泡沫沥青厂拌冷再生在高速公路大修工程中的研究与应用

泡沫沥青厂拌冷再生在高速公路大修工程中的研究与应用李兆南1吉增晖2李豪3（1.江都市公路管理站江苏江都225200；2.扬州市公路管理处江苏扬州225009；3.江苏省交通科学研究院有限公司江苏南京210017）摘要：本文结合G328线宁通高速仪征段大修工程，对泡沫沥青厂拌冷再生技术的试验研究成果和工艺实践经验进行了介绍。试验研究中重点研究了泡沫沥青的发泡试验和铣刨速度对材料级配的影响，以及泡沫沥青冷再生混合料室内配合比设计方法，并用相关试验对其路用性能进行了验证；工艺实践中，对后场拌和及前场摊铺有关施工技术要点及注意事项进行了总结，并对其进行了经济效益分析。关键词：泡沫沥青；冷再生；公路大修；沥青发泡；配合比设计；施工控制；工程应用AnalysisandApplicationofPlant-MixColdRecyclingTechnologyofFoamedBitumentoHeavyRepairofExpresswayLIZhaonan1JIZenghui2LIHao3(1.JiangduHighwayDepartmentJiangdu225200;2.YangzhouHighwayDepartmentYangzhou225009;3.JiangsuTransportationResearchInsitituteNanjing210017)Abstract:CombiningwiththeheavyrepairprojectofNing-tongexpresswayYizhengsectionofG328-line,thetechnologyresearchandtechnologytestingpracticesofcoldmixfoamedasphaltrecyclingwereintroducedinthispaper.Experimentalstudyfocusesontheimpactofthefoamingtestoffoamedasphaltandmillingspeedtomaterialgrade,aswellasthemixdesignmethodofinteriorofthecoldrecyclingmixtureoffoamedasphalt,anditsroadperformancehasbeenverifiedbytherelevanttest;inprocesspractice,therelatedconstructionpointsandprecautionsofafterthefieldmixingandfrontpavingaresummarized,andtheanalysisofeconomicbenefitiscarriedout.Keywords:foamedasphalt;coldmixasphaltrecycling;heavyrepairofhighway;asphaltfoam;mixdesign;constructioncontrol;engineeringapplication泡沫沥青厂拌冷再生技术就是指将旧沥青路面材料铣刨运送至指定场地，根据需要添加新料，通过固定再生设备加入泡沫沥青，在常温下拌和形成新的再生混合料后，运送至道路施工现场，使用摊铺设备进行摊铺，最后在压实功的作用下形成具有一定路用性能的道路结构层。为了探索泡沫沥青厂拌冷再生技术在公路大中修中的适应性，2009年我们在江苏省G328线宁通高速仪征段，利用泡沫沥青厂拌冷再生技术对旧路进行了大修改造，这在江苏省尚属首次，本文就是对这次泡沫沥青冷再生技术的应用成果和施工经验加以介绍。1泡沫沥青的产生机理及特点图1：泡沫沥青发泡机理泡沫沥青的发生原理如图1所示，就是将一定的水注入专用的发泡装置内和热沥青混合、膨胀，形成的含有大量均匀分散气泡的沥青材料。评价沥青发泡效果的两个参数是膨胀率和半衰期。膨胀率是指沥青在发泡状态下的最大体积与沥青未发泡前体积的比值；半衰期是指自发泡的最大体积为准起算，至体积缩减至一半所经过的时间。膨胀率越大，泡沫沥青与集料的接触就越充分，拌制的泡沫沥青混合料质量就越好；半衰期越长，泡沫就越不容易衰减，从而可与集料有较长时间的拌和，提高泡沫沥青混合料的质量。所以生产泡沫沥青的关键在于控制发泡用水量及获得最佳的膨胀率，一般认为膨胀率大于10倍，半衰期8s以上的泡沫沥青具有较好的发泡性能[1]。2泡沫沥青冷再生混合料配合比设计2.1原材料本项目泡沫沥青冷再生混合料室内配合比设计所用的原材料包括：70#道路石油沥青、新集料、水泥、铣刨料（RAP）。2.1.1沥青发泡试验厂拌冷再生一般采用慢裂型乳化沥青，本项目采用德国维特根公司的WLB10发泡试验机对金陵石化70#沥青进行发泡试验，选择150℃和160℃两种沥青发泡温度，每种温度下发泡用水量分别选取2%、2.5%、3%和4%，量测其膨胀率与半衰期，从而寻求该沥青最佳的发泡温度和发泡用水量，试验结果如图2所示。沥青发泡用水量（%）膨胀率（倍）半衰期（秒）150℃膨胀率曲线150℃半衰期曲线160℃膨胀率曲线160℃半衰期曲线图2：沥青发泡特性曲线图根据试验所得到的各种条件下沥青发泡特性曲线，综合考虑膨胀率和半衰期两个因素，得出金陵石化70#沥青的最佳发泡条件为：发泡温度160℃；发泡用水量2.5%，此时的膨胀率为12.8；半衰期分别11.5，都符合规范要求。2.1.2回收沥青路面材料（RAP）分析集料级配是决定混合料路用性能的重要因素，而冷再生混合料的原材料主要来自于旧沥青路面铣刨料，而铣刨设备种类、铣刨速度、原路面级配等因素都会影响到RAP级配。虽然影响RAP级配的因素很多，但是铣刨速度是唯一施工时可控的因素，为了探索不同铣刨速度下RAP级配稳定性情况，确定施工期间的铣刨速度，施工前对旧沥青路面进行了RAP取样及试验，RAP筛分结果如图3所示。图3：不同铣刨速度下RAP级配图从图3数据可以看出，当铣刨速度控制在4.0m/min~5.0m/min时，不同路面结构形式的级配比较接近，同时级配曲线适中。因此我们选择铣刨速度为4m/min和5m/min的RAP做泡沫沥青冷再生混合料目标配合比试验。2.1.3水泥在泡沫沥青混合料中，加入部分水泥，促使沥青尽快破乳，可以有效提高混合料的早期强度，同时添加水泥还可以改善混合料的高温稳定性以及水稳定性等性能。根据南非Stellen-bosch大学的kimJenkins教授的试验结果可以看出，水泥和泡沫沥青用量之比控制在0.8左右能够兼顾混合料变形和强度性能[2]，维特根技术手册中也指出水泥用量不宜超过1.5%，防止由于水泥用量过大引起材料的一些性能发生较大改变，如材料的脆性和干缩性能，因此本项目水泥用量为1.5%。2.1.4新集料泡沫沥青对稳定材料的级配有一定要求，如果旧沥青路面铣刨料级配不能满足要求，就必须添加新集料来调整级配。选择级配较稳定两种铣刨速度下的RAP进行分析，分别为3-4不同铣刨速度RAP级配波动情况0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0筛孔尺寸，mm通过率％4m/min上限4m/min下限5m/min上限5m/min下限6m/min上限6m/min下限0.0750.32.364.759.519.026.537.5（速度为4m/min）和1-5（速度为5m/min），将这两种RAP级配筛分结果同设计级配范围要求进行对比，比较结果如图4所示。0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0筛孔尺寸，mm通过率％级配上限级配下限铣刨料3-4原级配铣刨料1-5原级配0.0750.150.30.61.18　2.364.759.513.216　19.026.5图4：原始级配曲线图由图4可明显看出，RAP原始级配不满足混合料级配范围要求，因此要对RAP原始级配进行适当调整，根据RAP原级配情况添加一档（0~5mm）的新集料。2.2合成级配混合料级配要求特别关注0.075mm通过率，以确保充足的细料。根据以往成功实践经验，提出两种初选级配A、B，分别以3-4、1-5铣刨料和添加料合成，对两种级配方案按照经验的含水量6.0%和泡沫沥青用量2.5%成型马歇尔试件进行15℃劈裂试验以及浸水劈裂试验，选择干劈裂强度和湿劈裂强度都好的级配最为设计级配，泡沫沥青冷再生混合料设计级配范围要求及最终确定设计级配A(3-4)如表1所示:表1合成级配及级配要求筛孔尺寸mm铣刨料新集料水泥合成级配设计级配范围3-41-53-41-5比例70.50%74.5%28%24%1.50%A（3-4）B（1-5）26.51001001001001001001001992.995.51001009596.790～1001687.593.110010091.294.9/13.281.186.310010086.789.8/9.567.775.099.710077.181.360～854.7537.348.599.710055.761.535～652.3616.323.482.510036.138.730～551.188.313.761.310024.626.4/0.63.47.139.71001516.3/0.31.62.926.699.91010.110～300.150.71.52099.87.67.4/0.0750.30.715.399.46.05.72～82.3最佳含水量与最大干密度的确定对选定的合成级配进行土工击实试验，确定的设计级配的最佳含水量OWC为5.7%，相对应的最大干密度为2.004g/cm3。2.4最佳泡沫沥青用量的确定在上述土工击实法确定的最佳含水量的基础上，选择1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的5种泡沫沥青用量，用马歇尔击实法成型试件，进行15℃劈裂强度试验和浸水劈裂强度试验，根据试验结果再结合已有工程经验的情况确定设计级配所对应的最佳泡沫沥青用量为2.4%（外掺）。泡沫沥青用量-干湿劈裂强度曲线和泡沫沥青用量-残留强度比曲线分别见图5、图6：0.300.400.500.600.700.800.901.001.522.533.5泡沫沥青用量（%）劈裂强度（MPa）干劈裂强度湿劈裂强度.图5泡沫沥青用量-干湿劈裂强度曲线40.0050.0060.0070.0080.0090.00100.001.522.533.5泡沫沥青用量（%）残留强度比（%）残留强度比图6泡沫沥青用量-残留强度比曲线2.5混合料设计结论及路用性能验证采用以上配合比拌制混合料成型试件，对其进行冻融劈裂试验、车辙试验，检验混合料的水稳定性能和高温稳定性能，试验结果均满足设计要求，试验结果如表2所示。表2目标配合比冷再生混合料检测结果检测项目单位技术要求试验结果劈裂试验干劈裂强度Mpa≥0.50.7241湿劈裂强度Mpa≥0.50.5587干湿劈裂强度比%≥7577.17车辙试验动稳定度次/mm/11200变异系数%≤2010.8冻融劈裂试验冻融劈裂强度比%≥7086.63施工技术要点及注意事项3.1施工设备施工设备包括：铣刨机，冷再生拌和设备，沥青罐车，双钢轮压路机，单钢轮振动压路机，胶轮压路机等3.2施工前的准备工作施工前应先将拌和场场地准备好，场地要求硬化，并有防雨棚；施工时在设计厚度下刨除原有的沥青路面后，直接将铣刨料运输至拌和场集中堆放，堆高不超过2米，以防止铣刨料发生结块成团现象；混合料摊铺前应准备好下承层。3.3混合料的拌和与运输每天拌和前检测原材料的含水量，以便及时根据含水量来调整拌和用水量，防止混合料含水量过大影响其养生，同时检查罐车中的沥青温度是否符合要求。因为较高的拌和和储存温度有助于泡沫沥青裹覆更大粒径的集料，同时由于沥青胶浆的温度也相对较高，其与周围大粒径集料黏结效果也势必明显改善，从而有利于材料整体强度和刚度的形成。拌和时将原路面铣刨料中的超粒径颗粒过筛去除，定时检测沥青的发泡性能，包括泡沫沥青的膨胀比和半衰期