張鵬舉 宋尚霖

（1 甘肅恒路交通勘察設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省高等級公路養(yǎng)護工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

公路工程是關(guān)系到國民經(jīng)濟和社會發(fā)展全局的民生工程，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著不可替代的支撐作用。將廢舊路面材料再生循環(huán)應(yīng)用于道路基礎(chǔ)建設(shè)和養(yǎng)護，變廢為寶，形成一個符合循環(huán)經(jīng)濟模式的產(chǎn)業(yè)鏈，可以避免廢舊材料堆放對土地的占用和對環(huán)境的污染，可以減少對石料、瀝青、水泥的需求，并降低筑路成本，創(chuàng)造盡可能大的經(jīng)濟效益[1]。根據(jù)《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年～2030年）》總體規(guī)劃，至 2030年，甘肅省區(qū)域范圍內(nèi)約33%的省級高速公路將改造升級為國家級高速公路，約 54%的省級普通道路將改造升級為國道，公路發(fā)展的規(guī)模和級別發(fā)生了巨大變化。2015～2020甘肅省規(guī)劃，甘肅省有45%的高速公路進入運營中后期，國省干線基層補強以及改建大修資金投入158億元。在這樣的形勢下，大力發(fā)展符合循環(huán)經(jīng)濟模式的路面再生技術(shù)，可有效解決甘肅省公路養(yǎng)護資金短缺、石料短缺以及路面反射裂縫、水損害病害嚴重等問題，從而以盡可能少的資源消耗創(chuàng)造盡可能大的社會經(jīng)濟效益，具有十分重要的意義。

1 泡沫瀝青發(fā)泡機理及評價指標

1.1 發(fā)泡原理

泡沫瀝青又叫膨脹瀝青，是將一定的常溫水和壓縮空氣注入熱瀝青使其體積發(fā)生膨脹，形成大量的瀝青泡沫，經(jīng)過很短的時間瀝青泡沫破裂，原理如圖1所示。這一過程只是物理變化，沒有發(fā)生化學反應(yīng)。當泡沫瀝青與集料接觸時，瀝青泡沫瞬間化為數(shù)以百計的“小顆?！?散布于細集料（特別是粒徑小于0.3mm）的表面，形成粘有大量瀝青的細料填縫料，經(jīng)過拌和壓實,這些細料能填充于濕冷的粗集料之間的空隙并形成類似砂漿的作用,使混合料達到穩(wěn)定,混合料粘結(jié)機理如圖2所示。

圖1 泡沫瀝青冷再生原理圖

1.2 評價指標

目前主要以膨脹率和半衰期來衡量泡沫瀝青的發(fā)泡效果，膨脹率與半衰期越大對混合料的性能越有利。根據(jù)國外對泡沫瀝青已有研究結(jié)果，膨脹率大于10倍，半衰期不低于10s，是普遍可接受的條件。對于不同的瀝青品種其最佳發(fā)泡溫度及發(fā)泡用水量對其膨脹率及半衰期都有影響。

圖2 泡沫瀝青冷再生混合料結(jié)構(gòu)圖

2 泡沫瀝青混合料性能研究

2.1 水泥摻量對混合料性能的影響

由于泡沫瀝青在混合料中分布呈“點焊”狀分布，沒有在礦料表面形成連續(xù)的瀝青膜裹覆，因此泡沫瀝青混合料其水敏感性較強，我們通常通過添加少量的水泥來改善水穩(wěn)定性。而水泥摻量的多少對混合料的強度、剛度等力學性能都會產(chǎn)生改變，研究水泥用量的多少對泡沫瀝青混合料性能的評價具有重要意義[2，3]。試驗研究了不同水泥摻料在泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性的影響，將5種不同水泥摻量的混合料成型標準大馬歇爾試件，經(jīng)過40℃鼓風烘箱養(yǎng)生72h后進行15℃劈裂試驗，實驗結(jié)果見表1。

表1 不同水泥摻量的混合料ITS實驗結(jié)果

由表1可知，隨著水泥摻量的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的干濕劈裂強度都明顯增加。此外，泡沫瀝青冷再生混合料的殘留劈裂強度比也隨著水泥摻量的增加呈現(xiàn)增長趨勢，表明水泥摻量的增加可以明顯的提高混合料的水穩(wěn)定性。相對于不添加水泥的再生混合料，添加1.5%水泥的混合料其殘留劈裂強度比由48.8%增加到了80.3%，這也說明了水泥在一定程度上提高混合料強度的同時，主要增強了泡沫瀝青水穩(wěn)定性。當水泥摻加量在1%～2.5%之間時，泡沫瀝青冷再生混合料的殘留劈裂強度比TSR增幅變小，甚至出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。此外，考慮到過多的水泥摻量會導(dǎo)致泡沫瀝青冷再生混合料剛性增大，在甘肅省大溫差氣候環(huán)境下反射裂縫病害不能很好的抑制，且工造造價增加，因此推薦適宜的水泥摻量不宜超過1.5%。

2.2 成型方式對混合料性能的影響

對于泡沫瀝青冷再生混合料，馬歇爾成型方法的壓實原理與現(xiàn)場振動壓路機碾壓原理差別較大，使冷再生混合料的集料移動方向與現(xiàn)場壓實過程中的移動方向并不一致，無法較好的模擬現(xiàn)場壓實，成型試件的物理力學性能與實際芯樣不吻合，因而難以有效揭示材料組成結(jié)構(gòu)與性能之間規(guī)律。

為了探究不同成型方法對混合料性能的影響，本次試驗在確保混合料孔隙率（12%±0.3%）一定的情況下，采用粗粒式級配成型了直徑為152.4mm，目標高度95.3mm的試件，研究了馬歇爾成型和振動成型方法對混合料力學的影響。

表2 不同成型方法下混合料力學性能測試結(jié)果

表2結(jié)果顯示，振動成型的混合料ITS明顯高于馬歇爾成型的混合料，且振動成型混合料ITS測試結(jié)果與現(xiàn)場養(yǎng)生完鉆取芯樣測試結(jié)果接近。其原因為振動成型其能很好的模擬現(xiàn)場壓路機的振動情況，通過連續(xù)沖擊的壓力波使得混合料內(nèi)部的細小顆粒運動，混合料內(nèi)部的細顆粒之間靜摩擦會轉(zhuǎn)化為動摩擦，從而使得混合料集料分布更加均勻，表現(xiàn)出其強度的提高。因此，針對泡沫瀝青冷再生混合料成型方法在的適用性，采用振動成型方法更加符合現(xiàn)場實際。

2.3 養(yǎng)生條件對混合料性能影響

泡沫瀝青冷再生混合料養(yǎng)生過程也是水分逐漸散失的過程，隨著水分的散失其混合料強度、剛度也逐漸增大。目前室內(nèi)養(yǎng)生條件規(guī)范采取60℃快速養(yǎng)生方法，其不符合現(xiàn)場實際。夏季現(xiàn)場養(yǎng)生溫度一般在40℃左右，遠遠無法達到60℃，60℃溫度超過了基質(zhì)瀝青的軟化點，造成泡沫瀝青在養(yǎng)生時發(fā)生流動，泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部空隙分布、泡沫瀝青分布發(fā)生差異，宏觀表現(xiàn)為強度差異[4]。本次試驗分為4組，將泡沫瀝青混合料脫模后在40℃鼓風烘箱中養(yǎng)生1d、3d、5d、7d后的干劈裂強度和含水量。

圖3 養(yǎng)生時間與劈裂強度及含水量的關(guān)系圖

由圖3可知：泡沫瀝青混合料試件在40℃恒溫鼓風烘箱中養(yǎng)生1d后，其干劈裂強度僅為0.38MPa，含水量為2.89%；隨著養(yǎng)生時間的增長，其1d到3d的干劈裂強度增張迅速，而且混合料的含水率迅速下降，第3d混合料試件干劈裂強度已經(jīng)達到0.72MPa，含水量為0.35；養(yǎng)生時間3d到7d時，其干劈裂強度的增長趨勢開始緩慢，混合料的含水量也逐漸變小，最終趨于0。這是初期混合料含水量較高，水泥并未完全水化，所以劈裂強度較低，隨著養(yǎng)生時間的增長，水泥水化產(chǎn)物越來越多，混合料的強度迅速增加，養(yǎng)生3d后，混合料中水泥基本水化完，后期劈裂強度變化趨于緩慢。因此我們采用40℃取代原有60℃養(yǎng)生溫度，在40℃鼓風烘箱中養(yǎng)生3d模擬現(xiàn)場早期養(yǎng)生方法。

2.4 水損害性能評價方法

甘肅省氣候環(huán)境復(fù)雜，全省大部分地區(qū)晝夜凍融天數(shù)較多，各市日平均氣溫0℃以下天數(shù)最高達166天，凍融破壞嚴重。基于以上背景，結(jié)合工程實際我們設(shè)計中提出了殘余粘聚力指標評價混合料的抗水損害能力。試驗基于振動成型設(shè)備，制備Φ=152.4mm，h=300mm的試件，并施加0KPa、50KPa、150 KPa、200 KPa的圍壓進行三軸試驗。并將養(yǎng)生完成的試件在25℃水里浸泡24h測其粘聚力，從而計算得出其損失強度，要求其粘聚力損失不大于25%，以此來評價該混合料的抗水損害能力，其三軸試驗原理如圖4所示。

圖4 基于振動成型的三軸試驗殘余粘結(jié)強度評價原理

3 工程應(yīng)用研究

3.1 工程概況及再生方案

圖5 路面重鋪結(jié)構(gòu)方案

G109 線是國道主干線五縱七橫中的重要組成部分，東北起北京，止于西藏自治區(qū)首府拉薩，全長 3922 公里。G109 線從甘寧界（劉寨柯）進入甘肅省，途徑平川區(qū)、白銀市區(qū)、皋蘭縣城、蘭州市區(qū)、紅古區(qū)后進入青海省。本次試驗段選取病害嚴重K1568+800-K1573+500段，采取銑刨重鋪的措施對路面病害進行徹底修復(fù)，延長使用年限，確保行車安全。重鋪結(jié)構(gòu)層見圖5。

3.2 配合比設(shè)計

試驗段鋪筑選取SK90瀝青，發(fā)泡溫度165℃，發(fā)泡用水量2.5%，瀝青用量2.5%，外摻1.5%水泥?；旌狭显O(shè)計級配見表3、表4。

表3 G109線泡沫瀝青冷再生混合料配合比

表4 G109 線泡沫瀝青冷再生混合料組成級配

3.3 關(guān)鍵技術(shù)指標檢測

本研究根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》及《南非瀝青穩(wěn)定材料設(shè)計指南》對泡沫瀝青冷再生混合料性能進行了測試。由于甘肅省公路路面水損害嚴重，采用凍融劈裂試驗并不能真實的模擬路面的水損害實際工況，我們采用南非技術(shù)規(guī)范，采用殘余粘聚力對混合料抗水損害能力進行驗證，其能更好的對混合料的水穩(wěn)定性進行評價,各項技術(shù)檢測指標見表5。

表5 泡沫瀝青混合料性能檢測指標

4 結(jié)語

本文以G109國道養(yǎng)護維修工程為例，通過相關(guān)文獻及室內(nèi)試驗和工程應(yīng)用總結(jié)，對瀝青的發(fā)泡機理、影響混合料性能的因素及現(xiàn)有技術(shù)存在問題、混合料配合比設(shè)計和工程應(yīng)用效果進行了系統(tǒng)的研究。試驗結(jié)果表明：不同的成型方式及養(yǎng)生方式對混合料性能影響極大，建議采用振動成型制備試件，并采取40℃養(yǎng)生3天來模擬實際現(xiàn)場情況；添加水泥的混合料，水泥水化產(chǎn)物在泡沫瀝青膠漿內(nèi)部互相交織、穿插、生長的同時貫穿了泡沫瀝青冷再生混合料的孔隙，提高了混合料的水穩(wěn)定性能，并推薦適宜的水泥摻量不宜超過1.5%；提出基于振動成型的三軸試驗殘余粘聚力指標評價抗水損害能力，要求其粘聚力損失最大不超過25%。根據(jù)甘肅省大溫差氣候環(huán)境、養(yǎng)護資金短缺、石料短缺等實際情況以及首次試驗段的應(yīng)用效果，泡沫瀝青廠拌冷再生技術(shù)在甘肅省的大量推廣和應(yīng)用具有重要意義。