公路泡沫瀝青冷再生技術(shù)及產(chǎn)生原理與特點(diǎn)

王玉貴

（貴州省黔東南州交通建設(shè)工程公司，貴州 黔東南州 556000）

瀝青路面的再生技術(shù)是國(guó)外20世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù),目前已成為國(guó)際上道路維修改造的主要方法之一,根據(jù)我國(guó)目前修建道路的情況,按照瀝青路面的設(shè)計(jì)壽命 (15～20年),20世紀(jì)90年代以后陸續(xù)建成的高速公路已進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)和改造階段,每年約有12%的路面要大修,初步估計(jì)每年的瀝青路面廢棄材料約為220萬(wàn)噸。如采用傳統(tǒng)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(huán)境污染,另一方面對(duì)于優(yōu)質(zhì)瀝青較為匱乏的我國(guó)來(lái)說(shuō)是一種資源的極大浪費(fèi)。因此,必須采用一種既能維持道路的正常運(yùn)營(yíng),又能合理處置廢舊路面材料、更為經(jīng)濟(jì)適用的路面再生技術(shù)。

1 泡沫瀝青混合料的技術(shù)性能和設(shè)計(jì)方法

1.1 技術(shù)性能

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

1.1.2 抗車(chē)轍性能。有關(guān)抗車(chē)轍性能的研究比較少。如澳大利亞交通部門(mén)曾采用ImageFlats的材料進(jìn)行了兩種方式的泡沫瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn),即壓實(shí)后立即試驗(yàn)和壓實(shí)后24h試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果相差很大,前者在不到2000次時(shí)車(chē)轍深度就超過(guò)14mm,而后者經(jīng)過(guò)10000次輪碾試驗(yàn),車(chē)轍深度仍小于1mm。

1.1.3 水穩(wěn)定性。泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度特性與含水量密切相關(guān),因?yàn)樵擃?lèi)混合料的瀝青用量相對(duì)較少,而空隙率較高。為了提高混合料的水穩(wěn)定性,必須采用較大的瀝青用量,這樣,混合料的密度增加,細(xì)粒料能裹覆更多的瀝青,使其水穩(wěn)定性提高。也可以加入水泥作為填料改善材料的水穩(wěn)定性。

1.2 設(shè)計(jì)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?；旌狭显O(shè)計(jì)通常采用馬歇爾法,主要是確定瀝青的發(fā)泡性能和確定最佳瀝青用量2個(gè)方面。步驟如下。

1.2.1 對(duì)需翻新的路面進(jìn)行調(diào)查評(píng)估。包括地下水和排水情況、舊路的縱斷面和結(jié)構(gòu)層厚度、路基強(qiáng)度等。

1.2.2 對(duì)能夠回收再利用的材料進(jìn)行檢測(cè)。包括瀝青含量、材料含水量、混合料的級(jí)配等。

1.2.3 確定泡沫瀝青混凝土各種材料用量比例。對(duì)塑性指數(shù)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(jīng)由改變加入的冷水量,可以調(diào)整瀝青的膨脹率和半縮期,并據(jù)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(shè)計(jì)要求拌制至少五種不同瀝青用量的混合料。將試件經(jīng)適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)后,再進(jìn)行評(píng)估試驗(yàn)。一般采用間接拉伸試驗(yàn),求得不同泡沫瀝青用量試件的間接拉伸強(qiáng)度值,以最大的間接拉伸強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的瀝青用量作為最佳瀝青用量。

1.2.6 對(duì)泡沫瀝青混凝土的工程性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。確定最佳瀝青含量后,針對(duì)其配比再制作試件,通過(guò)穩(wěn)定度、流值試驗(yàn)、回彈模量及疲勞試驗(yàn)對(duì)性質(zhì)作出評(píng)價(jià)。

2 公路泡沫瀝青的產(chǎn)生原理及特點(diǎn)分析

2.1 通過(guò)向高溫的瀝青中加入精確計(jì)量的冷水(通常為瀝青質(zhì)量的1%～2%)就可以制成泡沫瀝青。當(dāng)注入的冷水遇到熱瀝青時(shí),由于水的急速汽化,瀝青的表面積大量增加,體積發(fā)生膨脹,因而會(huì)產(chǎn)生大量泡沫,表面活性進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)于粘度值較大或高等級(jí)的瀝青,通常需要加入一定壓力,促進(jìn)泡沫的生成。在發(fā)泡的過(guò)程中,瀝青的粘度顯著降低,從而能與高速攪拌狀態(tài)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(duì)集料中的細(xì)集料,通過(guò)裹覆細(xì)料形成高粘度的瀝青膠漿,并在壓實(shí)作用下粘結(jié)粗集料形成強(qiáng)度,增加了混合料的粘聚性。從泡沫瀝青的產(chǎn)生原理可以看出,泡沫瀝青并不是一種新的瀝青粘結(jié)料,而是一種新式的瀝青拌合技術(shù)。

2.2 瀝青發(fā)泡效果可用膨脹率和半縮期評(píng)價(jià)。膨脹率是指瀝青與水拌合發(fā)泡后達(dá)到的最大體積與瀝青未發(fā)泡前體積的比值,半縮期是指自發(fā)泡的最大體積為準(zhǔn)起算,至體積縮減至一半所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。一般高溫的瀝青經(jīng)與少量水拌合后,體積在很短的時(shí)間內(nèi)膨脹至最大,此后體積開(kāi)始縮減,為了使發(fā)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(yīng)盡量長(zhǎng),以便與集料有較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行拌和,提高泡沫瀝青混合料的質(zhì)量。所以生產(chǎn)泡沫瀝青的關(guān)鍵在于控制使用準(zhǔn)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(wěn)定劑 (如水泥、石灰)相比,泡沫瀝青具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用效果,其優(yōu)勢(shì)在于:

①單價(jià)及運(yùn)輸價(jià)格較低,因?yàn)榕菽瓰r青只要采用一般常用的針入度級(jí)瀝青即可,且添加的水量相當(dāng)少,而不像乳化瀝青需要加入較多量的水進(jìn)行乳化,由于運(yùn)輸量的減少,而使運(yùn)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(shí),壓實(shí)結(jié)束即可開(kāi)放交通,尤其在城市道路維修中,可以明顯減少對(duì)繁忙道路的交通影響;

③骨料無(wú)需加熱,也不必對(duì)瀝青進(jìn)行乳化,節(jié)約能源,經(jīng)濟(jì)環(huán)保;④儲(chǔ)存期較長(zhǎng)(最長(zhǎng)可至1個(gè)月),而并不影響使用性能,可以方便地應(yīng)用于道路的日常維修;

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

⑤與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料相比,具有更好結(jié)構(gòu)承載力、抗車(chē)轍和抗疲勞性能;

⑥與水泥處治粒料相比更有柔性,不會(huì)產(chǎn)生收縮龜裂的問(wèn)題。

2.4 采用泡沫瀝青作為冷再生穩(wěn)定劑的缺點(diǎn):

①瀝青成功發(fā)泡需要較高的溫度 (約160～180℃);②泡沫瀝青的生產(chǎn)需要使用專門(mén)設(shè)備;③作處治基層時(shí),比石灰和粉煤灰材料造價(jià)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(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)在道路維修養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)熱再生主要針對(duì)瀝青路面的上面層,處理深度0～6cm;現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)冷再生是利用專用路面機(jī)械,按照一定的厚度,將舊路面現(xiàn)有的材料(包括面層材料和部分基層材料)進(jìn)行粉碎加工,必要時(shí)添加部分新骨料或細(xì)集料,再按一定比例加入一定量的穩(wěn)定劑 (施工中使用穩(wěn)定劑是為了提高被再生材料的強(qiáng)度,恢復(fù)因路面老化而導(dǎo)致的材料性能衰退,類(lèi)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(huán)境溫度下現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)地完成材料的拌和、攤鋪及壓實(shí)成型,并將再生層作為新建路面的面層或基層的作業(yè)過(guò)程。再生后,視公路等級(jí)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(xiàn)場(chǎng)冷再生施工之前應(yīng)先進(jìn)行路況調(diào)查,然后進(jìn)行試驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì),再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)路段施工,用來(lái)驗(yàn)證配合比,必要時(shí)進(jìn)行配合比調(diào)整;最后才是大規(guī)模的冷再生施工。利用泡沫瀝青進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)路面冷再生的施工工序如下:

(1)對(duì)舊有路面進(jìn)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(chǎn)生后直接噴灑在再生機(jī)的拌和罩殼內(nèi),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(dāng)被再生材料本身含有較多瀝青時(shí),其用量可降低為2%～3%。也可以在使用泡沫瀝青做穩(wěn)定劑的同時(shí),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(qiáng)度,提高表層質(zhì)量,防止裂紋發(fā)生;

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

3.2 維修養(yǎng)護(hù)特點(diǎn)

利用泡沫瀝青冷再生技術(shù)對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)具有以下特點(diǎn)。

(1)在道路面層修復(fù)翻新的同時(shí)提高了道路的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;原筑路材料重新得到利用,節(jié)約了資源和能源。

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

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

(4)用泡沫瀝青作為新粘結(jié)料進(jìn)行粘結(jié)層及部分非粘結(jié)基層道路的冷再生,可以獲得滿足預(yù)期交通載荷要求的新基層,與水泥相比,泡沫瀝青能產(chǎn)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(jié)束語(yǔ)

本文分析了泡沫瀝青的產(chǎn)生原理及泡沫瀝青混合料的技術(shù)性能和設(shè)計(jì)方法,說(shuō)明了泡沫瀝青現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)在道路維修養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,我國(guó)90%以上的高等級(jí)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(yán)重,發(fā)達(dá)國(guó)家已很少采用這種結(jié)構(gòu)。應(yīng)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(jié)構(gòu)帶來(lái)的問(wèn)題,既能有效避免早期病害的發(fā)生,又能解決大量路面材料廢棄后造成的污染和浪費(fèi)問(wèn)題。

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[3]馬良.泡沫瀝青冷再生基層施工中有關(guān)問(wèn)題的探討[J].山西建筑,2007,33.