公路泡沫瀝青冷再生技術及產生原理與特點

王玉貴

（貴州省黔東南州交通建設工程公司，貴州 黔東南州 556000）

瀝青路面的再生技術是國外20世紀80年代后期迅速發展起來的一種新技術,目前已成為國際上道路維修改造的主要方法之一,根據我國目前修建道路的情況,按照瀝青路面的設計壽命 (15～20年),20世紀90年代以后陸續建成的高速公路已進入維修養護和改造階段,每年約有12%的路面要大修,初步估計每年的瀝青路面廢棄材料約為220萬噸。如采用傳統的方法將大量翻挖、銑刨的瀝青混合料全部廢棄,一方面造成環境污染,另一方面對于優質瀝青較為匱乏的我國來說是一種資源的極大浪費。因此,必須采用一種既能維持道路的正常運營,又能合理處置廢舊路面材料、更為經濟適用的路面再生技術。

1 泡沫瀝青混合料的技術性能和設計方法

1.1 技術性能

1.1.1 溫度穩定性。泡沫瀝青混合料的溫度敏感性較常規的HMA低。泡沫瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性均優于熱拌瀝青混合料。

1.1.2 抗車轍性能。有關抗車轍性能的研究比較少。如澳大利亞交通部門曾采用ImageFlats的材料進行了兩種方式的泡沫瀝青混合料車轍試驗,即壓實后立即試驗和壓實后24h試驗。試驗結果相差很大,前者在不到2000次時車轍深度就超過14mm,而后者經過10000次輪碾試驗,車轍深度仍小于1mm。

1.1.3 水穩定性。泡沫瀝青混合料的強度特性與含水量密切相關,因為該類混合料的瀝青用量相對較少,而空隙率較高。為了提高混合料的水穩定性,必須采用較大的瀝青用量,這樣,混合料的密度增加,細粒料能裹覆更多的瀝青,使其水穩定性提高。也可以加入水泥作為填料改善材料的水穩定性。

1.2 設計方法

泡沫瀝青混合料是由泡沫瀝青與路面材料混合在一起而得到的混合料。混合料設計通常采用馬歇爾法,主要是確定瀝青的發泡性能和確定最佳瀝青用量2個方面。步驟如下。

1.2.1 對需翻新的路面進行調查評估。包括地下水和排水情況、舊路的縱斷面和結構層厚度、路基強度等。

1.2.2 對能夠回收再利用的材料進行檢測。包括瀝青含量、材料含水量、混合料的級配等。

1.2.3 確定泡沫瀝青混凝土各種材料用量比例。對塑性指數大于12的材料需摻加1%～2%的熟石灰,為了增加瀝青的粘附性,可加入1%～2%的水泥。

1.2.4 確定泡沫瀝青的膨脹率及半縮期。經由改變加入的冷水量,可以調整瀝青的膨脹率和半縮期,并據此選擇最佳用水量。

1.2.5 制備泡沫瀝青混合料試件,確定最佳瀝青用量。一般配比設計要求拌制至少五種不同瀝青用量的混合料。將試件經適當的養護后,再進行評估試驗。一般采用間接拉伸試驗,求得不同泡沫瀝青用量試件的間接拉伸強度值,以最大的間接拉伸強度所對應的瀝青用量作為最佳瀝青用量。

1.2.6 對泡沫瀝青混凝土的工程性能進行評價。確定最佳瀝青含量后,針對其配比再制作試件,通過穩定度、流值試驗、回彈模量及疲勞試驗對性質作出評價。

2 公路泡沫瀝青的產生原理及特點分析

2.1 通過向高溫的瀝青中加入精確計量的冷水(通常為瀝青質量的1%～2%)就可以制成泡沫瀝青。當注入的冷水遇到熱瀝青時,由于水的急速汽化,瀝青的表面積大量增加,體積發生膨脹,因而會產生大量泡沫,表面活性進一步增強。對于粘度值較大或高等級的瀝青,通常需要加入一定壓力,促進泡沫的生成。在發泡的過程中,瀝青的粘度顯著降低,從而能與高速攪拌狀態下的冷濕集料具有很好的裹覆性能,而且這種裹覆作用在常溫下只針對集料中的細集料,通過裹覆細料形成高粘度的瀝青膠漿,并在壓實作用下粘結粗集料形成強度,增加了混合料的粘聚性。從泡沫瀝青的產生原理可以看出,泡沫瀝青并不是一種新的瀝青粘結料,而是一種新式的瀝青拌合技術。

2.2 瀝青發泡效果可用膨脹率和半縮期評價。膨脹率是指瀝青與水拌合發泡后達到的最大體積與瀝青未發泡前體積的比值,半縮期是指自發泡的最大體積為準起算,至體積縮減至一半所經過的時間。一般高溫的瀝青經與少量水拌合后,體積在很短的時間內膨脹至最大,此后體積開始縮減,為了使發泡后的瀝青能與常溫的濕集料拌合充分,膨脹率越大越好;半縮期則應盡量長,以便與集料有較長的時間進行拌和,提高泡沫瀝青混合料的質量。所以生產泡沫瀝青的關鍵在于控制使用準確的用水量及獲得最佳的膨脹率。

2.3 與乳化瀝青和其他穩定劑 (如水泥、石灰)相比,泡沫瀝青具有獨特的技術特點和應用效果,其優勢在于:

①單價及運輸價格較低,因為泡沫瀝青只要采用一般常用的針入度級瀝青即可,且添加的水量相當少,而不像乳化瀝青需要加入較多量的水進行乳化,由于運輸量的減少,而使運輸成本大大降低;

②施工速度快,泡沫瀝青混合料拌好后可以立即壓實,壓實結束即可開放交通,尤其在城市道路維修中,可以明顯減少對繁忙道路的交通影響;

③骨料無需加熱,也不必對瀝青進行乳化,節約能源,經濟環保;④儲存期較長(最長可至1個月),而并不影響使用性能,可以方便地應用于道路的日常維修;

④用泡沫瀝青穩定的集料范圍較廣,可以是高質量的碎石,低等級的砂石料、礦渣,破碎的瀝青混凝土回收料等;

⑤與傳統的熱拌瀝青混合料相比,具有更好結構承載力、抗車轍和抗疲勞性能;

⑥與水泥處治粒料相比更有柔性,不會產生收縮龜裂的問題。

2.4 采用泡沫瀝青作為冷再生穩定劑的缺點:

①瀝青成功發泡需要較高的溫度 (約160～180℃);②泡沫瀝青的生產需要使用專門設備;③作處治基層時,比石灰和粉煤灰材料造價高;

④泡沫瀝青混合料不耐水的侵害,故完成的泡沫瀝青層大都需要在上面加鋪較能抗水及耐磨的熱拌瀝青混凝土層。

3 泡沫瀝青現場冷再生技術在道路維修養護中的應用

現場熱再生主要針對瀝青路面的上面層,處理深度0～6cm;現場冷再生適合全部面層和基層,處理深度10～50cm。瀝青混凝土路面現場冷再生是利用專用路面機械,按照一定的厚度,將舊路面現有的材料(包括面層材料和部分基層材料)進行粉碎加工,必要時添加部分新骨料或細集料,再按一定比例加入一定量的穩定劑 (施工中使用穩定劑是為了提高被再生材料的強度,恢復因路面老化而導致的材料性能衰退,類型主要有水泥、石灰、粉煤灰、高爐礦渣、泡沫瀝青、乳化瀝青等)和適量的水,在自然環境溫度下現場連續地完成材料的拌和、攤鋪及壓實成型,并將再生層作為新建路面的面層或基層的作業過程。再生后,視公路等級的不同,再生層上加鋪瀝青混凝土面層或做封層處理。

3.1 施工工序

現場冷再生施工之前應先進行路況調查,然后進行試驗室配合比設計,再進行實驗路段施工,用來驗證配合比,必要時進行配合比調整;最后才是大規模的冷再生施工。利用泡沫瀝青進行現場路面冷再生的施工工序如下:

(1)對舊有路面進行銑刨破碎,也可加入其它碎石骨料和再利用的原有瀝青混合料;

(2)泡沫瀝青產生后直接噴灑在再生機的拌和罩殼內,與路面材料充分拌和。在粒料中,泡沫瀝青用量一般為3%～5%(重量百分比),當被再生材料本身含有較多瀝青時,其用量可降低為2%～3%。也可以在使用泡沫瀝青做穩定劑的同時,加入少量(一般為1%～2%)的水泥,其作用是使再生層獲得所需強度,提高表層質量,防止裂紋發生;

(3)表面處理,對交通流量大的道路只需在上面加鋪一層新的瀝青面層,對低交通流量路面進行表面處理即可。

3.2 維修養護特點

利用泡沫瀝青冷再生技術對現有道路進行維修養護具有以下特點。

(1)在道路面層修復翻新的同時提高了道路的整體結構強度;原筑路材料重新得到利用,節約了資源和能源。

(2)僅使用一種粘結料就可獲得高質量的基層,與其他冷再生方法相比,工藝經濟,成本低。

(3)提高了非粘結礫石道路的等級。為了提高道路的承載能力,其鋪層被持續加強以抵抗交通磨耗及雨水的侵蝕,同時也消除了因灰塵和石子造成的交通危險。

(4)用泡沫瀝青作為新粘結料進行粘結層及部分非粘結基層道路的冷再生,可以獲得滿足預期交通載荷要求的新基層,與水泥相比,泡沫瀝青能產生更具柔性的鋪層。

(5)泡沫瀝青適合幾乎所有的骨料和原道路上再生的筑路材料,與普通瀝青相比,提高了瀝青的裹覆能力。能理想地裹覆濕冷的骨料,所以施工幾乎完全不受天氣的影響。

4 結束語

本文分析了泡沫瀝青的產生原理及泡沫瀝青混合料的技術性能和設計方法,說明了泡沫瀝青現場冷再生技術在道路維修養護中的應用。根據統計資料,我國90%以上的高等級公路瀝青路面基層或底基層采用半剛性材料,早期損壞非常嚴重,發達國家已很少采用這種結構。應用泡沫瀝青混凝土作為路面底層,就可以解決半剛性基層瀝青路面結構帶來的問題,既能有效避免早期病害的發生,又能解決大量路面材料廢棄后造成的污染和浪費問題。

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