郭小宏, 王金橋, 黃維蓉, 周明旭, 邵發(fā)展

(1.重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；4.徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

泡沫瀝青冷再生技術(shù)最先由德國August Jacobi提出[1]，隨后，相關(guān)學(xué)者采用膨脹率和半衰期對瀝青的發(fā)泡特性進(jìn)行了研究，提出了發(fā)泡用水量、發(fā)泡溫度等對發(fā)泡特性的影響[2]。20世紀(jì)70年代，美國嘗試將泡沫瀝青應(yīng)用到實(shí)際的路面工程中，從而，該技術(shù)在國外得到快速發(fā)展[3]。1998年，河北省邯鄲市首次引入了WR2500型冷再生機(jī)，并鋪筑了相應(yīng)的試驗(yàn)段，泡沫瀝青冷再生技術(shù)在我國由此拉開了序幕[4]。該技術(shù)的應(yīng)用雖然在我國起步較晚，但不少的專家、學(xué)者通過對國外泡沫瀝青冷再生技術(shù)的應(yīng)用分析，對泡沫瀝青的發(fā)泡溫度、含水量、力學(xué)性能、配合比設(shè)計(jì)等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究[5]，為我國的泡沫瀝青冷再生技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

采用泡沫瀝青冷再生技術(shù)，不僅可以對舊料高回收利用，而且具有生產(chǎn)工藝簡單、養(yǎng)護(hù)及開放交通時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[6]。但之前的工程應(yīng)用研究大多數(shù)以國外某品牌泡沫瀝青冷再生設(shè)備為基礎(chǔ)，而以國產(chǎn)成套設(shè)備為基礎(chǔ)、結(jié)合國內(nèi)具體工程項(xiàng)目對泡沫瀝青冷再生技術(shù)的應(yīng)用文獻(xiàn)報(bào)道不多。近年來，國內(nèi)某工程機(jī)械公司通過對國外泡沫瀝青設(shè)備分析與借鑒，研發(fā)了我國第1臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的泡沫瀝青冷再生設(shè)備—XCL300R(圖1)，并首次在渝西地區(qū)S209省道路面改造工程中投入使用。

圖1 XCL300R泡沫瀝青冷再生設(shè)備

S209省道榮江路喻家溝至朱沱路段路面改造工程，以國產(chǎn)XCL300R設(shè)備為基礎(chǔ)，選用國產(chǎn)穩(wěn)定土攤鋪、壓實(shí)設(shè)備，組成以國產(chǎn)成套設(shè)備為基礎(chǔ)的泡沫瀝青冷再生機(jī)群，對該路段進(jìn)行8 cm的泡沫瀝青層施工，筆者基于XCL300R設(shè)備在該路段的應(yīng)用情況，重點(diǎn)對泡沫瀝青冷再生應(yīng)用過程中該設(shè)備的拌和參數(shù)進(jìn)行分析與評價(jià)。

1 項(xiàng)目概況與設(shè)備情況

1.1 項(xiàng)目概況

榮江路地處永川區(qū)，長江上游北岸，位于重慶西部，是聯(lián)系永川區(qū)、江津區(qū)的重要通道，全長18.661 km。該地區(qū)的氣候條件為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，平均氣溫為18.2 ℃，無霜期長，季風(fēng)氣候顯著，日照少，濕度大。主要的氣候?yàn)?zāi)害有干旱、洪澇、冰雹、連晴高溫等。近年來，受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懸约爸車a(chǎn)業(yè)規(guī)模的調(diào)整，重載交通及超載交通逐漸增加，路面經(jīng)過多年的使用，逐漸出現(xiàn)了各種類型的病害，如麻面、擁包、坑槽、沉降、網(wǎng)裂或龜裂等(圖2)。

圖2 路面病害情況

盡管有關(guān)部門針對這些病害進(jìn)行了多次修補(bǔ)，但效果不佳。由于原有的路面結(jié)構(gòu)承載力已無法滿足安全行車的要求，決定對該路段進(jìn)行翻新改造，該路段的原路面結(jié)構(gòu)形式及改造后的路面結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 改造前后的路面結(jié)構(gòu)形式

1.2 設(shè)備情況

本次泡沫瀝青冷再生采用的拌和設(shè)備為XCL300R，與維特根公司生產(chǎn)的廠拌冷再生設(shè)備相比，該設(shè)備將RAP料和粗細(xì)骨料分級投放、分級拌合，同時(shí)可生產(chǎn)各級配乳化瀝青冷再生混合料、水泥穩(wěn)定土混合料、級配碎石、二灰混合料等，完全滿足各等級公路、市政道路等施工工程的需要，不僅降低了工程造價(jià)，對路面施工也提供了明顯的便利。在生產(chǎn)泡沫瀝青混合料時(shí)，其主要工藝流程是：首先在一級拌和缸內(nèi)將RAP料、粗骨料、細(xì)集料等進(jìn)行預(yù)拌；通過1#皮帶輸送至二級攪拌缸后，摻入精確計(jì)量的水泥、水、泡沫瀝青進(jìn)行充分拌和；均勻度達(dá)到要求后，再通過2#皮帶將泡沫瀝青混合料輸送至運(yùn)料車，采用這種全新的二級攪拌技術(shù)，泡沫瀝青混合料能達(dá)到最佳的瀝青裹附效果。其基本設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 XCL-300R拌和設(shè)備參數(shù)

2 拌和技術(shù)機(jī)理分析

瀝青混合料的拌和機(jī)理可采用剪切混合、對流混合以及擴(kuò)散混合等3個(gè)方面進(jìn)行描述，首先在拌和時(shí)，不同組分的粒子之間產(chǎn)生相互滑動與碰撞，形成剪切混合；其次，不同粒徑的粒子在攪拌的作用下位置發(fā)生大幅度移動，形成環(huán)流，又使得不同粒徑的粒子相互混合形成對流混合；最后相鄰兩個(gè)粒子之間的相互位置發(fā)生改變，形成局部混合的擴(kuò)散混合，此類混合與對流混合相比，粒子的運(yùn)動速度要慢得多，但擴(kuò)散混合作用可以使形成的瀝青混合料更均勻。

3 原材料情況

3.1 舊路面銑刨料

采用整體銑刨法以5～7 m/min的銑刨速度將4 cm厚的細(xì)粒式瀝青混凝土和6 cm厚的中粒式瀝青混凝土進(jìn)行銑刨，并將其作為泡沫瀝青冷再生的主要原材料。將該舊料運(yùn)輸至拌合站后，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行取樣，以抽提、蒸餾、篩分等試驗(yàn)手段，對原路面材料的瀝青含量、級配情況進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，舊料的瀝青含量在3.5%～4.5%之間波動，主要原因是路面的破損程度不同，銑刨過后的舊料級配極度不均勻，若直接將此類舊料應(yīng)用到泡沫瀝青冷再生，不僅舊料的利用率降低，同時(shí)泡沫瀝青混合料的性能也會較差。因此，需對舊料進(jìn)行預(yù)處理，使舊料盡可能均勻，從而使舊料中的瀝青含量保持均勻，提高舊料的回收利用率以及泡沫瀝青混合料的性能。在處理過程中采取二次破碎篩分等手段，以舊料在各篩孔中的通過率為評價(jià)指標(biāo)，并繪制成曲線形式，試驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖3 舊路面材料的通過率

根據(jù)圖3分析，各通過率曲線基本接近于重合狀態(tài)，離散性較小，由此說明，經(jīng)過預(yù)處理后的舊料級配較均勻，此時(shí)舊料中的瀝青含量基本保持在4.2%～4.5%之間，滿足泡沫瀝青冷再生技術(shù)對舊料的高回收利用以及泡沫瀝青混合料的性能要求。

3.2 新集料

本次泡沫瀝青冷再生技術(shù)采用的新集料包括粒徑為10～25 mm的石灰?guī)r和粒徑為0～5 mm的機(jī)制砂，石灰?guī)r干燥且表面粗糙，機(jī)制砂顆粒潔凈、干燥、無風(fēng)化且具有適當(dāng)?shù)念w粒級配。根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對粗細(xì)集料的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 10～25 mm石灰?guī)r的試驗(yàn)結(jié)果

表4 0～5 mm機(jī)制砂的試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水 泥

水泥作為泡沫瀝青冷再生技術(shù)中的主要再生結(jié)合料，其摻入可以改善混合料的水穩(wěn)定性，對混合料的強(qiáng)度也具有積極作用[7]。在泡沫瀝青冷再生技術(shù)中，要求水泥疏松、干燥，無結(jié)塊、無受潮變質(zhì)等現(xiàn)象，并具有初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高等特點(diǎn)。因此，本次泡沫瀝青冷再生采用的水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，并根據(jù)規(guī)范要求對水泥的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 水泥技術(shù)指標(biāo)

3.4 泡沫瀝青

泡沫瀝青的性能評價(jià)指標(biāo)主要是膨脹率和半衰期[8]，采用70#A級瀝青，通過XLB10P發(fā)泡設(shè)備進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，最佳發(fā)泡用水量為2.5%，發(fā)泡溫度為160 ℃。根據(jù)JTG 5501—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求，當(dāng)采用泡沫瀝青冷再生技術(shù)時(shí)，膨脹率應(yīng)大于12倍，半衰期應(yīng)大于10 s，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 膨脹率及半衰期試驗(yàn)結(jié)果

4 配合比設(shè)計(jì)

基于對RAP材料的綜合路用性能分析，調(diào)整新舊材料的摻配比例，使混合料的合成級配滿足中粒式級配的要求，并且保證合成級配曲線平順、無鋸齒形轉(zhuǎn)折出現(xiàn)[9-10]，同時(shí)有足夠的0.075 mm篩孔通過率，以助于泡沫瀝青在混合料中均勻分散。通過對級配曲線的調(diào)整，確定RAP料、粗細(xì)集料的摻量比例為70%∶15%∶15%，繪制出合成級配曲線圖如圖4。該配合比條件下，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)以及重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到最佳瀝青用量為3%，水泥摻量為1.8%，外摻用水量為4.5%，通過驗(yàn)證分析，該配合比滿足泡沫瀝青冷再生技術(shù)的要求。

圖4 合成級配曲線

5 拌和技術(shù)分析

拌和是生產(chǎn)泡沫瀝青混合料的關(guān)鍵技術(shù)之一。在拌和過程中，混合料的性能主要依賴于設(shè)備情況、拌和頻率、拌和時(shí)間、拌和順序、瀝青以及水泥摻量等因素。因此，對各種影響因素展開分析，不僅對提高泡沫瀝青混合料的性能具有重要意義，而且能夠?yàn)楹罄m(xù)泡沫瀝青冷再生技術(shù)的應(yīng)用提供參考價(jià)值。

5.1 拌和頻率分析

泡沫瀝青混合料由舊路面材料(RAP)、粗細(xì)集料、礦粉、瀝青等多種物料組成，不同成分和不同粒徑的顆粒在拌和過程的中運(yùn)動速度對泡沫瀝青混合料性能具有較大的影響。由于泡沫瀝青的半衰期較短，且瀝青的冷卻速度較快，若采用較慢的拌和頻率，噴射出來的泡沫瀝青會形成絲狀或塊狀的物質(zhì)，從而無法與細(xì)集料或礦粉充分結(jié)合形成膠漿填充在濕冷骨料之間，導(dǎo)致混合料的性能變差；頻率越快，混合料之間的運(yùn)動速度也就越快，當(dāng)泡沫瀝青從發(fā)泡機(jī)內(nèi)噴射完成后，便可與拌和缸內(nèi)的混合料充分結(jié)合，從而形成較均勻的泡沫瀝青混合料。通過試驗(yàn)研究證明，拌和頻率宜控制在45～50 Hz之間。

5.2 拌和時(shí)間分析

在生產(chǎn)泡沫瀝青混合料時(shí)，一方面要保證混合料具有足夠的拌和時(shí)間，讓混合料達(dá)到均勻性要求；另一方面又要避免因長時(shí)間的拌和，導(dǎo)致工程進(jìn)度延緩和浪費(fèi)燃料等問題。根據(jù)規(guī)范要求，泡沫瀝青混合料的總拌和時(shí)間應(yīng)介于55～75 s之間。其中，RAP料、粗細(xì)集料、水泥和水之間的預(yù)拌和時(shí)間為15 s，使各種集料與礦粉或水泥相互混合，初步達(dá)到均勻一致的混合料，然后向初步拌和均勻后的混合料中噴射泡沫瀝青，設(shè)定55、60、65、70、75 s的拌和時(shí)間拌和，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拌和時(shí)間在55～65 s之間時(shí)，15 ℃劈裂強(qiáng)度值呈逐漸上升的趨勢，且最高上升6%。由此說明，在該拌和時(shí)間內(nèi)，泡沫瀝青與細(xì)集料或礦粉形成的膠漿并沒有充分將濕冷骨料之間的空隙填滿，從而導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度隨拌和時(shí)間的增加而增加。當(dāng)拌和時(shí)間達(dá)到65～75 s后，15 ℃劈裂強(qiáng)度增加的幅度較小，僅增加1%，由此說明，濕冷骨料之間的空隙基本上已被膠漿填充，當(dāng)拌和時(shí)間達(dá)到65 s后，延長拌和時(shí)間對混合料的性能影響較小。同時(shí)，拌和時(shí)間越長，設(shè)備消耗的燃油量越多，對環(huán)境造成的污染越大，工程進(jìn)度也會越慢。不同拌和時(shí)間下的15 ℃劈裂強(qiáng)度值結(jié)果見表7。

表7 不同拌和時(shí)間下的15 ℃劈裂強(qiáng)度值

5.3 拌和順序分析

通過查閱國內(nèi)外研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在拌和泡沫瀝青混合料時(shí)，水泥、水及泡沫瀝青摻入順序不同，泡沫瀝青混合料的性能也不同。保持拌和頻率和拌和時(shí)間不變，采用先向舊路面材料、新集料形成的混合料中摻入水泥和水，再噴入泡沫瀝青與先摻入泡沫瀝青、再摻入水泥和水兩種不同的拌和順序，將拌和均勻后的泡沫瀝青混合料進(jìn)行干濕劈裂試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)并分析。當(dāng)采用第1種拌和順序時(shí)，泡沫瀝青混合料的15 ℃劈裂強(qiáng)度、浸水24 h劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度均高于第2種拌和順序下的強(qiáng)度值。同時(shí)根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)泡沫瀝青冷再生技術(shù)應(yīng)用于中等交通等級的下面層時(shí)，15 ℃劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度應(yīng)分別大于0.5 MPa和0.4 MPa，干濕劈裂強(qiáng)度比與凍融劈裂強(qiáng)度比應(yīng)分別大于80%和70%。從表8、表9分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用第2種拌和順序時(shí)，各評價(jià)指標(biāo)均不符合規(guī)范要求。因此，宜采用第1種拌和順序進(jìn)行拌和。

表8 不同拌和順序下的干濕劈裂強(qiáng)度和強(qiáng)度比

表9 不同拌和順序下的凍融劈裂強(qiáng)度和強(qiáng)度比

5.4 瀝青的波動性影響分析

在室內(nèi)生產(chǎn)泡沫瀝青混合料的過程中，當(dāng)泡沫瀝青從發(fā)泡設(shè)備中噴灑到拌和缸內(nèi)時(shí)，一部分的瀝青殘留在發(fā)泡機(jī)的管道和噴嘴上，另一部分瀝青被噴灑到拌和缸的內(nèi)壁或攪拌器的葉片上，導(dǎo)致形成的泡沫瀝青混合料中的實(shí)際瀝青用量并未達(dá)到實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的3%。但分析泡沫瀝青混合料的性能時(shí)，是基于最佳瀝青用量為3%時(shí)的混合料性能，與實(shí)際上的最佳瀝青用量存在著一定的差異性。這種差異性的產(chǎn)生，對泡沫瀝青混合料性能的分析也存在較大的影響?；诘?種拌和順序的條件，拌和時(shí)間與拌和頻率以及其它組分的摻量不變的前提下。針對3%±0.2%的瀝青用量進(jìn)行生產(chǎn)泡沫瀝青混合料，根據(jù)表10、表11試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油石比為2.8%時(shí)，15 ℃劈裂強(qiáng)度的平均值與凍融劈裂強(qiáng)度平均值均比規(guī)范值要低，當(dāng)采用的油石比為3%時(shí)，各試驗(yàn)值均能達(dá)到規(guī)范要求，但在油石比為3%的基礎(chǔ)上增加0.2%后，泡沫瀝青混合料的性能具有明顯提高。因此，在泡沫瀝青混合料的拌和過程中，適當(dāng)將瀝青用量提高0.1%～0.2%，對改善混合料的性能具有積極的效果。

表10 干濕劈裂強(qiáng)度及強(qiáng)度比

表11 凍融劈裂強(qiáng)度及強(qiáng)度比

5.5 不同水泥摻量分析

向泡沫瀝青混合料中摻入水泥不僅能使混合料的強(qiáng)度提高，同時(shí)還能改善泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性及耐久性等。但是水泥摻量過多，在溫度、氣候及車輛荷載作用下，路面易出現(xiàn)不同類型的裂縫問題，水泥摻量過少，強(qiáng)度無法滿足要求。為了研究泡沫瀝青混合料中最佳水泥摻量，在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，保持拌和頻率、拌和時(shí)間、拌和順序、瀝青摻量不變，分別向混合料中摻入1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%的水泥。根據(jù)表12、表13的結(jié)果分析，摻入水泥后，泡沫瀝青混合料的15 ℃劈裂強(qiáng)度以及25 ℃劈裂強(qiáng)度呈逐漸增加的趨勢。由此說明，水泥對提高泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度以及改善水穩(wěn)定性能具有明顯作用，但當(dāng)水泥摻量從1.5%增加到2.4%后，其浸水24 h劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比和凍融劈裂強(qiáng)度比均在減小。因此，最佳水泥摻量應(yīng)控制在1.5%～2.4%的范圍內(nèi)。規(guī)范要求，當(dāng)向泡沫瀝青混合料中摻入水泥時(shí)，宜不少于1.5%，不超過1.8%。因此，從強(qiáng)度方面考慮，摻入1.8%的水泥對提升泡沫瀝青混合料的性能更好。

表12 干濕劈裂強(qiáng)度及強(qiáng)度比

表13 凍融劈裂強(qiáng)度及強(qiáng)度比

5.6 綜合性能分析與評價(jià)

基于以上研究確定的拌和參數(shù)條件，采用15 ℃劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比、凍融劈裂強(qiáng)度比以及60 ℃動穩(wěn)定度對泡沫瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評價(jià)，結(jié)果見表14。

表14 泡沫瀝青混合料的性能評價(jià)

從表14的試驗(yàn)結(jié)果可知，15 ℃劈裂強(qiáng)度為1.08 MPa,干濕劈裂強(qiáng)度比為117%，凍融劈裂強(qiáng)度為0.68 MPa，凍融劈裂強(qiáng)度比為93%，60 ℃動穩(wěn)定度達(dá)到10 676次/min，且變異系數(shù)為15.94%，由此說明，該泡沫瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及高溫穩(wěn)定性較好。

6 結(jié) 論

1)在拌和泡沫瀝青混合料時(shí)，采用高頻拌和有利于泡沫瀝青與細(xì)集料或礦粉形成的膠漿充分填充在濕冷骨料的縫隙之間，提高泡沫瀝青混合料的性能。

2)泡沫瀝青混合料的拌和時(shí)間應(yīng)通過拌和系統(tǒng)嚴(yán)格控制，應(yīng)避免拌和時(shí)間過短，泡沫瀝青無法將骨料裹覆均勻，使泡沫瀝青混合料性能降低。同時(shí)，應(yīng)避免拌和時(shí)間過長，延緩工程進(jìn)度，消耗過多燃料，對環(huán)境造成污染。

3)對泡沫瀝青混合料進(jìn)行拌和時(shí)，結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用，分析了兩種不同的拌和順序?qū)ε菽瓰r青混合料性能的影響情況。拌和順序不同，泡沫瀝青混合料的性能也不同，因此，在拌和過程中水泥和水、泡沫瀝青的摻入順序應(yīng)得到重視。

4)在拌和過程中應(yīng)適當(dāng)將油石比增加0.1%～0.2%，有利于瀝青用量始終保持在最佳油石比附近，使泡沫瀝青混合料保持最佳狀態(tài)。

5)通過對水泥摻量的研究分析，水泥用量增多，泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度也會相應(yīng)提高，但為了減少路面在使用過程中出現(xiàn)裂縫，應(yīng)嚴(yán)格控制水泥摻量。