泡沫沥青冷再生技术研究

分项给大家一个不常用的技术但是有前景的技术。
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（本文发表在《中国公路》2009年第五期，作者单位为：河北省廊坊市公路管理处)） ，在此感谢。

沥青路面冷再生技术，是将旧沥青路面用大功率路面铣刨拌和机将路面混合料在原路面上就地铣刨、翻挖、破碎，再加入稳定剂、水和新集料等按一定比例重新就地拌和，最后碾压成型，使之能够满足一定的路用性能的一套工艺技术。
　　由于冷再生技术是对现有路面材料的完全利用，掺加的新材料用量很少，极大的降低了能源的消耗，节约大量土地、矿产资源，有利于保护生态环境；而且施工周期短，路面使用性能改善明显，越来越受到世界各国的重视。我国90年代初期大量建设的高速公路、一级公路网，很多现已进入大修阶段，如何增加现有资金的投资有效性，再生施工技术成为了首选，近年来我国大量从国外引进施工机械和技术，开始沥青路面冷再生技术的研究应用。2005年4月在廊坊进行了冷再生试验工作，对冷再生混合料进行了大量的研究，对其路用性能进行了深入的分析。
　　2 泡沫沥青冷再生稳定剂
　　冷再生技术所选用的稳定剂有多种，最常使用的有水泥、乳化沥青、泡沫沥青等。选用稳定剂的原则主要是考虑价格、使用后的效果以及是否方便易得三个因素。
　　水泥处理后混合料获得强度主要取决于添加水泥的剂量，因此提高强度的同时会使材料的脆性增加，随之也降低了稳定层的抗疲劳性能，在重复荷载作用下路面会出现裂缝并逐步扩散，这并不是路面所要求的。沥青稳定材料不仅没有水泥稳定材料所特有的收缩裂缝，而且可以在施工后立即开放交通，所以近年来，以乳化沥青和发泡沥青为代表的沥青类稳定剂日益受到重视。
　　由于泡沫沥青与乳化沥青相比较，泡沫沥青仅需要普通路用沥青和少量的水，所以更加方便易得，且成本更低，因此其前景更为广阔。在此次试验中采用了泡沫沥青作为稳定剂，对其进行了基础试验研究工作。向热沥青中加入少量水，使沥青发泡，增加沥青表面积，降低沥青粘度，在这种状态下，它可以与冷的湿集料均匀拌和。将泡沫沥青作为冷的粘结剂使用是由美国Ladis Csanyi教授于1956年提出来的，后来美孚公司取得发明专利，改善了此项技术。90年代中期，维特根公司在此基础上发展了将空气和水注入沥青进行发泡的发泡室。其原理如图1所示。
　　在国内对泡沫沥青冷再生混合料的要求及试验方法还没有规程、规范，因此根据其特点，参照国外经验，制定了详尽的试验方法和要求指标，进行了泡沫沥青性能试验和混合料无侧限抗压强度、间接抗拉劈裂等试验，从而确定此种施工工艺实验方法和技术参数。
　　3泡沫沥青性能研究
　　3.1影响泡沫沥青性能的因素
　　泡沫沥青性能通常用膨胀比和半衰期来表示。膨胀比指沥青在泡沫状态所达到的最大体积和发泡结束后的体积之比。半衰期是指泡沫沥青从最大体积缩减至一半所经过的时间。其性能受沥青本身特性、沥青温度、发泡用水量以及沥青的喷射压力等因素影响。
　　试验中采用盘锦产鹿牌道路用重交通石油沥青AH-70，在沥青喷射压力一定的条件下，进行了其性能与沥青温度和发泡用水量关系的试验。沥青在160℃和140℃情况下，采用不同的发泡用水量分别进行了试验，测试其膨胀比和半衰期等指标，其结果如表1所示。根据表1数据绘制图2。根据表1和图2结果判断，沥青温度越高，其性能越好；加水量越高，膨胀比越大，但半衰期会缩短。

　　3.2沥青发泡最佳用水量
　　根据表1的数据，分别绘制发泡用水量与膨胀比关系图3和发泡用水量与半衰期关系图4。

　　从图表中可以看出，膨胀比随着用水量的增加而增长，半衰期则随着相应降低。而我们所需要的泡沫沥青最佳的状态是膨胀比较大，半衰期较长，有利于沥青均匀分布在混合料中的状态。无论取高膨胀比或长半衰期，都不如二者都适当时效果好，有利于拌和。因此发泡沥青性能最佳用水量是在一定温度下，兼顾半衰期与膨胀比，取二者值均较大时的发泡用水量。根据图2和图3试验结果判断，此种沥青在160℃条件下最佳用水量为2%。
　　4 泡沫沥青冷再生混合料级配设计
　　现场路面铣刨后，其材料分析结果见表2。由经验可知，缺少细料的材料，拌和效果会很差。当材料中的细料不足时，泡沫沥青不能均匀散布，形成油料块，油料块的大小与细料缺乏程度有关。细料缺乏较多，形成的大油料块会在骨料之间起到润滑作用，降低混合料的强度和稳定性。通常要求0.075mm筛的通过率不低于5%。
　　根据筛分结果，经过计算，掺加2%的水泥后，0.075mm筛的通过率达到4.5%，合成结果见表2。参照《公路路面基层施工技术规范》中基层材料的级配要求，合成级配基本满足要求。只有31.5的筛孔通过率达不到100%的要求，这与原路面结构级配有关，考虑到冷再生的意义，决定不再掺加新的集料，采用此结果进行下一步的试验工作。

　　5 泡沫沥青混合料力学性能研究
　　泡沫沥青冷再生后的混合料其外观并不是黑色的，粗集料没有被沥青所裹覆，不受沥青影响。泡沫沥青与集料接触时，瞬间会发生破裂，形成无数的沥青小点，包裹、粘结混合料中的粉料（指小于0.075mm部分）。这些粉料与沥青结合后，在粗骨料之间起到填充、粘结作用。由于其特殊的强度形成机理，使其不同于热拌沥青混合料和其它沥青类材料，因此采用常规的马歇尔稳定度试验测试其力学性能是不适宜的。试验中根据国内对基层强度的要求和国外的规程，进行了无侧限抗压试验和间接抗拉劈裂试验。
　　5.1间接抗拉强度试验
　　试件成型采用标准马歇尔方法，每面各击75次。脱模后，在40℃通风烘箱中养生72小时。泡沫沥青选用1.5%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%四个用量，试件分为两组，一组做常温25℃劈裂试验，另一组养生结束后在25℃水中饱水24小时后测定其劈裂强度。试验结果见表3。根据试验结果绘制图5和图6。

　　5.2无侧限抗压强度试验
　　根据马歇尔试件测定的各个发泡沥青用量混合料的密度，制备15cm×15cm无侧限试件，室温20℃干燥养生7天，饱水24小时测定其无侧限抗压强度，结果见表4。

　　根据劈裂试验和无侧限抗压试验结果，从图5、图6及图7可以分析得出：间接抗拉试验和无侧限抗压试验具有相似的规律性。间接抗拉强度和无侧限抗压强度均具有峰值，峰值共同指向2%的泡沫沥青用量。
　　2%泡沫沥青用量得到的混合料残留强度最大。根据以上三点，可以确定该种混合料最佳泡沫沥青用量应为2%。
　　5.3延迟试验
　　根据以上确定的最佳泡沫沥青用量（2%），延迟试件成型时间对其强度的影响，制取试件三组，延迟时间分别为30分钟、8小时、24小时，试验过程中采用塑料袋密封拌和好的混合料方法，防止水分散失，确保其具有相同的含水量。采用上述养生方法，测定其间接抗拉强度，测试结果见表5。

　　（1）2%发泡沥青用量的劈裂强度试验结果与前面判断相吻合，证明了前面试验结果及其判断的准确性，即2%的泡沫沥青用量为最佳用量。
　　（2）延迟24小时制件，其劈裂强度与残留强度并未明显衰减。说明在混合料中加入的水泥并未提高其强度，只起到了粉料粘附沥青作用。因此在施工中完全可以在保证水分的情况下，适当延长碾压成型时间。
　　6 总结
　　冷再生技术最根本的出发点，是充分利用原有材料，就地再生后满足一定的路面技术要求，因此在此试验中并未对破碎后的原路面材料掺加其它集料进行严格配比，以求施工工艺的简单，体现冷再生技术的优势。由于不同地区、不同路线的原由路面结构不同，因此冷再生设计的结果也必不相同，在此只是通过泡沫沥青性能和其混合料性能研究，提供泡沫沥青及其冷再生混合料配比设计的一种思路，供同行借鉴。
　　按照沥青的设计寿命（15－20年），我国在90年代陆续建成的高速公路已进入维修期，从现在起，每年有12%的沥青路面需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年220万吨，充分利用，每年可节省材料费3.5亿人民币，而这个数字将以每年15%的速度增长。10年以后，沥青路面的大、中修产生的旧沥青混合料将达到1000万吨，届时再生利用每年可节约材料费15亿元。如果沥青混凝土层翻挖后全部废弃掉，不仅浪费了资源，也会对环境造成严重的污染。冷再生技术节约资源，保护生态环境，符合可持续发展观的要求；另外，施工工艺对环境污染小，开放交通早，其社会效益无法估量，应用前景广大。
　　（本文发表在《中国公路》2009年第五期，作者单位为：河北省廊坊市公路管理处)）