基于國產泡沫瀝青冷再生設備的拌和參數研究

郭小宏, 王金橋, 黃維蓉, 周明旭, 邵發展

(1.重慶交通大學 經濟與管理學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074；4.徐州工程機械集團有限公司，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

泡沫瀝青冷再生技術最先由德國August Jacobi提出[1]，隨后，相關學者采用膨脹率和半衰期對瀝青的發泡特性進行了研究，提出了發泡用水量、發泡溫度等對發泡特性的影響[2]。20世紀70年代，美國嘗試將泡沫瀝青應用到實際的路面工程中，從而，該技術在國外得到快速發展[3]。1998年，河北省邯鄲市首次引入了WR2500型冷再生機，并鋪筑了相應的試驗段，泡沫瀝青冷再生技術在我國由此拉開了序幕[4]。該技術的應用雖然在我國起步較晚，但不少的專家、學者通過對國外泡沫瀝青冷再生技術的應用分析，對泡沫瀝青的發泡溫度、含水量、力學性能、配合比設計等進行了系統性的研究[5]，為我國的泡沫瀝青冷再生技術奠定基礎。

采用泡沫瀝青冷再生技術，不僅可以對舊料高回收利用，而且具有生產工藝簡單、養護及開放交通時間短等優點[6]。但之前的工程應用研究大多數以國外某品牌泡沫瀝青冷再生設備為基礎，而以國產成套設備為基礎、結合國內具體工程項目對泡沫瀝青冷再生技術的應用文獻報道不多。近年來，國內某工程機械公司通過對國外泡沫瀝青設備分析與借鑒，研發了我國第1臺具有自主知識產權的泡沫瀝青冷再生設備—XCL300R(圖1)，并首次在渝西地區S209省道路面改造工程中投入使用。

圖1 XCL300R泡沫瀝青冷再生設備

S209省道榮江路喻家溝至朱沱路段路面改造工程，以國產XCL300R設備為基礎，選用國產穩定土攤鋪、壓實設備，組成以國產成套設備為基礎的泡沫瀝青冷再生機群，對該路段進行8 cm的泡沫瀝青層施工，筆者基于XCL300R設備在該路段的應用情況，重點對泡沫瀝青冷再生應用過程中該設備的拌和參數進行分析與評價。

1 項目概況與設備情況

1.1 項目概況

榮江路地處永川區，長江上游北岸，位于重慶西部，是聯系永川區、江津區的重要通道，全長18.661 km。該地區的氣候條件為亞熱帶季風性濕潤氣候，平均氣溫為18.2 ℃，無霜期長，季風氣候顯著，日照少，濕度大。主要的氣候災害有干旱、洪澇、冰雹、連晴高溫等。近年來，受當地氣候影響以及周圍產業規模的調整，重載交通及超載交通逐漸增加，路面經過多年的使用，逐漸出現了各種類型的病害，如麻面、擁包、坑槽、沉降、網裂或龜裂等(圖2)。

圖2 路面病害情況

盡管有關部門針對這些病害進行了多次修補，但效果不佳。由于原有的路面結構承載力已無法滿足安全行車的要求，決定對該路段進行翻新改造，該路段的原路面結構形式及改造后的路面結構形式見表1。

表1 改造前后的路面結構形式

1.2 設備情況

本次泡沫瀝青冷再生采用的拌和設備為XCL300R，與維特根公司生產的廠拌冷再生設備相比，該設備將RAP料和粗細骨料分級投放、分級拌合，同時可生產各級配乳化瀝青冷再生混合料、水泥穩定土混合料、級配碎石、二灰混合料等，完全滿足各等級公路、市政道路等施工工程的需要，不僅降低了工程造價，對路面施工也提供了明顯的便利。在生產泡沫瀝青混合料時，其主要工藝流程是：首先在一級拌和缸內將RAP料、粗骨料、細集料等進行預拌；通過1#皮帶輸送至二級攪拌缸后，摻入精確計量的水泥、水、泡沫瀝青進行充分拌和；均勻度達到要求后，再通過2#皮帶將泡沫瀝青混合料輸送至運料車，采用這種全新的二級攪拌技術，泡沫瀝青混合料能達到最佳的瀝青裹附效果。其基本設備參數見表2。

表2 XCL-300R拌和設備參數

2 拌和技術機理分析

瀝青混合料的拌和機理可采用剪切混合、對流混合以及擴散混合等3個方面進行描述，首先在拌和時，不同組分的粒子之間產生相互滑動與碰撞，形成剪切混合；其次，不同粒徑的粒子在攪拌的作用下位置發生大幅度移動，形成環流，又使得不同粒徑的粒子相互混合形成對流混合；最后相鄰兩個粒子之間的相互位置發生改變，形成局部混合的擴散混合，此類混合與對流混合相比，粒子的運動速度要慢得多，但擴散混合作用可以使形成的瀝青混合料更均勻。

3 原材料情況

3.1 舊路面銑刨料

采用整體銑刨法以5～7 m/min的銑刨速度將4 cm厚的細粒式瀝青混凝土和6 cm厚的中粒式瀝青混凝土進行銑刨，并將其作為泡沫瀝青冷再生的主要原材料。將該舊料運輸至拌合站后，根據規范要求進行取樣，以抽提、蒸餾、篩分等試驗手段，對原路面材料的瀝青含量、級配情況進行分析，試驗結果表明，舊料的瀝青含量在3.5%～4.5%之間波動，主要原因是路面的破損程度不同，銑刨過后的舊料級配極度不均勻，若直接將此類舊料應用到泡沫瀝青冷再生，不僅舊料的利用率降低，同時泡沫瀝青混合料的性能也會較差。因此，需對舊料進行預處理，使舊料盡可能均勻，從而使舊料中的瀝青含量保持均勻，提高舊料的回收利用率以及泡沫瀝青混合料的性能。在處理過程中采取二次破碎篩分等手段，以舊料在各篩孔中的通過率為評價指標，并繪制成曲線形式，試驗結果如圖3。

圖3 舊路面材料的通過率

根據圖3分析，各通過率曲線基本接近于重合狀態，離散性較小，由此說明，經過預處理后的舊料級配較均勻，此時舊料中的瀝青含量基本保持在4.2%～4.5%之間，滿足泡沫瀝青冷再生技術對舊料的高回收利用以及泡沫瀝青混合料的性能要求。

3.2 新集料

本次泡沫瀝青冷再生技術采用的新集料包括粒徑為10～25 mm的石灰巖和粒徑為0～5 mm的機制砂，石灰巖干燥且表面粗糙，機制砂顆粒潔凈、干燥、無風化且具有適當的顆粒級配。根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》對粗細集料的主要技術指標進行了試驗，試驗結果見表3、表4。

表3 10～25 mm石灰巖的試驗結果

表4 0～5 mm機制砂的試驗結果

3.3 水 泥

水泥作為泡沫瀝青冷再生技術中的主要再生結合料，其摻入可以改善混合料的水穩定性，對混合料的強度也具有積極作用[7]。在泡沫瀝青冷再生技術中，要求水泥疏松、干燥，無結塊、無受潮變質等現象，并具有初凝時間短、早期強度高等特點。因此，本次泡沫瀝青冷再生采用的水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，并根據規范要求對水泥的主要技術指標進行了試驗，結果見表5。

表5 水泥技術指標

3.4 泡沫瀝青

泡沫瀝青的性能評價指標主要是膨脹率和半衰期[8]，采用70#A級瀝青，通過XLB10P發泡設備進行發泡試驗，最佳發泡用水量為2.5%，發泡溫度為160 ℃。根據JTG 5501—2019《公路瀝青路面再生技術規范》要求，當采用泡沫瀝青冷再生技術時，膨脹率應大于12倍，半衰期應大于10 s，試驗結果見表6。

表6 膨脹率及半衰期試驗結果

4 配合比設計

基于對RAP材料的綜合路用性能分析，調整新舊材料的摻配比例，使混合料的合成級配滿足中粒式級配的要求，并且保證合成級配曲線平順、無鋸齒形轉折出現[9-10]，同時有足夠的0.075 mm篩孔通過率，以助于泡沫瀝青在混合料中均勻分散。通過對級配曲線的調整，確定RAP料、粗細集料的摻量比例為70%∶15%∶15%，繪制出合成級配曲線圖如圖4。該配合比條件下，采用浸水馬歇爾試驗、凍融試驗以及重型擊實試驗，得到最佳瀝青用量為3%，水泥摻量為1.8%，外摻用水量為4.5%，通過驗證分析，該配合比滿足泡沫瀝青冷再生技術的要求。

圖4 合成級配曲線

5 拌和技術分析

拌和是生產泡沫瀝青混合料的關鍵技術之一。在拌和過程中，混合料的性能主要依賴于設備情況、拌和頻率、拌和時間、拌和順序、瀝青以及水泥摻量等因素。因此，對各種影響因素展開分析，不僅對提高泡沫瀝青混合料的性能具有重要意義，而且能夠為后續泡沫瀝青冷再生技術的應用提供參考價值。

5.1 拌和頻率分析

泡沫瀝青混合料由舊路面材料(RAP)、粗細集料、礦粉、瀝青等多種物料組成，不同成分和不同粒徑的顆粒在拌和過程的中運動速度對泡沫瀝青混合料性能具有較大的影響。由于泡沫瀝青的半衰期較短，且瀝青的冷卻速度較快，若采用較慢的拌和頻率，噴射出來的泡沫瀝青會形成絲狀或塊狀的物質，從而無法與細集料或礦粉充分結合形成膠漿填充在濕冷骨料之間，導致混合料的性能變差；頻率越快，混合料之間的運動速度也就越快，當泡沫瀝青從發泡機內噴射完成后，便可與拌和缸內的混合料充分結合，從而形成較均勻的泡沫瀝青混合料。通過試驗研究證明，拌和頻率宜控制在45～50 Hz之間。

5.2 拌和時間分析

在生產泡沫瀝青混合料時，一方面要保證混合料具有足夠的拌和時間，讓混合料達到均勻性要求；另一方面又要避免因長時間的拌和，導致工程進度延緩和浪費燃料等問題。根據規范要求，泡沫瀝青混合料的總拌和時間應介于55～75 s之間。其中，RAP料、粗細集料、水泥和水之間的預拌和時間為15 s，使各種集料與礦粉或水泥相互混合，初步達到均勻一致的混合料，然后向初步拌和均勻后的混合料中噴射泡沫瀝青，設定55、60、65、70、75 s的拌和時間拌和，研究發現，當拌和時間在55～65 s之間時，15 ℃劈裂強度值呈逐漸上升的趨勢，且最高上升6%。由此說明，在該拌和時間內，泡沫瀝青與細集料或礦粉形成的膠漿并沒有充分將濕冷骨料之間的空隙填滿，從而導致混合料的強度隨拌和時間的增加而增加。當拌和時間達到65～75 s后，15 ℃劈裂強度增加的幅度較小，僅增加1%，由此說明，濕冷骨料之間的空隙基本上已被膠漿填充，當拌和時間達到65 s后，延長拌和時間對混合料的性能影響較小。同時，拌和時間越長，設備消耗的燃油量越多，對環境造成的污染越大，工程進度也會越慢。不同拌和時間下的15 ℃劈裂強度值結果見表7。

表7 不同拌和時間下的15 ℃劈裂強度值

5.3 拌和順序分析

通過查閱國內外研究文獻發現，在拌和泡沫瀝青混合料時，水泥、水及泡沫瀝青摻入順序不同，泡沫瀝青混合料的性能也不同。保持拌和頻率和拌和時間不變，采用先向舊路面材料、新集料形成的混合料中摻入水泥和水，再噴入泡沫瀝青與先摻入泡沫瀝青、再摻入水泥和水兩種不同的拌和順序，將拌和均勻后的泡沫瀝青混合料進行干濕劈裂試驗和凍融劈裂試驗并分析。當采用第1種拌和順序時，泡沫瀝青混合料的15 ℃劈裂強度、浸水24 h劈裂強度、凍融劈裂強度均高于第2種拌和順序下的強度值。同時根據規范要求，當泡沫瀝青冷再生技術應用于中等交通等級的下面層時，15 ℃劈裂強度、凍融劈裂強度應分別大于0.5 MPa和0.4 MPa，干濕劈裂強度比與凍融劈裂強度比應分別大于80%和70%。從表8、表9分析發現，當采用第2種拌和順序時，各評價指標均不符合規范要求。因此，宜采用第1種拌和順序進行拌和。

表8 不同拌和順序下的干濕劈裂強度和強度比

表9 不同拌和順序下的凍融劈裂強度和強度比

5.4 瀝青的波動性影響分析

在室內生產泡沫瀝青混合料的過程中，當泡沫瀝青從發泡設備中噴灑到拌和缸內時，一部分的瀝青殘留在發泡機的管道和噴嘴上，另一部分瀝青被噴灑到拌和缸的內壁或攪拌器的葉片上，導致形成的泡沫瀝青混合料中的實際瀝青用量并未達到實驗室規定的3%。但分析泡沫瀝青混合料的性能時，是基于最佳瀝青用量為3%時的混合料性能，與實際上的最佳瀝青用量存在著一定的差異性。這種差異性的產生，對泡沫瀝青混合料性能的分析也存在較大的影響。基于第1種拌和順序的條件，拌和時間與拌和頻率以及其它組分的摻量不變的前提下。針對3%±0.2%的瀝青用量進行生產泡沫瀝青混合料，根據表10、表11試驗結果分析發現，當油石比為2.8%時，15 ℃劈裂強度的平均值與凍融劈裂強度平均值均比規范值要低，當采用的油石比為3%時，各試驗值均能達到規范要求，但在油石比為3%的基礎上增加0.2%后，泡沫瀝青混合料的性能具有明顯提高。因此，在泡沫瀝青混合料的拌和過程中，適當將瀝青用量提高0.1%～0.2%，對改善混合料的性能具有積極的效果。

表10 干濕劈裂強度及強度比

表11 凍融劈裂強度及強度比

5.5 不同水泥摻量分析

向泡沫瀝青混合料中摻入水泥不僅能使混合料的強度提高，同時還能改善泡沫瀝青混合料的水穩定性及耐久性等。但是水泥摻量過多，在溫度、氣候及車輛荷載作用下，路面易出現不同類型的裂縫問題，水泥摻量過少，強度無法滿足要求。為了研究泡沫瀝青混合料中最佳水泥摻量，在進行室內試驗時，保持拌和頻率、拌和時間、拌和順序、瀝青摻量不變，分別向混合料中摻入1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%的水泥。根據表12、表13的結果分析，摻入水泥后，泡沫瀝青混合料的15 ℃劈裂強度以及25 ℃劈裂強度呈逐漸增加的趨勢。由此說明，水泥對提高泡沫瀝青混合料的強度以及改善水穩定性能具有明顯作用，但當水泥摻量從1.5%增加到2.4%后，其浸水24 h劈裂強度、凍融劈裂強度、干濕劈裂強度比和凍融劈裂強度比均在減小。因此，最佳水泥摻量應控制在1.5%～2.4%的范圍內。規范要求，當向泡沫瀝青混合料中摻入水泥時，宜不少于1.5%，不超過1.8%。因此，從強度方面考慮，摻入1.8%的水泥對提升泡沫瀝青混合料的性能更好。

表12 干濕劈裂強度及強度比

表13 凍融劈裂強度及強度比

5.6 綜合性能分析與評價

基于以上研究確定的拌和參數條件，采用15 ℃劈裂強度、凍融劈裂強度、干濕劈裂強度比、凍融劈裂強度比以及60 ℃動穩定度對泡沫瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩定性、高溫穩定性進行分析與評價，結果見表14。

表14 泡沫瀝青混合料的性能評價

從表14的試驗結果可知，15 ℃劈裂強度為1.08 MPa,干濕劈裂強度比為117%，凍融劈裂強度為0.68 MPa，凍融劈裂強度比為93%，60 ℃動穩定度達到10 676次/min，且變異系數為15.94%，由此說明，該泡沫瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩定性以及高溫穩定性較好。

6 結 論

1)在拌和泡沫瀝青混合料時，采用高頻拌和有利于泡沫瀝青與細集料或礦粉形成的膠漿充分填充在濕冷骨料的縫隙之間，提高泡沫瀝青混合料的性能。

2)泡沫瀝青混合料的拌和時間應通過拌和系統嚴格控制，應避免拌和時間過短，泡沫瀝青無法將骨料裹覆均勻，使泡沫瀝青混合料性能降低。同時，應避免拌和時間過長，延緩工程進度，消耗過多燃料，對環境造成污染。

3)對泡沫瀝青混合料進行拌和時，結合實際的工程應用，分析了兩種不同的拌和順序對泡沫瀝青混合料性能的影響情況。拌和順序不同，泡沫瀝青混合料的性能也不同，因此，在拌和過程中水泥和水、泡沫瀝青的摻入順序應得到重視。

4)在拌和過程中應適當將油石比增加0.1%～0.2%，有利于瀝青用量始終保持在最佳油石比附近，使泡沫瀝青混合料保持最佳狀態。

5)通過對水泥摻量的研究分析，水泥用量增多，泡沫瀝青混合料的強度也會相應提高，但為了減少路面在使用過程中出現裂縫，應嚴格控制水泥摻量。