王新生

（河南中原高速公路股份有限公司，鄭州 450002）

截至2019年底，我國高速公路通車總里程達到14.96萬km，位居世界第一. 然而，隨著通車運行年限的增長，高速公路路面陸續(xù)出現(xiàn)裂縫、坑槽、沉陷、瀝青層老化等病害，已經(jīng)難以滿足車輛的行駛要求［1-2］，部分建成時間較早的高速公路瀝青路面進入了大中修時期［3］. 在道路的大中修和改擴建施工中，舍棄銑刨、挖除的路面舊料將造成巨大的浪費，也對周圍的環(huán)境造成很大的破壞［4］. 而將舊路面材料再生利用到新鋪筑路面結(jié)構(gòu)中不僅恢復了原有道路服務(wù)能力，又實現(xiàn)了物質(zhì)的循環(huán)利用，降低了公路建設(shè)成本［5-6］，對環(huán)境保護也起到了積極的作用. 目前瀝青路面再生材料的穩(wěn)定方式主要采用水泥穩(wěn)定再生和泡沫瀝青（或乳化瀝青）冷再生兩種方式［7］. 泡沫瀝青冷再生技術(shù)近年來正廣泛應(yīng)用于瀝青路面大中修工程中［8-10］. 在向熱瀝青中加入精確計量的水時會產(chǎn)生泡沫這大大增加了瀝青的體積和表面活力［11］. 在整個發(fā)泡過程中，瀝青的體積急劇膨脹，黏度下降且保持一定黏聚力和穩(wěn)定性，可以更好地與集料裹覆在一起形成混合料［12］. 以泡沫瀝青作為穩(wěn)定劑的路面再生技術(shù)因其具有環(huán)保、經(jīng)濟、實用、施工速度快等優(yōu)勢，近年來在路面維修養(yǎng)護過程中得到了廣泛應(yīng)用［13-14］.

本文在對RAP性能研究的基礎(chǔ)上，通過在漯駐高速公路改擴建工程中的實踐，確定了兩種不同類型泡沫瀝青冷再生混合料配合比，并對比分析了兩種泡沫瀝青冷再生混合料力學性能，為泡沫瀝青冷再生混合料工程應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 工程概況

京港澳高速公路漯河至駐馬店段自2001年9月建成通車至2015年已近14年，路基基本穩(wěn)定，路面病害較多，主要體現(xiàn)為縱、橫向裂縫、龜裂、坑槽、局部沉陷等. 通過采用ZOYON-RTM 車載智能路面自動檢測車、LTD-2000型地質(zhì)雷達等儀器對路面現(xiàn)狀進行調(diào)查，結(jié)果顯示：漯駐高速公路總體上行車道的破損程度比超車道嚴重，西半幅破損程度比東半幅嚴重. 該路段在改擴建施工拼寬部位中面層瀝青路面施工完畢后，2015年對舊路病害進行處治，處治完畢后統(tǒng)一加鋪上面層瀝青路面.

為徹底治理舊路病害，提高路面使用功能，漯駐高速改擴建工程將該路段舊路病害分為路面病害和路基病害處治兩大種類. 而對路面病害的處治，又擬定了路面連續(xù)病害處治和局部病害處治兩種方案. 對于路面連續(xù)病害達到下面層的路段采用就地冷再生處治方案，路面連續(xù)病害處于中、上面層的路段采用銑刨后回鋪熱拌瀝青混合料的處治方案.

本研究結(jié)合漯駐高速公路就地冷再生處治舊路病害實際情況，通過對RAP性能進行檢測，實現(xiàn)確定泡沫瀝青冷再生混合料在實際施工中各項指標目標的應(yīng)用方案的研究.

2 原材料及其性能檢測

配合比設(shè)計采用維特根420 型就地冷再生成套設(shè)備對連續(xù)病害路段舊路瀝青層銑刨產(chǎn)生的RAP 回收料、機制砂、PC 32.5硅酸鹽水泥、70號A級道路石油瀝青.

1）RAP性能檢測

銑刨料的質(zhì)量是保證再生料性能的前提［15］，RAP 級配是目前冷再生技術(shù)使用最廣泛的級配概念，并作為目前配合比設(shè)計時采用的級配，然而RAP礦料級配是RAP中集料真實的組成比例［16］. 而由于受到銑刨設(shè)備等因素的影響，會導致銑刨料級配不易控制.

現(xiàn)場取料后對回收料進行水洗篩分［17］和燃燒水洗篩分試驗，結(jié)果如表1所示.

表1 RAP級配組成Tab.1 RAP gradation composition

以往的研究普遍認為泡沫瀝青混合料性能對0.075 mm以下的顆粒含量較為敏感［18］，從表1結(jié)果來看，較之水洗法，燃燒法篩分得到的各篩孔下含量均有所增加，尤其是0.075～9.5 mm之間，增加幅度在3.3%～9.5%.

2）機制砂篩分

對機制砂進行水洗篩分試驗，結(jié)果如表2所示.

表2 機制砂篩分結(jié)果Tab.2 Screening results of machine-made sand

3）瀝青發(fā)泡試驗

選用道路石油70號A級基質(zhì)瀝青，采用維特根發(fā)泡試驗機制備泡沫瀝青，不同發(fā)泡溫度和用水量條件下泡沫瀝青膨脹率和半衰期如表3所示.

表3 基質(zhì)瀝青發(fā)泡試驗結(jié)果Tab.3 Results of foaming test of matrix asphalt

數(shù)據(jù)表明，隨著用水量的增加，不同溫度下膨脹率呈現(xiàn)增大趨勢，半衰期逐漸減小. 2%用水量下，膨脹率隨著溫度升高持續(xù)增加，由160 ℃的15倍增加至170 ℃的18倍；2.5%用水量下，165 ℃膨脹率最高，達到24倍；3%用水量下溫度對膨脹率影響較小. 針對半衰期，同一用水量條件下，隨著溫度變化，半衰期先增大后減小，三組用水量均在165 ℃發(fā)泡條件下達到各組最大半衰期.

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制曲線圖（圖1），研究用水量與溫度對發(fā)泡膨脹率及半衰期的影響.

圖1 不同溫度和用水量下泡沫瀝青膨脹率和半衰期Fig.1 Expansion rate and half-life period of foamed asphalt at different temperatures and water consumption

從圖1中可以看出，隨溫度的增加，發(fā)泡時瀝青的膨脹率有增大的趨勢、半衰期則有變小的趨勢，這是因為溫度高時產(chǎn)生泡沫的直徑較大，降低了瀝青薄膜的厚度和彈性，此時瀝青泡沫趨于不穩(wěn)定而衰落速度加快，從而導致了半衰期減小. 從表中數(shù)據(jù)來看，當發(fā)泡溫度為165 ℃，發(fā)泡用水量為2.5%時，瀝青膨脹率為24倍，半衰期為8.5 s，可滿足規(guī)范技術(shù)要求. 因此，綜合考慮泡沫瀝青的膨脹率和半衰期，確定發(fā)泡溫度為165 ℃，發(fā)泡用水量為2.5%.

3 不同類型冷再生瀝青混合料配合比設(shè)計

3.1 配合比設(shè)計

當RAP里礦料作為再生瀝青骨料進行生產(chǎn)配合比調(diào)試時，其水洗篩分結(jié)果調(diào)整級配如表4所示.

表4 未摻加機制砂級配調(diào)整Tab.4 Gradation adjustment of asphalt mixture unmixed machine-made sand

當把RAP視為“黑色集料”進行再生瀝青生產(chǎn)配合比調(diào)試時，其級配調(diào)整結(jié)果如表5所示.

表5 摻加機制砂級配調(diào)整結(jié)果Tab.5 Gradation adjustment of asphalt mixture mixed machine-made sand

由圖2、圖3可以看出，摻加機制砂與未摻加機制砂的兩種類型級配調(diào)整結(jié)果均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》［19］中泡沫瀝青冷再生技術(shù)要求.

圖2 未摻加機制砂再生瀝青混合料級配Fig.2 Gradation of recycled asphalt mixture without machine-made sand

圖3 摻加機制砂再生瀝青混合料級配Fig.3 Gradation of recycled asphalt mixture with machine-made sand

3.2 最佳含水量確定

將風干的舊瀝青路面銑刨料、碎石、機制砂按比例混合，將瀝青用量固定為3%，變化用水量拌和進行重型擊實試驗，確定再生混合料的最佳含水量. 根據(jù)重型擊實試驗結(jié)果，繪制出含水率與最大干密度曲線（圖4～圖5）.

圖4 未摻加機制砂含水率與最大干密度關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between moisture content sand and maximum dry density of asphalt mixture unmixed machine-made sand

圖5 摻加機制砂含水率與最大干密度關(guān)系曲線Fig.5 The relationship curve between moisture content and maximum dry density of asphalt mixture mixed machine-made sand

由圖4、圖5可以看出，隨著含水量的增加，無論是否摻加機制砂，干密度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，按照關(guān)系曲線圖可直接確定未摻加機制砂類混合料最佳含水量為5.5%，此處最大干密度值為2.110 g/cm3；摻加機制砂類混合料最佳含水量為6.1%，此處最大干密度數(shù)值為2.126 g/cm3.

3.3 最佳泡沫瀝青用量確定

按《瀝青路面再生應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）［19］中的成型和養(yǎng)生方法，在漯駐高速公路改擴建施工前，從進場材料中選擇5種不同的泡沫瀝青用量與合成級配按最佳含水量進行拌和后成型標準馬歇爾試件，成型好的試件連同試模一起側(cè)放在60 ℃通風烘箱養(yǎng)生不少于40 h，養(yǎng)生完成后將試件取出冷卻，12 h后脫模. 將各組油石比試件分成兩組，一組在15 ℃條件下直接測定劈裂強度，另一組完全浸泡25 ℃水浴23 h后，再在15 ℃水浴完全浸泡1 h后，立即在15 ℃條件下測定劈裂強度. 不同瀝青用量下混合料的劈裂強度試驗和浸水劈裂強度試驗結(jié)果如表6、表7.

由表6、表7可知，摻加機制砂與未摻加機制砂的兩種類型冷再生混合料干濕劈裂強度隨著瀝青用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在瀝青用量為2.5%時達到峰值，強度和水穩(wěn)定性較好，瀝青膜裹覆均勻. 確定未摻加機制砂泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳拌和用水量為5.5%，最佳油石比為2.5%；摻加機制砂的泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳拌和用水量為6.1%，最佳油石比為2.5%.

表6 未摻加機制砂劈裂試驗結(jié)果Tab.6 Splitting test results of asphalt mixture unmixed machine-made sand

表7 摻加機制砂劈裂試驗結(jié)果Tab.7 Splitting test results of asphalt mixture mixed machine-made sand

4 不同類型冷再生瀝青混合料強度特性研究

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［20］（JTG E20—2011）中瀝青混合料劈裂試驗方法（T 0716—2011）進行了劈裂試驗，試驗結(jié)果如表8所示.

表8 芯樣劈裂試驗結(jié)果Tab.8 Core sample split test results

由表8可得，摻加機制砂的再生瀝青混合料干劈裂強度和濕劈裂強度均大于未摻加機制砂再生瀝青混合料，這是因為被舊瀝青膜包裹的RAP顆粒表面較為光滑，混合料的棱角性變差，顆粒間摩阻力減小，不利于泡沫瀝青砂漿微粒在集料表面的黏結(jié)，降低了再生混合料的強度. 兩種再生瀝青混合料技術(shù)指標均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）要求，且差別不大，在實際施工過程中為簡便施工可以考慮不摻加新料.

5 結(jié)論與展望

1）通過試驗研究不同發(fā)泡溫度和用水量條件下泡沫瀝青膨脹率和半衰期，綜合考慮確定泡沫瀝青發(fā)泡溫度為165 ℃，發(fā)泡用水量為2.5%.

2）將風干的舊瀝青路面銑刨料、碎石、機制砂按比例混合，將瀝青用量固定為3%，變化用水量拌和進行重型擊實試驗，確定摻加機制砂與未摻加機制砂兩種類型再生混合料的最佳含水量：未摻加機制砂類型混合料最佳含水量確定為5.5%，摻加機制砂的確定為6.1%.

3）摻加機制砂與未摻加機制砂的兩種不同類型冷再生混合料干濕劈裂強度隨著瀝青用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在瀝青用量為2.5%時達到峰值，強度和水穩(wěn)定性較好，瀝青膜裹覆均勻. 確定未摻加機制砂泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳油石比為2.5%；摻加機制砂的泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳油石比為2.5%.

4）根據(jù)混合料劈裂強度試驗結(jié)果，摻加機制砂的泡沫瀝青再生混合料干劈裂強度和濕劈裂強度均大于未摻加機制砂泡沫瀝青再生混合料，但差別不大，在實際施工過程中可根據(jù)現(xiàn)場情況考慮摻加或不摻加新料.

泡沫瀝青作為穩(wěn)定劑的瀝青冷再生混合料施工方便、快速，減少了廢舊瀝青混合料對環(huán)境的污染和場地的占用，節(jié)省了大量的原材料，同時減少了廢舊材料和熱拌成品料的運輸費用，為漯駐改擴建工程節(jié)省了大量建設(shè)成本. 建成通車5 年來，使用泡沫瀝青冷再生技術(shù)處治過的路段路面瀝青層穩(wěn)定，未出現(xiàn)嚴重車轍、沉陷、坑槽等路面病害，達到了預期的目標，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟和社會效益.