泡沫瀝青冷再生技術(shù)簡(jiǎn)介

王銳軍 李國芬 李強(qiáng)

摘 要：由于泡沫瀝青具有良好的現(xiàn)場(chǎng)性能和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，泡沫瀝青冷再生技術(shù)已成為公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文從泡沫瀝青及其發(fā)泡機(jī)理、泡沫瀝青冷再生混合料、泡沫瀝青冷再生技術(shù)及其施工工藝等方面對(duì)泡沫瀝青冷再生技術(shù)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：泡沫瀝青; 冷再生混合料; 冷再生技術(shù); 施工工藝

中圖分類號(hào)：U414? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）10-213-002

1.技術(shù)背景

目前公路建設(shè)提倡資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色發(fā)展理念[1]。近年來，泡沫瀝青作為瀝青結(jié)合料進(jìn)行冷再生又引起了廣泛注意并得到新的應(yīng)用[2]。泡沫瀝青冷再生技術(shù)有效地解決了廢舊路面原材料在城市中的堆放、垃圾排放、廢棄物污染環(huán)境等方面的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面廢舊原材料進(jìn)行再生和循環(huán)的綜合利用，減少了石料等礦物資源的開采，降低了道路養(yǎng)護(hù)維修成本，符合國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展和節(jié)約資源、環(huán)境友好的發(fā)展目標(biāo)，社會(huì)和環(huán)境效益明顯。

2.泡沫瀝青冷再生混合料

2.1泡沫瀝青及其發(fā)泡機(jī)理

在極短的時(shí)間內(nèi)將眾多細(xì)微水體顆粒噴入高溫瀝青中，水體顆粒遇熱形成氣泡使瀝青體積迅速膨脹，從而產(chǎn)生大量的瀝青泡沫，瀝青泡沫隨后會(huì)出現(xiàn)破裂，這種包含水、氣、瀝青的三相混合體就是泡沫瀝青[3]。當(dāng)泡沫瀝青與集料相互接觸時(shí)，瀝青泡沫瞬間就變成了數(shù)以萬計(jì)的小顆粒而散布在細(xì)料的表面，形成了一層黏稠附著大量泡沫瀝青的細(xì)料和其他填料的縫料，經(jīng)過拌和與壓實(shí)，這些縫料可以均勻填充在不同粗料之間的孔洞中，使得泡沫瀝青冷再生混合料整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)穩(wěn)固，從而其強(qiáng)度得到提高。

瀝青的發(fā)泡效果是制備泡沫瀝青冷再生技術(shù)工藝中的重要問題之一，對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的性能產(chǎn)生了較大的影響。目前，我們?cè)u(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡效果的主要技術(shù)指標(biāo)是它們的膨脹率與半衰期[4]。膨脹率是指當(dāng)瀝青發(fā)泡充分膨脹時(shí)所能夠達(dá)到的最大體積和泡沫徹底消失時(shí)的平均體積百分?jǐn)?shù)之比;半衰期是指將泡沫瀝青由最大的體積逐漸下降至最大體積一半而持續(xù)所必須經(jīng)過的時(shí)間。一般認(rèn)為，膨脹率越高，同時(shí)半衰期持續(xù)越長(zhǎng)可作為最優(yōu)的發(fā)泡效果[5]。目前人們普遍認(rèn)為理想的發(fā)泡效果應(yīng)該是膨脹率超過10倍，且其半衰期不低于8s。

2.2泡沫瀝青冷再生混合料

泡沫瀝青冷再生混合料通常是由多種不同的材料共同組成，即舊式路面筑路材料中的瀝青混凝土或小塊碎石與泡沫瀝青、新集料、水泥、礦粉按一定比例混合后加水拌合，經(jīng)過壓實(shí)得到的一種再生料。

從材料構(gòu)成方面講，泡沫瀝青冷再生混合料中既包括有機(jī)結(jié)合料的瀝青，又包括無機(jī)結(jié)合料的水泥，所以泡沫瀝青混合料是一種介于半剛性和柔性之間的材料，其強(qiáng)度接近半剛性材料，但也表現(xiàn)出一定的柔韌性[6]。泡沫瀝青冷再生混合料在一定程度上充分兼顧了二者的共同特性，既具備了較好的抗車轍性能，又具備了較好的耐疲勞性能。在泡沫瀝青冷再生混合料形成過程中，泡沫瀝青先與混合料中的細(xì)集料、礦粉結(jié)合形成泡沫瀝青膠漿，然后再以“點(diǎn)焊”的形式將粗集料黏結(jié)在一起。由于泡沫瀝青是以點(diǎn)狀分布于集料表面的，未對(duì)集料顆粒進(jìn)行完全裹附，這在一定程度上節(jié)約了瀝青用量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.泡沫瀝青冷再生技術(shù)

泡沫瀝青冷再生技術(shù)可以分為廠拌冷再生和就地冷再生這兩種技術(shù)，二者均能夠大量乃至100%地充分利用原有的路面結(jié)構(gòu)層筑路材料，對(duì)于緩解局部區(qū)域舊料的堆放和減少廢棄物在舊料運(yùn)送中的問題有著重要意義。

廠拌冷再生技術(shù)主要指的是將舊瀝青路面材料經(jīng)過大型銑削機(jī)進(jìn)行回收，然后在特定的廠拌冷再生設(shè)備上添加新的泡沫瀝青粘結(jié)劑，并與新集料和原路面舊料拌和均勻，最終通過攤鋪壓實(shí)設(shè)備應(yīng)用到路面上的綜合應(yīng)用工藝。就地冷再生技術(shù)主要是指采用專門的泡沫瀝青就地冷再生裝置，對(duì)舊瀝青路面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)冷銑刨加工，然后在其中摻入一定的泡沫瀝青、新集料、水泥、礦粉及拌和用水，經(jīng)過正常的拌合、攤鋪、碾壓等步驟，一次性完成鋪筑瀝青路面的再生技術(shù)。泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)具有施工簡(jiǎn)單、不損壞路基、施工成本低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)再生技術(shù)的不同，材料組成設(shè)計(jì)方法具有明顯差異[7]。相較于泡沫瀝青的就地冷再生技術(shù)，廠拌冷再生技術(shù)可以更有效地提高和改善瀝青路面的施工質(zhì)量和路用性能。在應(yīng)用過程當(dāng)中，我們可以根據(jù)工程實(shí)際情況擬定再生技術(shù)方案，選擇合適的再生工藝，采用其中一種或二者組合的工藝形式進(jìn)行施工。

4.泡沫瀝青冷再生施工工藝

由于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)原因，泡沫瀝青冷再生技術(shù)被認(rèn)為是一種有效的維護(hù)和修復(fù)技術(shù)。然而，泡沫瀝青冷再生方法的選擇、穩(wěn)定劑種類及用量的確定、設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化等都對(duì)泡沫瀝青冷再生路面的最終性能有著重要的影響。一旦其中一個(gè)步驟出現(xiàn)問題，就會(huì)出現(xiàn)諸如車轍、濕氣損壞和斷裂等問題。隨著道路工作時(shí)間的延長(zhǎng)，車轍和裂縫越來越嚴(yán)重，特別是路面開始“疲勞”和抗疲勞斷裂性能的惡化，會(huì)導(dǎo)致泡沫瀝青冷再生路面開裂，行駛質(zhì)量急劇下降。因此，在泡沫瀝青冷再生技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)施工工藝是泡沫瀝青冷再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期路面性能的一個(gè)關(guān)鍵步驟。

4.1施工工藝

一般來說，整個(gè)泡沫瀝青冷再生施工流程包括舊瀝青路面的銑刨、級(jí)配控制、穩(wěn)定劑添加、混合料澆筑、壓實(shí)和面層施工等程序。

銑刨是利用銑刨機(jī)或粉碎機(jī)進(jìn)行銑刨加工的，既可獲得既有路面材料（包括面層），也可獲得底層材料。銑床的粉碎深度取決于機(jī)器的類型和功率。隨著冷再生設(shè)備的發(fā)展，路面再生系統(tǒng)開發(fā)的粉碎機(jī)最大深度可達(dá)18英寸。當(dāng)粉狀物料需要進(jìn)一步粉碎和分級(jí)以達(dá)到設(shè)計(jì)級(jí)配時(shí)，必須進(jìn)行級(jí)配控制，通常采用拖車式篩分和破碎設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。然后將指定的穩(wěn)定劑添加到分級(jí)的粉末材料中，在拖車式攪拌機(jī)中進(jìn)行。然而，級(jí)配控制、穩(wěn)定劑添加和混合料拌和過程都可以由現(xiàn)代銑床完成。傳統(tǒng)的瀝青攤鋪機(jī)和平地機(jī)是完成泡沫瀝青冷再生混合料攤鋪過程的兩種常用攤鋪機(jī)械。前者應(yīng)用廣泛，后者多用于交通流量較小的場(chǎng)合。大型振動(dòng)鋼輪壓路機(jī)和大型充氣輪胎壓路機(jī)是獲得所需密度的兩種典型壓路機(jī)。

4.2施工質(zhì)量控制

施工質(zhì)量控制是實(shí)現(xiàn)泡沫瀝青冷再生技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)的最后一道工序。如果忽視這一部分或缺乏足夠的重視，最終的路面性能將與預(yù)期結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。實(shí)際上，有許多質(zhì)量控制方面需要注意，包括再生深度、壓實(shí)度、溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、密度/壓實(shí)度和路基條件等。一般的質(zhì)量控制大多是由公路管理機(jī)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)決定的。

因此，在泡沫瀝青冷再生施工過程中應(yīng)嚴(yán)格考慮回收深度。例如，泡沫瀝青冷再生混合料最好壓實(shí)到50至100mm的深度。如果深度小于50mm，則在施工過程中可能出現(xiàn)離析問題。相反，如果深度大于100mm，則養(yǎng)護(hù)可能是一個(gè)重要問題。泡沫瀝青冷再生混合料的壓實(shí)過程也應(yīng)嚴(yán)格控制，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)是施工的關(guān)鍵步驟，嚴(yán)重的問題可歸因于初始?jí)簩?shí)量過大。為防止壓實(shí)設(shè)備使用不當(dāng)，防止“架橋”現(xiàn)象的發(fā)生，必須注意初壓。建議使用僅在高振幅振動(dòng)模式下運(yùn)行的重型光鼓或墊足振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)再生材料進(jìn)行初始?jí)簩?shí)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)再生層的厚度確定靜壓壓路機(jī)的質(zhì)量。在鋪設(shè)磨損表面之前，還必須考慮養(yǎng)護(hù)時(shí)間。通常，養(yǎng)護(hù)過程應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直到含水量降至1～1.5%。在夏季，養(yǎng)護(hù)時(shí)間通常為一到兩周。對(duì)于瀝青磨耗層，為保證足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，再生基層應(yīng)采用開級(jí)配。相關(guān)研究表明，在恒定濕度水平下，較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)期將導(dǎo)致較高的間接拉伸強(qiáng)度;在養(yǎng)護(hù)初期，間接拉伸強(qiáng)度沒有增加，但在養(yǎng)護(hù)后期，間接拉伸強(qiáng)度增加，同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，動(dòng)態(tài)模量和流動(dòng)數(shù)都相應(yīng)增加。

溫度是施工過程中必須考慮的關(guān)鍵因素。然而，在泡沫瀝青冷再生施工工藝中，很少考慮銑刨料（RAP）溫度的影響。有研究表明，RAP溫度對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的濕間接抗拉強(qiáng)度有顯著影響。同時(shí)，當(dāng)RAP溫度達(dá)到55℃時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)最佳泡沫瀝青摻量降低了約0.5%。因此，建議在施工時(shí)將RAP材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

4.3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

4.3.1路面取芯法

路面取芯法與開挖試坑或檢查孔的方法相比，具有破壞性小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)過程中采用了旋轉(zhuǎn)鉆孔。此外，結(jié)合層的厚度可由芯樣準(zhǔn)確確定，而且通過對(duì)試件的試驗(yàn)，可以得到試件的體積組成和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。目前采樣的趨勢(shì)是通過取芯獲得樣品，通常為6英寸（直徑為150 mm），然后在實(shí)驗(yàn)室對(duì)芯樣進(jìn)行測(cè)試。通過現(xiàn)場(chǎng)取芯和室內(nèi)試驗(yàn)，可以確定代表泡沫瀝青冷再生施工現(xiàn)場(chǎng)的樣品級(jí)配。也可以采用鋸切法進(jìn)行塊狀取樣，但通常比取芯法成本更高。

4.3.2DCP探頭

動(dòng)態(tài)圓錐貫入儀（DCP）探頭是由一根帶有硬化鋼錐尖的鋼桿組成，鋼桿錐尖使用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的落錘以恒定距離打入路面。另外，材料的原位承載強(qiáng)度可以用貫入速率來表征。一旦穿透率改變，就達(dá)到了層與層之間的邊界。此外，由貫入率得出的繪圖結(jié)果可用于指示路面層的厚度和特性。在實(shí)測(cè)分析的基礎(chǔ)上，借助于計(jì)算機(jī)軟件可以得到現(xiàn)場(chǎng)加州承載比（CBR）、回彈模量和層厚等數(shù)據(jù)信息。

4.3.3探地雷達(dá)

挖探坑法、路面取芯法和DCP法是確定路面層厚的三種傳統(tǒng)方法。然而，這些方法的缺點(diǎn)，如耗時(shí)，昂貴，交通中斷等在一定程度上限制了它們的發(fā)展。而探地雷達(dá)（GPR）作為一種無損檢測(cè)（NDT）方法，被用來作為一種道路工程診斷工具來探測(cè)泡沫瀝青冷再生路面信息。具體來說，探地雷達(dá)可用于確定損傷位置，評(píng)估泡沫瀝青冷再生路面面層厚度和相關(guān)材料特性。有研究表明，探地雷達(dá)是一種有效的道路工程診斷工具，可以減少與原位厚度估計(jì)相關(guān)的不確定性，并準(zhǔn)確量化原位結(jié)構(gòu)成分。為了系統(tǒng)地檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)路面信息，探地雷達(dá)常與落錘式彎沉儀結(jié)合使用。具體來說，前者用于估算層厚，后者被用來評(píng)價(jià)泡沫瀝青冷再生路面的早期使用性能。此外，探地雷達(dá)還可用于測(cè)定含水道路工程材料的密度。

4.3.4落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）測(cè)試是泡沫瀝青冷再生路面施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和測(cè)試的常用工具。FWD可用于評(píng)估其結(jié)構(gòu)條件和建立性能模型等，相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)可從FWD數(shù)據(jù)中獲得，包括撓度、剛度、結(jié)構(gòu)承載力和結(jié)構(gòu)編號(hào)。Loizos等人利用FWD-NDT技術(shù)和芯樣試驗(yàn)，對(duì)泡沫瀝青冷再生路面的裂縫進(jìn)行了評(píng)估。

4.3.5NNDG和PSPA

非核密度計(jì)（NNDG）可以收集和分析大量的數(shù)據(jù)。NNDG通常用于測(cè)量泡沫瀝青冷再生路面初始?jí)簩?shí)完成后的路面密度，因?yàn)閿?shù)據(jù)受到壓實(shí)前不穩(wěn)定的空隙率和水分的顯著影響。基于超聲表面波理論，便攜式地震屬性分析儀（PSPA）可以快速測(cè)量地震模量。現(xiàn)場(chǎng)地震模量可以用PSPA估計(jì)。相關(guān)學(xué)者采用NNDG和PSPA對(duì)泡沫瀝青冷再生層的密度和剛度進(jìn)行了測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，NNDG和PSPA可用于監(jiān)測(cè)泡沫瀝青冷再生層的質(zhì)量，確定中間部分和接縫處施工不良路段的位置。

5.結(jié)語

綜上所述，泡沫瀝青冷再生技術(shù)是一種通過就地或者廠拌等方式將原來的路面廢棄物和舊瀝青材料重新進(jìn)行再利用，極大的節(jié)省了自然資源，一定程度上解決了對(duì)環(huán)境的污染，顯著降低了集料的利用率和使用成本，社會(huì)價(jià)值及其經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，由于泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率較大，其力學(xué)強(qiáng)度較低。在后續(xù)研究中，應(yīng)著重于優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)和施工工藝，從宏細(xì)微觀等多層次、多角度對(duì)其強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行探究，從而提高力學(xué)強(qiáng)度。

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