泡沫瀝青冷再生混合料性能及工程應(yīng)用研究

張鵬舉 宋尚霖

（1 甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

公路工程是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展全局的民生工程，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著不可替代的支撐作用。將廢舊路面材料再生循環(huán)應(yīng)用于道路基礎(chǔ)建設(shè)和養(yǎng)護(hù)，變廢為寶，形成一個(gè)符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式的產(chǎn)業(yè)鏈，可以避免廢舊材料堆放對(duì)土地的占用和對(duì)環(huán)境的污染，可以減少對(duì)石料、瀝青、水泥的需求，并降低筑路成本，創(chuàng)造盡可能大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。根據(jù)《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年～2030年）》總體規(guī)劃，至 2030年，甘肅省區(qū)域范圍內(nèi)約33%的省級(jí)高速公路將改造升級(jí)為國(guó)家級(jí)高速公路，約 54%的省級(jí)普通道路將改造升級(jí)為國(guó)道，公路發(fā)展的規(guī)模和級(jí)別發(fā)生了巨大變化。2015～2020甘肅省規(guī)劃，甘肅省有45%的高速公路進(jìn)入運(yùn)營(yíng)中后期，國(guó)省干線基層補(bǔ)強(qiáng)以及改建大修資金投入158億元。在這樣的形勢(shì)下，大力發(fā)展符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式的路面再生技術(shù)，可有效解決甘肅省公路養(yǎng)護(hù)資金短缺、石料短缺以及路面反射裂縫、水損害病害嚴(yán)重等問(wèn)題，從而以盡可能少的資源消耗創(chuàng)造盡可能大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有十分重要的意義。

1 泡沫瀝青發(fā)泡機(jī)理及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 發(fā)泡原理

泡沫瀝青又叫膨脹瀝青，是將一定的常溫水和壓縮空氣注入熱瀝青使其體積發(fā)生膨脹，形成大量的瀝青泡沫，經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間瀝青泡沫破裂，原理如圖1所示。這一過(guò)程只是物理變化，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)泡沫瀝青與集料接觸時(shí)，瀝青泡沫瞬間化為數(shù)以百計(jì)的“小顆粒”,散布于細(xì)集料（特別是粒徑小于0.3mm）的表面，形成粘有大量瀝青的細(xì)料填縫料，經(jīng)過(guò)拌和壓實(shí),這些細(xì)料能填充于濕冷的粗集料之間的空隙并形成類似砂漿的作用,使混合料達(dá)到穩(wěn)定,混合料粘結(jié)機(jī)理如圖2所示。

圖1 泡沫瀝青冷再生原理圖

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前主要以膨脹率和半衰期來(lái)衡量泡沫瀝青的發(fā)泡效果，膨脹率與半衰期越大對(duì)混合料的性能越有利。根據(jù)國(guó)外對(duì)泡沫瀝青已有研究結(jié)果，膨脹率大于10倍，半衰期不低于10s，是普遍可接受的條件。對(duì)于不同的瀝青品種其最佳發(fā)泡溫度及發(fā)泡用水量對(duì)其膨脹率及半衰期都有影響。

圖2 泡沫瀝青冷再生混合料結(jié)構(gòu)圖

2 泡沫瀝青混合料性能研究

2.1 水泥摻量對(duì)混合料性能的影響

由于泡沫瀝青在混合料中分布呈“點(diǎn)焊”狀分布，沒(méi)有在礦料表面形成連續(xù)的瀝青膜裹覆，因此泡沫瀝青混合料其水敏感性較強(qiáng)，我們通常通過(guò)添加少量的水泥來(lái)改善水穩(wěn)定性。而水泥摻量的多少對(duì)混合料的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能都會(huì)產(chǎn)生改變，研究水泥用量的多少對(duì)泡沫瀝青混合料性能的評(píng)價(jià)具有重要意義[2，3]。試驗(yàn)研究了不同水泥摻料在泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性的影響，將5種不同水泥摻量的混合料成型標(biāo)準(zhǔn)大馬歇爾試件，經(jīng)過(guò)40℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生72h后進(jìn)行15℃劈裂試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同水泥摻量的混合料ITS實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，隨著水泥摻量的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的干濕劈裂強(qiáng)度都明顯增加。此外，泡沫瀝青冷再生混合料的殘留劈裂強(qiáng)度比也隨著水泥摻量的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明水泥摻量的增加可以明顯的提高混合料的水穩(wěn)定性。相對(duì)于不添加水泥的再生混合料，添加1.5%水泥的混合料其殘留劈裂強(qiáng)度比由48.8%增加到了80.3%，這也說(shuō)明了水泥在一定程度上提高混合料強(qiáng)度的同時(shí)，主要增強(qiáng)了泡沫瀝青水穩(wěn)定性。當(dāng)水泥摻加量在1%～2.5%之間時(shí)，泡沫瀝青冷再生混合料的殘留劈裂強(qiáng)度比TSR增幅變小，甚至出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。此外，考慮到過(guò)多的水泥摻量會(huì)導(dǎo)致泡沫瀝青冷再生混合料剛性增大，在甘肅省大溫差氣候環(huán)境下反射裂縫病害不能很好的抑制，且工造造價(jià)增加，因此推薦適宜的水泥摻量不宜超過(guò)1.5%。

2.2 成型方式對(duì)混合料性能的影響

對(duì)于泡沫瀝青冷再生混合料，馬歇爾成型方法的壓實(shí)原理與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓路機(jī)碾壓原理差別較大，使冷再生混合料的集料移動(dòng)方向與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過(guò)程中的移動(dòng)方向并不一致，無(wú)法較好的模擬現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)，成型試件的物理力學(xué)性能與實(shí)際芯樣不吻合，因而難以有效揭示材料組成結(jié)構(gòu)與性能之間規(guī)律。

為了探究不同成型方法對(duì)混合料性能的影響，本次試驗(yàn)在確保混合料孔隙率（12%±0.3%）一定的情況下，采用粗粒式級(jí)配成型了直徑為152.4mm，目標(biāo)高度95.3mm的試件，研究了馬歇爾成型和振動(dòng)成型方法對(duì)混合料力學(xué)的影響。

表2 不同成型方法下混合料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表2結(jié)果顯示，振動(dòng)成型的混合料ITS明顯高于馬歇爾成型的混合料，且振動(dòng)成型混合料ITS測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)生完鉆取芯樣測(cè)試結(jié)果接近。其原因?yàn)檎駝?dòng)成型其能很好的模擬現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)的振動(dòng)情況，通過(guò)連續(xù)沖擊的壓力波使得混合料內(nèi)部的細(xì)小顆粒運(yùn)動(dòng)，混合料內(nèi)部的細(xì)顆粒之間靜摩擦?xí)D(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，從而使得混合料集料分布更加均勻，表現(xiàn)出其強(qiáng)度的提高。因此，針對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料成型方法在的適用性，采用振動(dòng)成型方法更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

2.3 養(yǎng)生條件對(duì)混合料性能影響

泡沫瀝青冷再生混合料養(yǎng)生過(guò)程也是水分逐漸散失的過(guò)程，隨著水分的散失其混合料強(qiáng)度、剛度也逐漸增大。目前室內(nèi)養(yǎng)生條件規(guī)范采取60℃快速養(yǎng)生方法，其不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。夏季現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)生溫度一般在40℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到60℃，60℃溫度超過(guò)了基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)，造成泡沫瀝青在養(yǎng)生時(shí)發(fā)生流動(dòng)，泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部空隙分布、泡沫瀝青分布發(fā)生差異，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度差異[4]。本次試驗(yàn)分為4組，將泡沫瀝青混合料脫模后在40℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生1d、3d、5d、7d后的干劈裂強(qiáng)度和含水量。

圖3 養(yǎng)生時(shí)間與劈裂強(qiáng)度及含水量的關(guān)系圖

由圖3可知：泡沫瀝青混合料試件在40℃恒溫鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生1d后，其干劈裂強(qiáng)度僅為0.38MPa，含水量為2.89%；隨著養(yǎng)生時(shí)間的增長(zhǎng)，其1d到3d的干劈裂強(qiáng)度增張迅速，而且混合料的含水率迅速下降，第3d混合料試件干劈裂強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到0.72MPa，含水量為0.35；養(yǎng)生時(shí)間3d到7d時(shí)，其干劈裂強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始緩慢，混合料的含水量也逐漸變小，最終趨于0。這是初期混合料含水量較高，水泥并未完全水化，所以劈裂強(qiáng)度較低，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增長(zhǎng)，水泥水化產(chǎn)物越來(lái)越多，混合料的強(qiáng)度迅速增加，養(yǎng)生3d后，混合料中水泥基本水化完，后期劈裂強(qiáng)度變化趨于緩慢。因此我們采用40℃取代原有60℃養(yǎng)生溫度，在40℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生3d模擬現(xiàn)場(chǎng)早期養(yǎng)生方法。

2.4 水損害性能評(píng)價(jià)方法

甘肅省氣候環(huán)境復(fù)雜，全省大部分地區(qū)晝夜凍融天數(shù)較多，各市日平均氣溫0℃以下天數(shù)最高達(dá)166天，凍融破壞嚴(yán)重。基于以上背景，結(jié)合工程實(shí)際我們?cè)O(shè)計(jì)中提出了殘余粘聚力指標(biāo)評(píng)價(jià)混合料的抗水損害能力。試驗(yàn)基于振動(dòng)成型設(shè)備，制備Φ=152.4mm，h=300mm的試件，并施加0KPa、50KPa、150 KPa、200 KPa的圍壓進(jìn)行三軸試驗(yàn)。并將養(yǎng)生完成的試件在25℃水里浸泡24h測(cè)其粘聚力，從而計(jì)算得出其損失強(qiáng)度，要求其粘聚力損失不大于25%，以此來(lái)評(píng)價(jià)該混合料的抗水損害能力，其三軸試驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 基于振動(dòng)成型的三軸試驗(yàn)殘余粘結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)原理

3 工程應(yīng)用研究

3.1 工程概況及再生方案

圖5 路面重鋪結(jié)構(gòu)方案

G109 線是國(guó)道主干線五縱七橫中的重要組成部分，東北起北京，止于西藏自治區(qū)首府拉薩，全長(zhǎng) 3922 公里。G109 線從甘寧界（劉寨柯）進(jìn)入甘肅省，途徑平川區(qū)、白銀市區(qū)、皋蘭縣城、蘭州市區(qū)、紅古區(qū)后進(jìn)入青海省。本次試驗(yàn)段選取病害嚴(yán)重K1568+800-K1573+500段，采取銑刨重鋪的措施對(duì)路面病害進(jìn)行徹底修復(fù)，延長(zhǎng)使用年限，確保行車安全。重鋪結(jié)構(gòu)層見(jiàn)圖5。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段鋪筑選取SK90瀝青，發(fā)泡溫度165℃，發(fā)泡用水量2.5%，瀝青用量2.5%，外摻1.5%水泥。混合料設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表3、表4。

表3 G109線泡沫瀝青冷再生混合料配合比

表4 G109 線泡沫瀝青冷再生混合料組成級(jí)配

3.3 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)

本研究根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》及《南非瀝青穩(wěn)定材料設(shè)計(jì)指南》對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能進(jìn)行了測(cè)試。由于甘肅省公路路面水損害嚴(yán)重，采用凍融劈裂試驗(yàn)并不能真實(shí)的模擬路面的水損害實(shí)際工況，我們采用南非技術(shù)規(guī)范，采用殘余粘聚力對(duì)混合料抗水損害能力進(jìn)行驗(yàn)證，其能更好的對(duì)混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),各項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 泡沫瀝青混合料性能檢測(cè)指標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

本文以G109國(guó)道養(yǎng)護(hù)維修工程為例，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)及室內(nèi)試驗(yàn)和工程應(yīng)用總結(jié)，對(duì)瀝青的發(fā)泡機(jī)理、影響混合料性能的因素及現(xiàn)有技術(shù)存在問(wèn)題、混合料配合比設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用效果進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同的成型方式及養(yǎng)生方式對(duì)混合料性能影響極大，建議采用振動(dòng)成型制備試件，并采取40℃養(yǎng)生3天來(lái)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況；添加水泥的混合料，水泥水化產(chǎn)物在泡沫瀝青膠漿內(nèi)部互相交織、穿插、生長(zhǎng)的同時(shí)貫穿了泡沫瀝青冷再生混合料的孔隙，提高了混合料的水穩(wěn)定性能，并推薦適宜的水泥摻量不宜超過(guò)1.5%；提出基于振動(dòng)成型的三軸試驗(yàn)殘余粘聚力指標(biāo)評(píng)價(jià)抗水損害能力，要求其粘聚力損失最大不超過(guò)25%。根據(jù)甘肅省大溫差氣候環(huán)境、養(yǎng)護(hù)資金短缺、石料短缺等實(shí)際情況以及首次試驗(yàn)段的應(yīng)用效果，泡沫瀝青廠拌冷再生技術(shù)在甘肅省的大量推廣和應(yīng)用具有重要意義。