泡沫沥青冷再生在某高速病害处治中的应用

泡沫沥青冷再生在某高速病害处治中的应用随着我国经济的快速发展，在过去十几年间，国内的公路建设事业发展迅速。截至2005年底，中国高速公路的总里程己经达到4万多公里，跃居世界第二位，其中沥青路面占90％以上；但是，除一些路面已进入大修阶段外，由于其他各方面的原因（包括资金不足，技术比较落后等），目前我国已建成的沥青路面中，不少沥青路面已发生严重的早期病害，因此，在今后若干年内，公路的修复必将成为重点，如何进行修复，以及选用何种技术从环境、费用、节能等方面恢复路面的使用性能，使之达到最佳，将成为公路行业必须面临解决的问题。泡沫沥青冷再生作为对旧有路面修复的一种技术，充分利用回收路面材料，节约占地、沥青、石料和能源，从环境、节能、费用方面看是一种绿色环保经济的修复技术，具有广阔的发展前景。近年来，泡沫沥青冷再生技术在国内外日渐兴起，并作为一种经济有效的维修工艺为现代化道路养护带来新的思路。泡沫沥青冷深翻技术是一种利用面层和部分基层材料破碎拌和，生成良好而均匀的现场再生基层技术。下面就以重庆市某高速病害处治工程为例，介绍泡沫沥青现场冷深翻再生在该试验路上的应用。1路况调查与大修方案确定1．1旧路损坏情况调查该试验路全长5536m（K20+050～K25+586），对该段进行了摩擦系数、平整度、弯沉、基层芯样强度和沥青层厚度等病害调查发现，路段均存在严重的网裂、沉降、松散、唧浆、渗水等综合性病害于一体，如图一、二所示，全线左右幅路面都出现不同程度的病害，但病害主要集中在主车道。钻芯检测表明，由于路基排水不良或开裂后水进入路基，同时在汽车和水双重作用下产生的水损害等综合因素造成基层强度的损失，这些路段部分弯沉值已超过设计的数倍，基层强度已严重受到影响。因此，要保证道路能维持正常的使用性能，必须对原路段进行结构性补强。图一网裂沉陷图二唧浆图三渗水1．2大修方案确定根据旧路状况和高等级公路使用性能的要求，仅仅靠局部维修的方法已经不能满足日益增长的交通需求，而传统的大修，将面层、基层全部挖除重新做基层面层,这样做造价高、工期长、污染环境且需长时间中断交通,故决定采用泡沫沥青冷再生替代传统方法。泡沫沥青冷再生包括：工厂冷再生、现场冷再生、就地冷在生、冷深翻再生，结合该试验路周边环境以及重庆地区的情况，不可能进行工厂和现场冷在生；如果直接在旧路面进行就地冷再生，这样就会改变路面原有的坡度，这与该工程实施的初衷是相违背的，同时，基层损害严重的地方，再生深度达不到，这就会为以后的病害的产生种下隐患，因此综合各方面因素，确定该试验路采用的冷再生方式为冷深翻再生。通过力学验算，确定冷深翻再生的再生厚度，最终确定该试验段采用的大修处治方案：超车道和紧急停车带由于路面只是出现剥落、麻面、脱粒和轻微的破损，该路段结构整体强度没有受到很大影响，因此对超车道和紧急停车带只铣刨4cm沥青混凝土面层，再加铺4cm改性AC－13抗滑磨耗层；但主车道由于路面损坏较为严重，具体实施方案是：先铣刨宽4.2m主车道12cm的沥青混凝土面层，然后在进行18cm的泡沫沥青冷深翻再生半柔性基层，最后加铺5cmAC-16中粒式沥青混凝土、4cm改性AC－13抗滑磨耗层。2泡沫沥青混合料设计2．1试验采用材料及指标该试验路原来的路面结构：4cm抗滑磨耗层（AC-13）,5cm中粒式沥青混凝土（AC-16）,6cm粗粒式沥青混凝土（AC-25），20cm石灰粉煤灰碎石基层，28cm石灰煤渣碎石底基层，总共63cm；根据冷深翻再生的施工方案，要再生18cm的基层，按松铺系数1.4来算，那么泡沫沥青冷再生料的松铺厚度为25.2cm左右，冷再机的再生厚度为15～16cm，先洗刨掉12cm的沥青混凝土面层，除去剩下的3cm的沥青面层，石灰粉煤灰碎石基层再生厚度至少为12～13cm（根据现场钻芯的芯样调查发现，大部分的沥青面层不足15cm）。下面层与基层回收料及水泥筛分结果如表1所示：表1回收料筛分结果粒径料源31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.08下面层100.0100.098.997.194.280.941.616.69.05.22.31.30.9基层100.097.489.283.477.065.040.125.218.614.210.17.96.6水泥100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.099.999.671.5根据试验路实际情况，按再生料全是基层回收料和面层与基层回收料按20：80的比例混合2种进行泡沫沥青混合料设计，确定最佳含水量、泡沫沥青用量、水泥用量。级配合成筛分表如表2所示：2．2最佳含水量、泡沫沥青用量和水泥用量的确定从表2可以看出，不管是全部是基层回收料，还是面层和基层按比例混合的回收料，其级配合成曲线基本上都能满足AC-25的级配要求。假如要铺撒细料，工序复杂，其效果也不是很理想，为了最大限度的利用回收料，决定，不添加细料，直接进行泡沫沥青配合比设计。从现场取回的回收料，烘干，按回收料用量的7％、8％、9％、10％、11％、12％加水，水泥用量为1.5%、2.0％、2.5％分别进行击实实验，确定最大干密度和最佳含水量及最大干密度和水泥用量的关系。试验最终确定最佳含水量为7%，水泥用量为2%。2．3泡沫沥青发泡用水量及泡沫沥青用量的确定泡沫沥青的生产其关键在于控制使用准确的用水量及获得最佳的膨胀率。其两个控制参数膨胀率和半衰期受以下几个因素影响：1.泡沫产生的数量;2.泡沫中水的用量;3.形成泡沫时沥青的温度。根据室内实验结果，并考虑经济性，该试验路采用的泡沫沥青配合比各工艺参数如下：水泥含量为2.0%，泡沫沥青含量为3.0％±0.5％，可以根据现场实际情况进行调整，泡沫沥青发泡用水为2.0%，发泡温度大于150度，泡沫沥青施工用水量为3.0%(根据施工现场旧料的实际含水量适当的调整)。3冷深翻再生的施工工艺根据实验室冷再生混合料设计所确定泡沫沥青发泡需要的各参数（包括加水量、沥青温度）及最佳沥青用量、含水量、水泥用量等，按以下施工工艺进行冷深翻再生。3．1冷深翻再生施工前准备①沥青罐车到达施工现场后要检测沥青的温度，用于发泡沥青的温度不得低于实验室最佳发泡效果所确定的150℃，否则不得用于该试验路。②保障冷再生机械具有充足的燃料及提供拌和用水的机械，同时对再生机的沥青用量及沥青的发泡特性进行标定和验证，每一个生产班组的开始和结束都要通过测量沥青罐中沥青的高度来检验沥青用量。发泡特性利用再生机上的试验喷嘴进行发泡试验，检验发泡效果。3．2水泥撒铺及方法由实验室确定冷再生的水泥用量为2％，根据再生层厚度、混合料设计密度来计算一袋水泥能撒铺的面积，在施工前首先按要求用量在划出的框格内均匀撒布水泥，用铝合金模具人工摸平。如图三所示：图三3．3泡沫沥青用量及现场含水量的控制对于泡沫沥青混合料来讲，很多研究人员考虑了在破碎和压实过程中的含水量是一个最重要的因素(木森在1998年论述过)，首先需要水来软化破碎集料中的团聚块，有助于沥青扩散和现场压实。太多的水延长了凝固时间，降低了压实的混合料的强度和密度，并且可能减弱了集料的覆盖层的作用(木森在1998年已论述过此问题)。根据实验室泡沫沥青冷再生配合比试验得出，冷再生混合料拌和压实含水量应控制在4.0％左右，泡沫沥青含量为3.0％左右。然而在施工现场，拌和用水量并不是4.0％左右，通常情况是少于4.0%，这就得应根据该路实际的施工情况来定，由于冷再生机施工过程中其铣刨鼓需要浇洒少量的水，以使铣刨刀头降温，减小磨损，以及路面材料的实际含水量。因此，实际施工中控制冷再生混合料拌和水量应少于4.0％，这得需要有比较丰富经验的专业技术人员紧跟在泡沫沥青再生机后面，经常把冷再生料抓在手中，看含水量是否适中，然后根据现场的实际情况，再来调整冷再机拌和用水量，一般冷再生机添加的拌和用水量为2.4％左右。3．4冷再机的施工控制在现场施工工程中，冷再生机的行走速度也是非常重要的，如果行走速度太快，局部大的块状混合料还来不及破碎，就被带出，影响破碎效果，增加大颗粒含量以及块状物，进一步影响泡沫沥青冷再生的效果，达不到冷再生的目的。要随时检查泡沫沥青的发泡效果，一般，生产出的冷再生料有一定的温度，大概在30度左右，这时的沥青发泡效果比较好。试验路冷深翻再生现场如图四所示：图四冷深翻再生现场在同一断面上进行几幅再生时，接缝也很重要，再生施工应沿着车道从路的一端做到另一端，而不允许中间留有未拌和的材料。尽量避免施工中产生过多的横向接缝，横向接缝要采用搭接。一般1－2m左右，在纵向接缝上，每幅冷再生重叠区域在100mm～200mm为宜，并且在重叠区域不应有多余的沥青，应关闭冷再生机重叠部分的喷嘴。在局部地方出现少料的地方，应及时补料。3．5碾压环节碾压是冷再生施工的关键环节，对冷再生成型及强度起到至关重要的作用。要达到最佳碾压效果必须从两方面来控制：一是混合料含水量必须达到最佳压实含水量要求，在碾压过程中，如果水分损失比较快表面比较干，应根据现场情况，适当的洒水，再进行了碾压；如果局部水分比较多，这时应把冷再生料翻出来，晾晒一下，再压，否则，容易出现“弹簧状”的层面，压不实，影响基层结构强度；二是碾压设备的吨位和碾压遍数要足够。摊铺好的再生混合料应立即组织进行压实，压路机碾压的速度不应过快，应控制在2～3m/min。该试验路采用的碾压方案为：初压采用20T单钢轮压路机稳压1遍，不开振动；复压采用20T的单钢轮重型压路机以高幅/低频的模式碾压3遍，然后再用18T的单钢轮重型压路机以高频/低幅的模式碾压5遍。同时应避免材料的过压，如达到材料的最大密度后仍然继续碾压，则会破坏材料结构，降低冷再生基层的结构强度，此时，应立即停止压实，并进行处理。禁止压路机在施工过程中急停、急转、掉头等，以保证冷再生基层的碾压平整度。碾压成型及效果如图四所示：图四现场冷再生基层4泡沫沥青冷再生后的成效冷再生后，对该试验路主车道进行基层表面回弹弯沉的测量，取桩号K23+920～K24+220段冷再生分别为一天、2天和3天的回弹弯沉如表1所示：表1回弹弯沉测量表时间间桩号冷再生1天冷再生2天冷再生3天左（0.01mmm）右（0.01mmm）左（0.01mmm）右（0.01mmm）左（0.01mmm）右（0.01mmm）K23+9200643636241814K23+9400405030121216K23+9600443220141418K23+9800463834162022K24+0000624042162214K24+0200624748182820K24+0400384012121210K24+0600423824181012K24+0800564228302220K24+1000563924101412K24+1200404820322018K24+1400685020201622K24+1600685424241816K24+1800596044452020K24+2000384824221414K24+2200384222221816从上表可以看出，冷再生一天后，回弹弯沉值相对比较大，但2天后，80%以上的点可以满足设计要求（41.2(0.01mm)），3天后，100%满足要求，与传统的水稳基层相比，养生时间大为减少，这样可以大大缩短工期，为企业和社会带来巨大的经济效益。泡沫沥青冷深翻再生技术，具有以下优点：①利用不可再生资源，生产出均匀优良的沥青混合料；节能；设备简单；②添加泡沫沥青胶结材料形成稳定集料，可以现场直接压实，可以在各种天气情况下施工（冷天或小雨天）；③提高剪切强度，抗疲劳度、抗水性、抗车辙性更胜