮与试件的接触压强为0.7±0.05MPa，试验时记录仪自动记录变形曲线及试件温度。图1所示为泡沫沥青温拌再生混合料和热拌再生沥青混合料的动稳定度。可见，泡沫沥青温拌再生混合料的高温稳定性满足技术要求，并且明显优于热拌再生沥青混合料。

图1 车辙试验结果

2.2 低温抗裂性

采用由轮碾成型的板块切割棱柱体小梁试件，尺寸为长250mm±2mm、宽30mm±2mm、高35mm±2mm。试验前将试件置于-10±0.5℃的恒温空气中3h以上，直至试件内部温度达到-10±0.5℃为止。以50mm/min的加载速率在跨径中央施以集中荷载，直至试件破坏。记录仪同时记录荷载-跨中挠度曲线，根据该曲线计算混合料试件破坏时的最大弯拉应变。图2是泡沫沥青温拌再生混合料和热拌再生沥青混合料的破坏应变。由图2可知，泡沫沥青温拌再生混合料的低温抗裂性能满足技术要求，但低于热再生沥青混合料。

图2 小梁弯曲试验结果

2.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验方法为成型2组标准马歇尔击实试件。水箱温度60±1℃。试件分为两组，一组在水箱中存放0.5h，一组存放48h。分别进行马歇尔稳定度试验，加载速率为50mm/min。冻融劈裂试验时先将试件进行真空饱水，然后进行冻融循环，对所有试件进行试验以确定其劈裂强度。图3所示为水稳定性的试验结果。由图3可知，泡沫沥青温拌再生混合料的水稳定性满足技术要求，但略低于热拌再生沥青混合料。

图3 水稳定性试验结果

2.4 抗老化性能

本文分别使用烘箱加热和紫外线照射的方法模拟泡沫沥青温拌再生混合料的长期热老化和长期光老化。长期热老化试验方案：将拌和好的混合料先按照规范进行短期老化，在短期老化后制作低温小梁试件，将小梁试件放在平盘上，放入85℃±3℃的烘箱中，在强制通风条件下连续加热5d（120h±0.5h）。5d后关闭烘箱，经自然冷却不少于16h至室温，取出试件，进行低温小梁弯曲试验。长期光老化试验方案：将拌和好的混合料先按照规范进行短期老化，在短期老化后制作低温小梁试件，将成型好的试件放入紫外老化试验箱进行长期光老化，其中湿度85%RH，老化光照强度500W/m2，老化时间18d。老化结束后关闭老化试验箱，取出试件，进行低温小梁弯曲试验。图4所示为泡沫沥青温拌再生混合料老化试验结果。由图4可知：长期热老化之后，泡沫温拌再生沥青混合料的破坏应变衰减12.3%；长期光老化之后，泡沫温拌再生沥青混合料的破坏应变衰减39.1%。

图4 老化试验结果

3 泡沫沥青温拌再生混合料施工工艺

3.1 拌和

通过改造沥青拌和楼，安装沥青发泡装置及远程控制装置，实现泡沫温拌沥青混合料的生产。泡沫温拌设备通过软管与高温沥青相连，按一定比例向高温沥青中添加水。水急剧汽化，使沥青体积迅速膨胀，生成泡沫沥青，从而显著降低沥青黏度，改善沥青混合料施工和易性，使混合料在相对较低的温度下即可进行摊铺，并碾压密实。

泡沫温拌再生沥青混合料Sup-20采用一台4000型拌和楼进行拌和，全部生产由计算机控制完成，并配备打印功能。拌和楼产量约为260t/h，每盘重量设定值为3.6t，每盘生产周期约为64s（从热料仓向拌缸放料12s，湿拌42s，卸成品料10s）。集料加热温度为150℃，沥青加热温度为160℃。

3.2 运输

混合料运输采用自卸汽车，运输车装料按“前、后、中”顺序装料，防止混合料在装料过程中产生离析。在生产过程中对泡沫温拌再生沥青混合料Sup-20的出料温度分别进行抽查。全部运输车用全新篷布覆盖，料车两侧及后端覆盖到位，车身两侧安装保温隔膜，既保证混合料运输到现场的温度，又可防止混合料在运输过程中免受粉尘等的污染。运输过程中温度损失平均约为8℃，料车在现场等待过程中温度损失平均约为3℃，每辆料车平均装料时间约为22min。

3.3 摊铺和碾压

采用1台ABG7620型摊铺机进行作业。摊铺时摊铺机均采用非接触式平衡梁控制铺面厚度和平整度，摊铺速度控制设定在3m/min。压实工艺如表4所示。初压阶段采用1台VOLVO双钢轮压路机紧跟摊铺机后面，采取前静后振方式压2遍。复压阶段采用2台XP303S压路机，碾压4遍。终压阶段采用1台双钢轮压路机进行收光。在施工现场随机抽查碾压温度，初压温度控制在135～145℃，复压温度控制在120～130℃。

表4 压实工艺

3.4 试验检测

施工现场取混合料制备旋转压实试件和马歇尔试件，检测矿料间隙率、沥青饱和度、空隙率、马歇尔稳定度和流值，试验结果都能满足规范要求。进行抽提试验，检验泡沫沥青温拌混合料的油石比和矿料级配，试验结果如表5所示。从抽提结果看，2.36mm筛孔通过率略低，温拌沥青混合料油石比及矿料其余筛孔通过率均满足要求。

在试验段钻取5个芯样，芯样位置、芯样厚度、芯样密度及压实度如表6所示。根据压实度检测结果可知，马氏压实度的平均值满足要求，理论压实度平均值也满足要求。

表5 抽提试验结果 单位：%

表6 压实度试验结果

表6 （续）

4 结语

综上所述，本文采用旋转压实法设计泡沫沥青温拌混合料，确定最佳沥青用量。结果表明，所设计的泡沫沥青温拌再生混合料的体积指标和力学性能都满足要求。

本文结合实际工程应用，阐述了泡沫沥青温拌再生混合料的施工工艺，包括拌和工艺、运输要点、压实工艺及质量控制。试验路铺筑及检测结果表明，泡沫沥青温拌再生混合料性能满足要求，可以降低施工温度，有利于节能环保。