王新生

（河南中原高速公路股份有限公司，鄭州 450002）

截至2019年底，我國(guó)高速公路通車總里程達(dá)到14.96萬(wàn)km，位居世界第一. 然而，隨著通車運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，高速公路路面陸續(xù)出現(xiàn)裂縫、坑槽、沉陷、瀝青層老化等病害，已經(jīng)難以滿足車輛的行駛要求［1-2］，部分建成時(shí)間較早的高速公路瀝青路面進(jìn)入了大中修時(shí)期［3］. 在道路的大中修和改擴(kuò)建施工中，舍棄銑刨、挖除的路面舊料將造成巨大的浪費(fèi)，也對(duì)周圍的環(huán)境造成很大的破壞［4］. 而將舊路面材料再生利用到新鋪筑路面結(jié)構(gòu)中不僅恢復(fù)了原有道路服務(wù)能力，又實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)的循環(huán)利用，降低了公路建設(shè)成本［5-6］，對(duì)環(huán)境保護(hù)也起到了積極的作用. 目前瀝青路面再生材料的穩(wěn)定方式主要采用水泥穩(wěn)定再生和泡沫瀝青（或乳化瀝青）冷再生兩種方式［7］. 泡沫瀝青冷再生技術(shù)近年來(lái)正廣泛應(yīng)用于瀝青路面大中修工程中［8-10］. 在向熱瀝青中加入精確計(jì)量的水時(shí)會(huì)產(chǎn)生泡沫這大大增加了瀝青的體積和表面活力［11］. 在整個(gè)發(fā)泡過(guò)程中，瀝青的體積急劇膨脹，黏度下降且保持一定黏聚力和穩(wěn)定性，可以更好地與集料裹覆在一起形成混合料［12］. 以泡沫瀝青作為穩(wěn)定劑的路面再生技術(shù)因其具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、施工速度快等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在路面維修養(yǎng)護(hù)過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用［13-14］.

本文在對(duì)RAP性能研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)在漯駐高速公路改擴(kuò)建工程中的實(shí)踐，確定了兩種不同類型泡沫瀝青冷再生混合料配合比，并對(duì)比分析了兩種泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)性能，為泡沫瀝青冷再生混合料工程應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 工程概況

京港澳高速公路漯河至駐馬店段自2001年9月建成通車至2015年已近14年，路基基本穩(wěn)定，路面病害較多，主要體現(xiàn)為縱、橫向裂縫、龜裂、坑槽、局部沉陷等. 通過(guò)采用ZOYON-RTM 車載智能路面自動(dòng)檢測(cè)車、LTD-2000型地質(zhì)雷達(dá)等儀器對(duì)路面現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示：漯駐高速公路總體上行車道的破損程度比超車道嚴(yán)重，西半幅破損程度比東半幅嚴(yán)重. 該路段在改擴(kuò)建施工拼寬部位中面層瀝青路面施工完畢后，2015年對(duì)舊路病害進(jìn)行處治，處治完畢后統(tǒng)一加鋪上面層瀝青路面.

為徹底治理舊路病害，提高路面使用功能，漯駐高速改擴(kuò)建工程將該路段舊路病害分為路面病害和路基病害處治兩大種類. 而對(duì)路面病害的處治，又?jǐn)M定了路面連續(xù)病害處治和局部病害處治兩種方案. 對(duì)于路面連續(xù)病害達(dá)到下面層的路段采用就地冷再生處治方案，路面連續(xù)病害處于中、上面層的路段采用銑刨后回鋪熱拌瀝青混合料的處治方案.

本研究結(jié)合漯駐高速公路就地冷再生處治舊路病害實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)RAP性能進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)確定泡沫瀝青冷再生混合料在實(shí)際施工中各項(xiàng)指標(biāo)目標(biāo)的應(yīng)用方案的研究.

2 原材料及其性能檢測(cè)

配合比設(shè)計(jì)采用維特根420 型就地冷再生成套設(shè)備對(duì)連續(xù)病害路段舊路瀝青層銑刨產(chǎn)生的RAP 回收料、機(jī)制砂、PC 32.5硅酸鹽水泥、70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青.

1）RAP性能檢測(cè)

銑刨料的質(zhì)量是保證再生料性能的前提［15］，RAP 級(jí)配是目前冷再生技術(shù)使用最廣泛的級(jí)配概念，并作為目前配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用的級(jí)配，然而RAP礦料級(jí)配是RAP中集料真實(shí)的組成比例［16］. 而由于受到銑刨設(shè)備等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致銑刨料級(jí)配不易控制.

現(xiàn)場(chǎng)取料后對(duì)回收料進(jìn)行水洗篩分［17］和燃燒水洗篩分試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示.

表1 RAP級(jí)配組成Tab.1 RAP gradation composition

以往的研究普遍認(rèn)為泡沫瀝青混合料性能對(duì)0.075 mm以下的顆粒含量較為敏感［18］，從表1結(jié)果來(lái)看，較之水洗法，燃燒法篩分得到的各篩孔下含量均有所增加，尤其是0.075～9.5 mm之間，增加幅度在3.3%～9.5%.

2）機(jī)制砂篩分

對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行水洗篩分試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示.

表2 機(jī)制砂篩分結(jié)果Tab.2 Screening results of machine-made sand

3）瀝青發(fā)泡試驗(yàn)

選用道路石油70號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青，采用維特根發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)制備泡沫瀝青，不同發(fā)泡溫度和用水量條件下泡沫瀝青膨脹率和半衰期如表3所示.

表3 基質(zhì)瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of foaming test of matrix asphalt

數(shù)據(jù)表明，隨著用水量的增加，不同溫度下膨脹率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，半衰期逐漸減小. 2%用水量下，膨脹率隨著溫度升高持續(xù)增加，由160 ℃的15倍增加至170 ℃的18倍；2.5%用水量下，165 ℃膨脹率最高，達(dá)到24倍；3%用水量下溫度對(duì)膨脹率影響較小. 針對(duì)半衰期，同一用水量條件下，隨著溫度變化，半衰期先增大后減小，三組用水量均在165 ℃發(fā)泡條件下達(dá)到各組最大半衰期.

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線圖（圖1），研究用水量與溫度對(duì)發(fā)泡膨脹率及半衰期的影響.

圖1 不同溫度和用水量下泡沫瀝青膨脹率和半衰期Fig.1 Expansion rate and half-life period of foamed asphalt at different temperatures and water consumption

從圖1中可以看出，隨溫度的增加，發(fā)泡時(shí)瀝青的膨脹率有增大的趨勢(shì)、半衰期則有變小的趨勢(shì)，這是因?yàn)闇囟雀邥r(shí)產(chǎn)生泡沫的直徑較大，降低了瀝青薄膜的厚度和彈性，此時(shí)瀝青泡沫趨于不穩(wěn)定而衰落速度加快，從而導(dǎo)致了半衰期減小. 從表中數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)發(fā)泡溫度為165 ℃，發(fā)泡用水量為2.5%時(shí)，瀝青膨脹率為24倍，半衰期為8.5 s，可滿足規(guī)范技術(shù)要求. 因此，綜合考慮泡沫瀝青的膨脹率和半衰期，確定發(fā)泡溫度為165 ℃，發(fā)泡用水量為2.5%.

3 不同類型冷再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 配合比設(shè)計(jì)

當(dāng)RAP里礦料作為再生瀝青骨料進(jìn)行生產(chǎn)配合比調(diào)試時(shí)，其水洗篩分結(jié)果調(diào)整級(jí)配如表4所示.

表4 未摻加機(jī)制砂級(jí)配調(diào)整Tab.4 Gradation adjustment of asphalt mixture unmixed machine-made sand

當(dāng)把RAP視為“黑色集料”進(jìn)行再生瀝青生產(chǎn)配合比調(diào)試時(shí)，其級(jí)配調(diào)整結(jié)果如表5所示.

表5 摻加機(jī)制砂級(jí)配調(diào)整結(jié)果Tab.5 Gradation adjustment of asphalt mixture mixed machine-made sand

由圖2、圖3可以看出，摻加機(jī)制砂與未摻加機(jī)制砂的兩種類型級(jí)配調(diào)整結(jié)果均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》［19］中泡沫瀝青冷再生技術(shù)要求.

圖2 未摻加機(jī)制砂再生瀝青混合料級(jí)配Fig.2 Gradation of recycled asphalt mixture without machine-made sand

圖3 摻加機(jī)制砂再生瀝青混合料級(jí)配Fig.3 Gradation of recycled asphalt mixture with machine-made sand

3.2 最佳含水量確定

將風(fēng)干的舊瀝青路面銑刨料、碎石、機(jī)制砂按比例混合，將瀝青用量固定為3%，變化用水量拌和進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定再生混合料的最佳含水量. 根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出含水率與最大干密度曲線（圖4～圖5）.

圖4 未摻加機(jī)制砂含水率與最大干密度關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between moisture content sand and maximum dry density of asphalt mixture unmixed machine-made sand

圖5 摻加機(jī)制砂含水率與最大干密度關(guān)系曲線Fig.5 The relationship curve between moisture content and maximum dry density of asphalt mixture mixed machine-made sand

由圖4、圖5可以看出，隨著含水量的增加，無(wú)論是否摻加機(jī)制砂，干密度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，按照關(guān)系曲線圖可直接確定未摻加機(jī)制砂類混合料最佳含水量為5.5%，此處最大干密度值為2.110 g/cm3；摻加機(jī)制砂類混合料最佳含水量為6.1%，此處最大干密度數(shù)值為2.126 g/cm3.

3.3 最佳泡沫瀝青用量確定

按《瀝青路面再生應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）［19］中的成型和養(yǎng)生方法，在漯駐高速公路改擴(kuò)建施工前，從進(jìn)場(chǎng)材料中選擇5種不同的泡沫瀝青用量與合成級(jí)配按最佳含水量進(jìn)行拌和后成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，成型好的試件連同試模一起側(cè)放在60 ℃通風(fēng)烘箱養(yǎng)生不少于40 h，養(yǎng)生完成后將試件取出冷卻，12 h后脫模. 將各組油石比試件分成兩組，一組在15 ℃條件下直接測(cè)定劈裂強(qiáng)度，另一組完全浸泡25 ℃水浴23 h后，再在15 ℃水浴完全浸泡1 h后，立即在15 ℃條件下測(cè)定劈裂強(qiáng)度. 不同瀝青用量下混合料的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6、表7.

由表6、表7可知，摻加機(jī)制砂與未摻加機(jī)制砂的兩種類型冷再生混合料干濕劈裂強(qiáng)度隨著瀝青用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在瀝青用量為2.5%時(shí)達(dá)到峰值，強(qiáng)度和水穩(wěn)定性較好，瀝青膜裹覆均勻. 確定未摻加機(jī)制砂泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳拌和用水量為5.5%，最佳油石比為2.5%；摻加機(jī)制砂的泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳拌和用水量為6.1%，最佳油石比為2.5%.

表6 未摻加機(jī)制砂劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Splitting test results of asphalt mixture unmixed machine-made sand

表7 摻加機(jī)制砂劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Splitting test results of asphalt mixture mixed machine-made sand

4 不同類型冷再生瀝青混合料強(qiáng)度特性研究

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［20］（JTG E20—2011）中瀝青混合料劈裂試驗(yàn)方法（T 0716—2011）進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示.

表8 芯樣劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Core sample split test results

由表8可得，摻加機(jī)制砂的再生瀝青混合料干劈裂強(qiáng)度和濕劈裂強(qiáng)度均大于未摻加機(jī)制砂再生瀝青混合料，這是因?yàn)楸慌f瀝青膜包裹的RAP顆粒表面較為光滑，混合料的棱角性變差，顆粒間摩阻力減小，不利于泡沫瀝青砂漿微粒在集料表面的黏結(jié)，降低了再生混合料的強(qiáng)度. 兩種再生瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）要求，且差別不大，在實(shí)際施工過(guò)程中為簡(jiǎn)便施工可以考慮不摻加新料.

5 結(jié)論與展望

1）通過(guò)試驗(yàn)研究不同發(fā)泡溫度和用水量條件下泡沫瀝青膨脹率和半衰期，綜合考慮確定泡沫瀝青發(fā)泡溫度為165 ℃，發(fā)泡用水量為2.5%.

2）將風(fēng)干的舊瀝青路面銑刨料、碎石、機(jī)制砂按比例混合，將瀝青用量固定為3%，變化用水量拌和進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定摻加機(jī)制砂與未摻加機(jī)制砂兩種類型再生混合料的最佳含水量：未摻加機(jī)制砂類型混合料最佳含水量確定為5.5%，摻加機(jī)制砂的確定為6.1%.

3）摻加機(jī)制砂與未摻加機(jī)制砂的兩種不同類型冷再生混合料干濕劈裂強(qiáng)度隨著瀝青用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在瀝青用量為2.5%時(shí)達(dá)到峰值，強(qiáng)度和水穩(wěn)定性較好，瀝青膜裹覆均勻. 確定未摻加機(jī)制砂泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳油石比為2.5%；摻加機(jī)制砂的泡沫瀝青混合料的水泥用量為1.5%、最佳油石比為2.5%.

4）根據(jù)混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，摻加機(jī)制砂的泡沫瀝青再生混合料干劈裂強(qiáng)度和濕劈裂強(qiáng)度均大于未摻加機(jī)制砂泡沫瀝青再生混合料，但差別不大，在實(shí)際施工過(guò)程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況考慮摻加或不摻加新料.

泡沫瀝青作為穩(wěn)定劑的瀝青冷再生混合料施工方便、快速，減少了廢舊瀝青混合料對(duì)環(huán)境的污染和場(chǎng)地的占用，節(jié)省了大量的原材料，同時(shí)減少了廢舊材料和熱拌成品料的運(yùn)輸費(fèi)用，為漯駐改擴(kuò)建工程節(jié)省了大量建設(shè)成本. 建成通車5 年來(lái)，使用泡沫瀝青冷再生技術(shù)處治過(guò)的路段路面瀝青層穩(wěn)定，未出現(xiàn)嚴(yán)重車轍、沉陷、坑槽等路面病害，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.