泡沫瀝青再生混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究

孫 眾，韓 雨

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430014）

隨著瀝青路面公路里程和在役瀝青路面公路數(shù)量的增加，老舊公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修任務(wù)逐漸增多，公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)要求不再僅限于經(jīng)濟(jì)性、合理性、時(shí)效性，對(duì)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的節(jié)能、環(huán)保提出了新的要求，在此趨勢下，泡沫瀝青冷再生技術(shù)作為一種循環(huán)使用瀝青路面廢料的可再生技術(shù)，逐漸成為應(yīng)用和研究熱點(diǎn)。該技術(shù)通過將公路老舊瀝青路面回收后，經(jīng)破碎機(jī)破碎成粒料，再將粒料進(jìn)行篩分，最后將可用舊料添加新骨料、瀝青材料以及再生劑后，生成用于瀝青路面養(yǎng)護(hù)的再生混合料[1]。為解決新舊廢料之間的粘合問題，該材料以泡沫瀝青作為粘結(jié)劑，通過瀝青發(fā)泡設(shè)備將瀝青發(fā)泡，使瀝青便于噴灑并增加其在細(xì)骨料之間的粘結(jié)作用，再經(jīng)傳送設(shè)備至噴灑系統(tǒng)，最終在集料拌和罩殼內(nèi)完成噴灑、攪拌、成料流程。泡沫瀝青混合再生料養(yǎng)護(hù)技術(shù)作為一種節(jié)能環(huán)保、廢舊利用、可再生的瀝青路面養(yǎng)護(hù)模式，運(yùn)用前景廣泛[2]。

1 泡沫瀝青生產(chǎn)工藝

泡沫瀝青冷再生混合料養(yǎng)護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢在于廢舊料的利用。隨著國家低碳、綠色、環(huán)保的新發(fā)展戰(zhàn)略理念的提出，工程行業(yè)特別是交通行業(yè)著力于改變過去粗放、污染的生產(chǎn)模式，逐漸向節(jié)能、低碳、可持續(xù)方向發(fā)展。為降低石料開采對(duì)江河生態(tài)系統(tǒng)及自然環(huán)境的破壞，大部分采石采砂流域已被禁采或限采，在此情況下，通過利用廢舊料的泡沫瀝青再生混合料路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)不僅能節(jié)約砂石資源，同時(shí)大大降低了工程成本，縮短了施工周期[3]。另一方面，該技術(shù)通過改造路面結(jié)構(gòu)為柔性基層路面結(jié)構(gòu)改善了路面的受力性能，延長了瀝青路面的在役時(shí)間。瀝青泡沫冷再生混合料養(yǎng)護(hù)技術(shù)見圖1 所示。

圖1 泡沫瀝青冷再生技術(shù)生產(chǎn)工藝

2 泡沫瀝青冷再生技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

本文以湖北某省道公路路面維修改造項(xiàng)目為例，探討泡沫瀝青冷再生技術(shù)在工程中的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢。

2.2 混合料的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 材料檢驗(yàn)與配合比設(shè)計(jì)

（1） 舊料 泡沫瀝青冷再生料在對(duì)瀝青老舊路面材料進(jìn)行回收利用前，首先要對(duì)回收的舊料進(jìn)行檢驗(yàn)，測定舊料的級(jí)配，在此基礎(chǔ)上測定含水量，其目的是為混合料配比提供參考，盡量優(yōu)化瀝青路面材料配合比，檢驗(yàn)結(jié)果見表1、圖2 所示。

圖2 回收舊料篩分級(jí)配曲線

表1 舊料基本性質(zhì)

根據(jù)篩分試驗(yàn)得到原老舊瀝青路面材料級(jí)配，4.75 mm 以下粒料過篩率為42.4%，可以看出原老舊瀝青路面材料粗集料偏多，細(xì)集料含量相對(duì)較低，考慮使用更多的細(xì)集料以改善材料級(jí)配。

（2） 泡沫瀝青 為保證舊料與新加礦料之間良好的粘結(jié)性，泡沫瀝青必須具有較好的發(fā)泡性能，并且滿足常用瀝青的各項(xiàng)質(zhì)量要求。對(duì)瀝青的發(fā)泡性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)為半衰期及膨脹率，通過對(duì)這兩項(xiàng)性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)，確定泡沫瀝青發(fā)泡率是否到達(dá)要求[4]。

本次瀝青發(fā)泡試驗(yàn)的氣壓和水壓分別為4.0 MPa和5.0 MPa，選用中海90#基質(zhì)瀝青作為發(fā)泡材料，其發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果見表2 所示，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求[5]。

表2 中海90#瀝青性能指標(biāo)檢測及發(fā)泡效果

（3） 水泥 泡沫瀝青混合料自身缺乏水穩(wěn)性，早期強(qiáng)度也不足，因此需要添加一定量的活性填料劑。工程中一般選用水溫性較好，能增加早期強(qiáng)度的水泥最為活性填料劑[6]。根據(jù)規(guī)范要求，瀝青混合料中活性填料劑含量在通常情況下不超過1.5%，故本次試驗(yàn)選用標(biāo)號(hào)為32.5 的礦渣水泥作為活性填料劑，其添加量控制在1%。

（4） 水 泡沫瀝青混合料中通過加入少量的水提升混合料的和易性，并促進(jìn)水泥的水化作用。為保證水質(zhì)，本次使用飲用水，材料的最佳含水量通過土工擊實(shí)試驗(yàn)確定。

為了給水泥水化和形成初期強(qiáng)度提供必要的水環(huán)境，為使混合料具有更好的和易性，采用的冷再生技術(shù)在操作中加入少量的水。該次試驗(yàn)所用水為普通飲用水，通過土工擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳含水量，同時(shí)確定最大干密度。

（5） 新集料 發(fā)泡瀝青冷再生混合料在使用原老舊路面材料的基礎(chǔ)上，需加入新礦料提升混合料性能，增加混合料強(qiáng)度并使其級(jí)配得到改善。本試驗(yàn)采用添加細(xì)集料的方式改善混合料級(jí)配，細(xì)集料粒徑約在10 mm 以下，30 mm 以下，并添加0～3 mm 的機(jī)制砂。

2.2.2 目標(biāo)配合比的確定

為保證合理的瀝青混合料級(jí)配，生成最佳油石比，瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)一般通過馬歇爾試驗(yàn)確定[7]。本次瀝青混合料以泡沫瀝青作為粘合劑，因此設(shè)計(jì)出的瀝青混合料為半柔性瀝青混合料，與一般的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法有所差別。計(jì)劃采用土工擊實(shí)試驗(yàn)測試最大含水量與最大干密度；最佳油石比以強(qiáng)度劈裂試驗(yàn)測得的最大劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的油石比確定。

（1） 礦料組成設(shè)計(jì)和合成級(jí)配 由原老舊路面瀝青混合料的篩分結(jié)果可以看出，舊料需添加一定的細(xì)集料，其原細(xì)集料粒徑在2.4～13.2 mm，同時(shí)作為基層材料，泡沫瀝青混合再生料還要添加一定量的粗集料，綜上所述，本工程以粒徑3 mm以下的機(jī)制砂和粒徑10～30 mm 的石灰?guī)r最為新加礦料，最終生產(chǎn)混合料的級(jí)配曲線見圖3 所示。

圖3 泡沫瀝青冷再生混合料合成級(jí)配曲線

（2） 土工擊實(shí)試驗(yàn) 得到級(jí)配曲線后，為確定混合料的最大干密度和最佳含水量，還需對(duì)泡沫瀝青再生混合料進(jìn)行土工技術(shù)試驗(yàn)，得到最大干密度和最佳含水分別為2.11 g/cm3和6.56%。

（3） 最佳瀝青用量的確定 初步選用1.5%、2.0%、2.5%、3.0%四個(gè)用量等級(jí)作為泡沫瀝青試驗(yàn)用量，將混合料拌和后進(jìn)行強(qiáng)度劈裂試驗(yàn)[8]，其結(jié)果見圖4。

圖4 劈裂強(qiáng)度曲線

（4） 再生混合料性能檢驗(yàn) 根據(jù)試驗(yàn)，確定發(fā)泡瀝青的使用量為2.4%，并在此基礎(chǔ)上制作馬歇爾試驗(yàn)試件，經(jīng)檢驗(yàn)，各項(xiàng)力學(xué)性能均符合規(guī)范要求。

2.3 混合料的生產(chǎn)工藝

泡沫瀝青再生混合料養(yǎng)護(hù)技術(shù)中，混合料的拌和是極為關(guān)鍵的一環(huán)。拌合料的質(zhì)量將直接影響?zhàn)B護(hù)工程的效果。為使混合料各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，要準(zhǔn)確把握新加礦料及各種添加劑的用量，嚴(yán)格按照試驗(yàn)所缺的的配合比進(jìn)行拌和作業(yè)，在拌和過程中要全程監(jiān)測，混合料生成后要第一時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)檢測，保證混合料質(zhì)量。

2.4 混合料的施工工藝

2.4.1 攤鋪

在瀝青再生料拌和完成后，需要用運(yùn)輸車輛將其運(yùn)送至施工現(xiàn)場，在運(yùn)輸過程中應(yīng)盡量避免混合料水分流失，否則會(huì)對(duì)下一步攤鋪?zhàn)鳂I(yè)以及碾壓作業(yè)造成影響。一般采用防水帆布對(duì)運(yùn)輸車內(nèi)的拌合料進(jìn)行覆蓋。泡沫瀝青攤鋪過程與普通瀝青攤鋪過程基本一致，但要注意熨平板不必加熱，在攤鋪過程中要檢查成型基層標(biāo)高及松鋪系數(shù)。

2.4.2 碾壓

碾壓方案應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況的不同制定，本工程制定的碾壓方案如下：

根據(jù)壓路機(jī)組合和試驗(yàn)段情況碾壓方案如下：

（1） 初壓 使用CC552 型雙鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行一次靜壓，再進(jìn)行2 遍高幅低頻振動(dòng)碾壓。

（2） 復(fù)壓 使用XS182J 型單鋼輪壓路機(jī)高幅低頻振動(dòng)碾壓1 遍，低幅高頻振動(dòng)碾壓2 遍。

（3） 終壓 使用YL20XCMG 型膠輪壓路機(jī)進(jìn)行10 次靜壓。

2.4.3 養(yǎng)生

泡沫瀝青再生混合料攤鋪后，為使其強(qiáng)度得到提升，專業(yè)機(jī)具將對(duì)其進(jìn)行碾壓作業(yè)，碾壓后內(nèi)部水分會(huì)滲出、蒸發(fā)，因此在碾壓后需要對(duì)混合料不斷灑水，使其自然養(yǎng)生并達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度。

2.5 路面檢測

泡沫瀝青冷再生混合料在作業(yè)區(qū)內(nèi)完成鋪筑后，再加鋪AC-16 細(xì)粒式瀝青混凝土作為上面層。為保證路面平整性和行車舒適度，混合料之間應(yīng)連接緊密，因此，工程竣工后要進(jìn)行必要的外觀檢測，并在使用過程中定期開展檢查和觀測。

3 結(jié)論

綜上，老舊瀝青路路面修復(fù)技術(shù)是當(dāng)前道路養(yǎng)護(hù)工程研究的熱點(diǎn)，泡沫瀝青冷再生技術(shù)作為一種回收利用老舊高速公路廢料進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)的可再生方式，具有廣闊的發(fā)展前景。本文以湖北某省道瀝青路面為例，對(duì)其老舊瀝青路面進(jìn)行試驗(yàn)檢測的基礎(chǔ)上，得出其級(jí)配與含水率，并以此為基礎(chǔ)改善泡沫瀝青混合料級(jí)配，對(duì)泡沫瀝青混合料的最佳油石比也進(jìn)行了相應(yīng)研究，改善了瀝青混合料的力學(xué)性能，并從工程實(shí)際入手，對(duì)泡沫瀝青冷再生技術(shù)的施工隊(duì)伍、施工工藝、施工流程方面都給出了配套方案。隨著對(duì)其粘合劑泡沫瀝青研究的不斷深入，泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能也將不斷改善，其環(huán)保、可持續(xù)、低成本的瀝青路面養(yǎng)護(hù)模式將取得更大的應(yīng)用前景。