基于国产泡沫沥青冷再生设备的拌和参数研究

郭小宏, 王金桥, 黄维蓉, 周明旭, 邵发展

(1.重庆交通大学 经济与管理学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；4.徐州工程机械集团有限公司，江苏 徐州 221004)

0 引 言

泡沫沥青冷再生技术最先由德国August Jacobi提出[1]，随后，相关学者采用膨胀率和半衰期对沥青的发泡特性进行了研究，提出了发泡用水量、发泡温度等对发泡特性的影响[2]。20世纪70年代，美国尝试将泡沫沥青应用到实际的路面工程中，从而，该技术在国外得到快速发展[3]。1998年，河北省邯郸市首次引入了WR2500型冷再生机，并铺筑了相应的试验段，泡沫沥青冷再生技术在我国由此拉开了序幕[4]。该技术的应用虽然在我国起步较晚，但不少的专家、学者通过对国外泡沫沥青冷再生技术的应用分析，对泡沫沥青的发泡温度、含水量、力学性能、配合比设计等进行了系统性的研究[5]，为我国的泡沫沥青冷再生技术奠定基础。

采用泡沫沥青冷再生技术，不仅可以对旧料高回收利用，而且具有生产工艺简单、养护及开放交通时间短等优点[6]。但之前的工程应用研究大多数以国外某品牌泡沫沥青冷再生设备为基础，而以国产成套设备为基础、结合国内具体工程项目对泡沫沥青冷再生技术的应用文献报道不多。近年来，国内某工程机械公司通过对国外泡沫沥青设备分析与借鉴，研发了我国第1台具有自主知识产权的泡沫沥青冷再生设备—XCL300R(图1)，并首次在渝西地区S209省道路面改造工程中投入使用。

图1 XCL300R泡沫沥青冷再生设备

S209省道荣江路喻家沟至朱沱路段路面改造工程，以国产XCL300R设备为基础，选用国产稳定土摊铺、压实设备，组成以国产成套设备为基础的泡沫沥青冷再生机群，对该路段进行8 cm的泡沫沥青层施工，笔者基于XCL300R设备在该路段的应用情况，重点对泡沫沥青冷再生应用过程中该设备的拌和参数进行分析与评价。

1 项目概况与设备情况

1.1 项目概况

荣江路地处永川区，长江上游北岸，位于重庆西部，是联系永川区、江津区的重要通道，全长18.661 km。该地区的气候条件为亚热带季风性湿润气候，平均气温为18.2 ℃，无霜期长，季风气候显著，日照少，湿度大。主要的气候灾害有干旱、洪涝、冰雹、连晴高温等。近年来，受当地气候影响以及周围产业规模的调整，重载交通及超载交通逐渐增加，路面经过多年的使用，逐渐出现了各种类型的病害，如麻面、拥包、坑槽、沉降、网裂或龟裂等(图2)。

图2 路面病害情况

尽管有关部门针对这些病害进行了多次修补，但效果不佳。由于原有的路面结构承载力已无法满足安全行车的要求，决定对该路段进行翻新改造，该路段的原路面结构形式及改造后的路面结构形式见表1。

表1 改造前后的路面结构形式

1.2 设备情况

本次泡沫沥青冷再生采用的拌和设备为XCL300R，与维特根公司生产的厂拌冷再生设备相比，该设备将RAP料和粗细骨料分级投放、分级拌合，同时可生产各级配乳化沥青冷再生混合料、水泥稳定土混合料、级配碎石、二灰混合料等，完全满足各等级公路、市政道路等施工工程的需要，不仅降低了工程造价，对路面施工也提供了明显的便利。在生产泡沫沥青混合料时，其主要工艺流程是：首先在一级拌和缸内将RAP料、粗骨料、细集料等进行预拌；通过1#皮带输送至二级搅拌缸后，掺入精确计量的水泥、水、泡沫沥青进行充分拌和；均匀度达到要求后，再通过2#皮带将泡沫沥青混合料输送至运料车，采用这种全新的二级搅拌技术，泡沫沥青混合料能达到最佳的沥青裹附效果。其基本设备参数见表2。

表2 XCL-300R拌和设备参数

2 拌和技术机理分析

沥青混合料的拌和机理可采用剪切混合、对流混合以及扩散混合等3个方面进行描述，首先在拌和时，不同组分的粒子之间产生相互滑动与碰撞，形成剪切混合；其次，不同粒径的粒子在搅拌的作用下位置发生大幅度移动，形成环流，又使得不同粒径的粒子相互混合形成对流混合；最后相邻两个粒子之间的相互位置发生改变，形成局部混合的扩散混合，此类混合与对流混合相比，粒子的运动速度要慢得多，但扩散混合作用可以使形成的沥青混合料更均匀。

3 原材料情况

3.1 旧路面铣刨料

采用整体铣刨法以5～7 m/min的铣刨速度将4 cm厚的细粒式沥青混凝土和6 cm厚的中粒式沥青混凝土进行铣刨，并将其作为泡沫沥青冷再生的主要原材料。将该旧料运输至拌合站后，根据规范要求进行取样，以抽提、蒸馏、筛分等试验手段，对原路面材料的沥青含量、级配情况进行分析，试验结果表明，旧料的沥青含量在3.5%～4.5%之间波动，主要原因是路面的破损程度不同，铣刨过后的旧料级配极度不均匀，若直接将此类旧料应用到泡沫沥青冷再生，不仅旧料的利用率降低，同时泡沫沥青混合料的性能也会较差。因此，需对旧料进行预处理，使旧料尽可能均匀，从而使旧料中的沥青含量保持均匀，提高旧料的回收利用率以及泡沫沥青混合料的性能。在处理过程中采取二次破碎筛分等手段，以旧料在各筛孔中的通过率为评价指标，并绘制成曲线形式，试验结果如图3。

图3 旧路面材料的通过率

根据图3分析，各通过率曲线基本接近于重合状态，离散性较小，由此说明，经过预处理后的旧料级配较均匀，此时旧料中的沥青含量基本保持在4.2%～4.5%之间，满足泡沫沥青冷再生技术对旧料的高回收利用以及泡沫沥青混合料的性能要求。

3.2 新集料

本次泡沫沥青冷再生技术采用的新集料包括粒径为10～25 mm的石灰岩和粒径为0～5 mm的机制砂，石灰岩干燥且表面粗糙，机制砂颗粒洁净、干燥、无风化且具有适当的颗粒级配。根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》对粗细集料的主要技术指标进行了试验，试验结果见表3、表4。

表3 10～25 mm石灰岩的试验结果

表4 0～5 mm机制砂的试验结果

3.3 水 泥

水泥作为泡沫沥青冷再生技术中的主要再生结合料，其掺入可以改善混合料的水稳定性，对混合料的强度也具有积极作用[7]。在泡沫沥青冷再生技术中，要求水泥疏松、干燥，无结块、无受潮变质等现象，并具有初凝时间短、早期强度高等特点。因此，本次泡沫沥青冷再生采用的水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，并根据规范要求对水泥的主要技术指标进行了试验，结果见表5。

表5 水泥技术指标

3.4 泡沫沥青

泡沫沥青的性能评价指标主要是膨胀率和半衰期[8]，采用70#A级沥青，通过XLB10P发泡设备进行发泡试验，最佳发泡用水量为2.5%，发泡温度为160 ℃。根据JTG 5501—2019《公路沥青路面再生技术规范》要求，当采用泡沫沥青冷再生技术时，膨胀率应大于12倍，半衰期应大于10 s，试验结果见表6。

表6 膨胀率及半衰期试验结果

4 配合比设计

基于对RAP材料的综合路用性能分析，调整新旧材料的掺配比例，使混合料的合成级配满足中粒式级配的要求，并且保证合成级配曲线平顺、无锯齿形转折出现[9-10]，同时有足够的0.075 mm筛孔通过率，以助于泡沫沥青在混合料中均匀分散。通过对级配曲线的调整，确定RAP料、粗细集料的掺量比例为70%∶15%∶15%，绘制出合成级配曲线图如图4。该配合比条件下，采用浸水马歇尔试验、冻融试验以及重型击实试验，得到最佳沥青用量为3%，水泥掺量为1.8%，外掺用水量为4.5%，通过验证分析，该配合比满足泡沫沥青冷再生技术的要求。

图4 合成级配曲线

5 拌和技术分析

拌和是生产泡沫沥青混合料的关键技术之一。在拌和过程中，混合料的性能主要依赖于设备情况、拌和频率、拌和时间、拌和顺序、沥青以及水泥掺量等因素。因此，对各种影响因素展开分析，不仅对提高泡沫沥青混合料的性能具有重要意义，而且能够为后续泡沫沥青冷再生技术的应用提供参考价值。

5.1 拌和频率分析

泡沫沥青混合料由旧路面材料(RAP)、粗细集料、矿粉、沥青等多种物料组成，不同成分和不同粒径的颗粒在拌和过程的中运动速度对泡沫沥青混合料性能具有较大的影响。由于泡沫沥青的半衰期较短，且沥青的冷却速度较快，若采用较慢的拌和频率，喷射出来的泡沫沥青会形成丝状或块状的物质，从而无法与细集料或矿粉充分结合形成胶浆填充在湿冷骨料之间，导致混合料的性能变差；频率越快，混合料之间的运动速度也就越快，当泡沫沥青从发泡机内喷射完成后，便可与拌和缸内的混合料充分结合，从而形成较均匀的泡沫沥青混合料。通过试验研究证明，拌和频率宜控制在45～50 Hz之间。

5.2 拌和时间分析

在生产泡沫沥青混合料时，一方面要保证混合料具有足够的拌和时间，让混合料达到均匀性要求；另一方面又要避免因长时间的拌和，导致工程进度延缓和浪费燃料等问题。根据规范要求，泡沫沥青混合料的总拌和时间应介于55～75 s之间。其中，RAP料、粗细集料、水泥和水之间的预拌和时间为15 s，使各种集料与矿粉或水泥相互混合，初步达到均匀一致的混合料，然后向初步拌和均匀后的混合料中喷射泡沫沥青，设定55、60、65、70、75 s的拌和时间拌和，研究发现，当拌和时间在55～65 s之间时，15 ℃劈裂强度值呈逐渐上升的趋势，且最高上升6%。由此说明，在该拌和时间内，泡沫沥青与细集料或矿粉形成的胶浆并没有充分将湿冷骨料之间的空隙填满，从而导致混合料的强度随拌和时间的增加而增加。当拌和时间达到65～75 s后，15 ℃劈裂强度增加的幅度较小，仅增加1%，由此说明，湿冷骨料之间的空隙基本上已被胶浆填充，当拌和时间达到65 s后，延长拌和时间对混合料的性能影响较小。同时，拌和时间越长，设备消耗的燃油量越多，对环境造成的污染越大，工程进度也会越慢。不同拌和时间下的15 ℃劈裂强度值结果见表7。

表7 不同拌和时间下的15 ℃劈裂强度值

5.3 拌和顺序分析

通过查阅国内外研究文献发现，在拌和泡沫沥青混合料时，水泥、水及泡沫沥青掺入顺序不同，泡沫沥青混合料的性能也不同。保持拌和频率和拌和时间不变，采用先向旧路面材料、新集料形成的混合料中掺入水泥和水，再喷入泡沫沥青与先掺入泡沫沥青、再掺入水泥和水两种不同的拌和顺序，将拌和均匀后的泡沫沥青混合料进行干湿劈裂试验和冻融劈裂试验并分析。当采用第1种拌和顺序时，泡沫沥青混合料的15 ℃劈裂强度、浸水24 h劈裂强度、冻融劈裂强度均高于第2种拌和顺序下的强度值。同时根据规范要求，当泡沫沥青冷再生技术应用于中等交通等级的下面层时，15 ℃劈裂强度、冻融劈裂强度应分别大于0.5 MPa和0.4 MPa，干湿劈裂强度比与冻融劈裂强度比应分别大于80%和70%。从表8、表9分析发现，当采用第2种拌和顺序时，各评价指标均不符合规范要求。因此，宜采用第1种拌和顺序进行拌和。

表8 不同拌和顺序下的干湿劈裂强度和强度比

表9 不同拌和顺序下的冻融劈裂强度和强度比

5.4 沥青的波动性影响分析

在室内生产泡沫沥青混合料的过程中，当泡沫沥青从发泡设备中喷洒到拌和缸内时，一部分的沥青残留在发泡机的管道和喷嘴上，另一部分沥青被喷洒到拌和缸的内壁或搅拌器的叶片上，导致形成的泡沫沥青混合料中的实际沥青用量并未达到实验室规定的3%。但分析泡沫沥青混合料的性能时，是基于最佳沥青用量为3%时的混合料性能，与实际上的最佳沥青用量存在着一定的差异性。这种差异性的产生，对泡沫沥青混合料性能的分析也存在较大的影响。基于第1种拌和顺序的条件，拌和时间与拌和频率以及其它组分的掺量不变的前提下。针对3%±0.2%的沥青用量进行生产泡沫沥青混合料，根据表10、表11试验结果分析发现，当油石比为2.8%时，15 ℃劈裂强度的平均值与冻融劈裂强度平均值均比规范值要低，当采用的油石比为3%时，各试验值均能达到规范要求，但在油石比为3%的基础上增加0.2%后，泡沫沥青混合料的性能具有明显提高。因此，在泡沫沥青混合料的拌和过程中，适当将沥青用量提高0.1%～0.2%，对改善混合料的性能具有积极的效果。

表10 干湿劈裂强度及强度比

表11 冻融劈裂强度及强度比

5.5 不同水泥掺量分析

向泡沫沥青混合料中掺入水泥不仅能使混合料的强度提高，同时还能改善泡沫沥青混合料的水稳定性及耐久性等。但是水泥掺量过多，在温度、气候及车辆荷载作用下，路面易出现不同类型的裂缝问题，水泥掺量过少，强度无法满足要求。为了研究泡沫沥青混合料中最佳水泥掺量，在进行室内试验时，保持拌和频率、拌和时间、拌和顺序、沥青掺量不变，分别向混合料中掺入1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%的水泥。根据表12、表13的结果分析，掺入水泥后，泡沫沥青混合料的15 ℃劈裂强度以及25 ℃劈裂强度呈逐渐增加的趋势。由此说明，水泥对提高泡沫沥青混合料的强度以及改善水稳定性能具有明显作用，但当水泥掺量从1.5%增加到2.4%后，其浸水24 h劈裂强度、冻融劈裂强度、干湿劈裂强度比和冻融劈裂强度比均在减小。因此，最佳水泥掺量应控制在1.5%～2.4%的范围内。规范要求，当向泡沫沥青混合料中掺入水泥时，宜不少于1.5%，不超过1.8%。因此，从强度方面考虑，掺入1.8%的水泥对提升泡沫沥青混合料的性能更好。

表12 干湿劈裂强度及强度比

表13 冻融劈裂强度及强度比

5.6 综合性能分析与评价

基于以上研究确定的拌和参数条件，采用15 ℃劈裂强度、冻融劈裂强度、干湿劈裂强度比、冻融劈裂强度比以及60 ℃动稳定度对泡沫沥青混合料的低温抗裂性、水稳定性、高温稳定性进行分析与评价，结果见表14。

表14 泡沫沥青混合料的性能评价

从表14的试验结果可知，15 ℃劈裂强度为1.08 MPa,干湿劈裂强度比为117%，冻融劈裂强度为0.68 MPa，冻融劈裂强度比为93%，60 ℃动稳定度达到10 676次/min，且变异系数为15.94%，由此说明，该泡沫沥青混合料的低温抗裂性、水稳定性以及高温稳定性较好。

6 结 论

1)在拌和泡沫沥青混合料时，采用高频拌和有利于泡沫沥青与细集料或矿粉形成的胶浆充分填充在湿冷骨料的缝隙之间，提高泡沫沥青混合料的性能。

2)泡沫沥青混合料的拌和时间应通过拌和系统严格控制，应避免拌和时间过短，泡沫沥青无法将骨料裹覆均匀，使泡沫沥青混合料性能降低。同时，应避免拌和时间过长，延缓工程进度，消耗过多燃料，对环境造成污染。

3)对泡沫沥青混合料进行拌和时，结合实际的工程应用，分析了两种不同的拌和顺序对泡沫沥青混合料性能的影响情况。拌和顺序不同，泡沫沥青混合料的性能也不同，因此，在拌和过程中水泥和水、泡沫沥青的掺入顺序应得到重视。

4)在拌和过程中应适当将油石比增加0.1%～0.2%，有利于沥青用量始终保持在最佳油石比附近，使泡沫沥青混合料保持最佳状态。

5)通过对水泥掺量的研究分析，水泥用量增多，泡沫沥青混合料的强度也会相应提高，但为了减少路面在使用过程中出现裂缝，应严格控制水泥掺量。