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

1、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

2、；冷再生；公路大修；沥青发泡；配合比设计；施工控制；工程应用Analysis and Application of Plant-Mix Cold Recycling Technology of Foamed Bitumen to Heavy Repair of ExpresswayLI Zhaonan1 JI Zenghui2 LI Hao3(1.Jiangdu Highway Department Jiangdu 225200; 2.Yangzhou Highway Department Yangzhou 225009; 3.Jiangsu Transportation Research I

3、nsititute Nanjing 210017)Abstract:Combining with the heavy repair project of Ning-tong expressway Yizheng section of G328-line,the technology research and technology testing practices of cold mix foamed asphalt recycling were introduced in this paper.Experimental study focuses on the impact of the f

4、oaming test of foamed asphalt and milling speed to material grade , as well as the mix design method of interior of the cold recycling mixture of foamed asphalt, and its road performance has been verified by the relevant test; in process practice ,the related construction points and precautions of a

5、fter the field mixing and front paving are summarized, and the analysis of economic benefit is carried out.Keywords: foamed asphalt; cold mix asphalt recycling; heavy repair of highway; asphalt foam; mix design; construction control; engineering application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

6、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

7、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

8、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。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

9、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/min5.0m/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

10、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kim Jenkins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

11、下的RAP进行分析，分别为3-4（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。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（05mm）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

12、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）26.51001001001001001001001992.995.51001009596.7901001687.593.110010091.294.9/13.281.186.310010086.789.8/9.567.775.099.710077.181.360854.7537.348.599.710

13、055.761.535652.3616.323.482.510036.138.730551.188.313.761.310024.626.4/0.63.47.139.71001516.3/0.31.62.926.699.91010.110300.150.71.52099.87.67.4/0.0750.30.715.399.46.05.7282.3 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

14、%、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：.图5 泡沫沥青用量-干湿劈裂强度曲线图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

15、试验干劈裂强度Mpa0.50.7241湿劈裂强度Mpa0.50.5587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

16、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。混合料运输时，可以先将混合料输送到地面上，经装载机简单翻拌后装车运送，这样能有效地减少混合料离析，同时能提高生产效率。3.4 混合料的摊铺泡沫沥青混合料的摊铺工艺同水稳材料和二灰稳定材料基本相同，传统的摊铺

17、机即可摊铺，熨平板不必预热。混合料摊铺应连续稳定，防止混合料离析，摊铺速度应根据拌和楼的产量、施工机械的配套情况及摊铺厚度、摊铺宽度确定，一般按13m/min予以调整，做到缓慢、均匀，不间断的摊铺。3.5 混合料的碾压冷再生混合料的压实非常关键，冷再生层的施工现场质量控制最关键的指标是压实度，碾压设备组合、压实遍数、碾压速度应通过试验路段确定。本项目初压采用双钢轮压路机（DD110）静压1遍，然后用双钢轮高频低幅的方式振动碾压2遍；复压采用单钢轮压路机（22t）振动碾压3遍；终压采用胶轮压路机碾压6遍，最后用双钢轮收光以消除胶轮压路机的轮迹。初压速度控制在1.53km/h，复压和终压速度控制在

18、24km/h。另外混合料中的含水量对压实至关重要，合适的水分含量可润滑集料，有助于压实，但过度的水分会导致混合料密度降低，且水分会长时间的滞留在结构层中，延长混合料的养生期，因此压路机碾压时可喷少量的水雾，以不粘轮为度。施工过程中，我们发现泡沫沥青冷再生混合料在终压后表面有很多发丝裂纹，通过对成型后的冷再生结构层取芯发现，发丝裂纹不贯穿结构层，仅在表面0.5cm深度左右，为了保证结构层的稳定，减少发丝裂纹的数量，课题组采取以下几个措施，并分析结果如下：（1）终压前在表面洒少量水：能有效减少终压后发丝裂纹数量，但是不能完全消除发丝裂纹；（2）终压增加一遍三钢轮碾压：能减少表面发丝裂纹数量，但是混

19、合料极易粘轮，造成结构层表面不平整。（3）终压后白天采用土工布覆盖养生，防止由于气温过高，使得含有活性集料水泥的混合料失水较快，引起干缩裂缝；夜间揭开土工布以加快混合料水分蒸发，并减少由于昼夜温差过大引起的收缩裂缝：效果不明显，养生难度大。施工过程中项目组根据施工环境合理调整混合料含水量，并在终压前洒少量的水，有效地减少了结构层表面发丝裂纹的数量。3.5 养生碾压完成并经压实度检查合格后即可自然养生，养生时间一般为35d，当满足以下两个条件之一时，可以提前结束养生：泡沫沥青再生层可以取出完整的芯样；泡沫沥青再生层含水量低于2%。另外养生时应严格限制重型车辆通行，并严禁在再生结构层上掉头和急刹车

20、，防止车轮对表层的破坏。由于该工程跨越夏季、秋季、冬季，从混合料养生情况来看，夏季养生期明显短于其他两季，且养生结束后取芯芯样好于其他两季，从芯样的强度来看，也好于其他两季。3.6 施工注意事项1.旧沥青路面铣刨前应清除积水、泥沙等杂物，防止污染RAP料，铣刨时严格控制铣刨深度，不得混入其他结构层废料，以免影响铣刨料级配。2.在原路面的铣刨过程中，更换铣刨设备的型号会对铣刨料的级配发生较大的影响，应保证铣刨设备型号与做配合比的铣刨设备型号一致。3.当泡沫沥青混合料中含有水泥等活性集料时，从添加活性集料开始至混合料碾压完成的时间不得超过活性集料的初凝时间。4. 冷再生混合料对大吨位的钢轮压路机碾

21、压比较敏感，碾压过程中混合料表面容易出现发丝裂纹，一方面，要控制好碾压时的含水量，可以在胶轮碾压前洒少量的水，另一方面，要控制好钢轮压路机的碾压速度，做到平稳慢压，以减少表面的发丝裂纹。4 工程应用及经济效益分析G328线宁通高速仪征段大修改造方案是：铣刨原有12cm沥青面层,对基层水泥混凝土板块病害处治后，加铺20cm水泥稳定碎石+11cm泡沫沥青冷再生+6cm普通沥青SUP-20+4cm改性沥青SUP-13。在半刚性基层上加铺柔性基层能有效地防止路面反射裂缝的产生，另外此次大修改造路段上跨桥较多，路面抬高高度受桥下净空的限制，由于泡沫沥青冷再生技术的成功运用，极大地减小了路面的抬高高度，缩短了桥下过渡段调坡长度。从经济效益方面来看：此次大修工程共计铣刨旧沥青路面14861m3,摊铺冷再生混合料13898m3。首先同在道路结构层中起同样效果（柔性基层）的沥青稳定碎石比较，节省经费约551.7506万元，节省材料运输费用约35.6664万元；此外从减少过渡段长度来看，本项目共有18个过渡段（7座上跨桥，一座主线桥，起点和终点），每个过渡段纵坡按3调坡，相比直接加铺过渡段减少648m，节省经费约95.1782万元。因此，对于干线公路工程改造而言，泡沫沥青冷再生混合料的经济效益较为显著。5 结语 此次将泡沫沥青冷再生技术应用于