我国泡沫沥青冷再生技术的研究与应用

我国泡沫沥青冷再生技术的研究与应用1、我国公路建设面临的新形式改革开放以来的20年，是中国公路历史上交通发展速度最快，规模最大，最具活力的时期。自1988年沈大高速公路建成通车以来，中国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的新时代。自1998年以阿里，中国已经持续4年每年超过2000亿元的投资用于公路建设，2002年达到了3211.73亿元。高速公路里程，1989年全国仅为27公里，到1999年突破1万公里，到2002年突破2万公里，2003年已经超过3万公里，2004年超过4.3公里，到2005年将突破5万公里[1]。在已建成的高速公路沥青路面中，大部分的使用情况是比较好的。但是多年来许多沥青路面发生严重的早期病害。一种是沥青路面建成不久，在当年或者2～3年，沥青路面就发生不同程度的车辙、坑槽、网裂，许多属于水损坏或伴随着疲劳产生的损坏。另一类早期损坏是指普遍达不到路面设计要求的设计年限（大部分是15年），更不能与国际上的设计年限30～50年相比，充其量7～8年，或者10年左右就必须大修，而且这种大修是经常是“开膛破肚”式的，不仅仅对沥青面层维修，还必须同时维修基层甚至是底基层。这种大修不仅成本很高，而且严重影响正常的交通，在工程所在地造成不良的影响[2]。长期以来人们普遍认为半刚性基层的最大的优点是板体性强，有很高的承载力。我们一直在充分利用它的优点，但是对它的缺点却不重视。半刚性基层在其优点的背后，也有不少缺点，有些是无法克服的。（1）半刚性基层的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射裂缝程度不同的存在；（2）半刚性基层非常致密，它基本上是不透水或者渗水很差的材料。水从各种途径进入路密并达到基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层界面扩散、积聚。界面上水的存在改变了边界条件，使路面的受力状态变得十分不利，成为导致路面破坏的直接原因；（3）半刚性基层1沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性；（4）半刚性基层损坏后没有愈合的能力，且无法进行修补。基层一旦破坏，便无法救药，除了挖除重建，别无它法。这就引发人们开始思考，为什么在国际上发达国家很少采用半刚性基层沥青路面这种结构，除了造价一个因素外，在技术上也不得不从新考虑这一问题。另一个方面，进入21世纪以来，随着许多高等级公路进入维修养护和改造阶段，每年约有12%的路面要大修，初步估计每年沥青路面废弃量220万吨。如何对这些物料采用再生技术进行回收，用于路面新建或路面维修工程，既有利于环保，又可节约大量投资（可节省材料费约数亿元）。尤其是在西部地区，大量的旧路面材料再生利用，对于减少污染，保持水土，以较少的投资修筑更多的公路，具有重要意义。为了解决上述我国道路建设即将面临的迫切问题，一方面希望开发一种新型道路基层解决半刚性基层沥青路面结构带来的问题，能够有效避免发生早期病害；同时又能解决大量路面材料废弃后造成的污染问题。这时我们发现泡沫沥青作为一种新型道路材料已经引起许多国家道路届的重视。我国幅员辽阔，南北、东西温差大，但我国目前的高速公路的结构形式过于单一，很难适应在不同气候环境下的使用要求。因此，发展适应不同气候条件和交通条件的路面结构应是我国公路工作者的重要任务。改变半刚性基层一统天下的局面，丰富高速公路的结构形式，有利于公路工作者根据实际情况选择合适的路面结构形式，对我国的公路建设水平上一个新台阶有重要意义。在沥青路面结构问题上，我们也要放眼世界，在全厚式路面尚缺乏条件的1情况下，采用沥青稳定再生料的柔性基层是一个非常有潜力的发展方向，因为这类材料属于柔性材料，具有柔性基层的优点；同时它又可以旧料再生，节约资源和成本，加之近年大型养护设备的发展，势必推动筑路技术的革新，因此对这类材料使用性能、设计方法研究，具有重要意义。2、泡沫沥青的原理与泡沫沥青混合料的特点2.1、泡沫沥青的原理沥青发泡的基本过程，如图所示。当冷水滴（环境温度）与高温沥青（140℃以上）接触时，将发生以下连锁反应：热沥青与小水滴表面发生热量（能量）交换，使水滴加热至100℃，同时沥青冷却；沥青传递的热量超过了蒸汽潜热，导致体积膨胀，产生蒸汽。膨胀腔里的蒸汽泡在一定压力下压入沥青的连续相；随着融有大量蒸汽泡的沥青从喷嘴喷出，压缩蒸汽膨胀使略微变凉的沥青形成薄膜状，并依靠薄膜的表面张力将气泡完全裹覆；在膨胀过程中，沥青膜产生的表面张力抵抗蒸汽压力直到一种平衡状态，由于沥青与水的低导热性，这种平衡一般能够维持数秒的时间；发泡过程中产生的大量气泡以一种亚稳态的形式存在，泡沫将会逐渐破灭。处于泡沫状态的沥青与高速搅拌状态下的冷湿集料具有很好的裹覆性能，并且这种裹覆作用在常温下只针对集料中的一定粒径的细集料，通过裹覆这些细料形成高粘度的沥青胶浆，并在压实作用下粘结粗集料形成强度。2.1、泡沫沥青混合料的特点以下是国外应用泡沫沥青修筑道路总结的有关优点[3]：（1）泡沫沥青混合料增加了粒料的剪切强度，降低了水敏感性。泡沫沥青混合料的强度特征接近水泥、石灰等稳定料（半刚性材料），但其具有柔性性质和良好的抗疲劳特性，用其取代半刚性材料铺筑道路的基层可以有效的减少反射裂缝；（2）泡沫沥青混合料拌好后可以立即压实，压实结束即可开放交通，尤其在城市道路维修中，可以明显减少对繁忙道路的交通影响；（3）拌制泡沫沥青混合料，只需将沥青加热，而集料是在冷、湿状态下与泡沫沥青拌合，可以节省大量的资源，因此泡沫沥青混合料是一种经济、环保的道路材料；图1沥青发泡原理（4）泡沫沥青混合料可以长期储存（最长可至1个月），而不用担心发生离析现象，这样可以方便的应用于道路的日常维修；（5）由于泡沫沥青可以和冷、湿集料良好的粘结，因此它可以在阴雨等不利天气下进行正常施工，而不会影响施工层的质量；（6）可以用于泡沫沥青稳定的集料范围较广，可以是高质量的碎石，低等级的砂石料、矿渣，破碎的沥青混凝土回收料RAP（recycledasphaltpavement）等,因此可以根据实际施工条件就地取材。同时在研究和实践中也发现了以下不足：（1）沥青只有在高温下才能产生泡沫，因此沥青需要较高的使用和储存温度，这样会给施工带来不利因素，如有时需要专用的保温和加热设备，安全等问题。（2）生产泡沫沥青需要专用的发泡设备，目前只有少数的几家国外公司掌握该技术；（3）泡沫沥青只能裹覆含足够细料含量的集料，因此对于稳定多数沥青铣刨料时，都需要添加一定的细集料。（4）由于泡沫沥青稳定技术在国外也属于新技术，虽已有许多工程应用，但是相关的研2究相对落后，还没有十分成熟的规范，因此可以借鉴的成果较少。表1不同类型沥青的应用比较因素乳化沥青泡沫沥青热拌沥青使用集料类型碎石天然砂砾RAP，冷混合料RAP，稳定碎石天然砂砾RAP砂碎石0～50%的RAP沥青拌和温度20～70ºC160～180ºC（发泡前）140～180ºC拌和过程中集料的温度环境温度（冷的）环境温度（冷的）只能热（140～200ºC）拌和过程中的含水量90%的OMC去掉50%的乳液用量低于OMC例如65%~90%的OMC干燥的集料的裹覆类型部分裹覆粗集料，沥青/细料胶浆形成混合料的粘结只裹覆细集料，沥青/细料胶浆在混合料中形成“点焊”形式所有集料颗粒被裹覆，沥青膜的厚度可以控制施工和压实温度环境温度环境温度140～160ºC初期强度增长速度慢的中等快的改性粘结料可以不适合可以粘结料的重要参数乳液类型（阴型或阳型）残留沥青破乳时间养生半衰期膨胀率针入度软化点粘度3、国内的研究现状1991年山西省阳泉市市政工程养护管理处对泡沫沥青技术进行了尝试性研究，当时利用泡沫沥青技术是为了增加沥青与石料的裹覆性能，减少沥青用量。由于当时设备所限，发泡效果不好，并使用了发泡剂，即使这样发泡倍数也只有6～12倍。1992年沈阳市政工程设计研究院，开展了泡沫沥青的有关研究，自主开发了发泡设备，并对泡沫沥青混合料和普通沥青混合料进行了比较，认为泡沫沥青混合料的主要技术指标完全能达到普通沥青混凝土的标准，可降低10%的沥青用量。当时的研究，虽然开发了发泡设备，但是设备过于简单，即使使用发泡剂所得发泡效果也不理想。并且当时将泡沫沥青和普通沥青性质进行比较，而忽视了泡沫沥青其实只是瞬态的产物，它只发生物理性质的变化，因此泡沫沥青不算是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用所带来的产物。当时也没有考虑将泡沫沥青用于冷再生。国内对泡沫沥青冷再生技术进行系统研究是起源于同济大学。并通过3年的研究，获得了一定的成果，研究包括沥青发泡原理的研究；泡沫沥青混合料物理力学性能研究；泡沫沥青混合料水稳性的研究；泡沫沥青混合料的储存特性的研究；泡沫沥青混合料疲劳性能的研究等。作为国内众多试验路段的合作和支持单位，在积累实践经验的同时，也积极的将其中一些重要研究成果已经成功应用于实践当中。4、国内的应用现状3在过去的2年里，随着我国许多道路进入维修期，以及人们对环保意识的不断增强，国内不少单位已经开始铺筑了泡沫沥青冷再生试验路，其中包括一些高速公路，有关这些试验道路的信息如表2所示。从表中可以看出：（1）泡沫沥青再生主要用于公路的大修，这是因为使用泡沫沥青稳定旧路更具有环保性、经济性的优点；（2）就再生方式来讲，高速公路通常采用厂拌再生，国道、省道等道路通常采用就地再生。由于厂拌再生可以在旧料再生前进行预处理，例如预先破碎等，不仅可以去除超粒径材料，还可以使得集料更加规格，富有棱角性，如图1.5所示。同时由于材料拌和时采用强制拌和这样也会使得泡沫沥青分散的更加均匀，材料品质更为稳定。与就地再生相比，这种再生方式造价较高，工序较为复杂。（3）从路面结构形式上看，主要是用于基层，厚度在15～25cm，泡沫沥青用量在2.5~3.5%之间。设计时由于考虑到泡沫沥青稳定材料属于柔性材料，其强度和抗疲劳等性质接近粗粒式沥青混合料，因此其热沥青罩面层的厚度可以适当减小，从而可以使得总的路面造价降低。基于此，西宝高速和孝襄、太旧的部分试验路段采用了减薄沥青面层的作法。（4）多数试验路段的路面结构也体现了组合式基层的设计理念，即把半刚性基层（或是再生后剩下的部分基层）往下放，只起到底基层的作用，这样可以使半刚性基层的拉应变减小，受温度、水分等环境的影响也减小，从各方面讲对防止反射裂缝有好处，而且成本会有所降低。图2破碎前后的铣刨材料表2最近两年在我国铺筑的泡沫沥青再生试验路时间名称再生方式结构泡沫沥青配合比长度（km）道路类型2004.7无锡锡宅路就地5cm沥青＋15cm泡沫沥青2.5%泡沫沥青；1.5%水泥；70%铣刨料；28.5%石屑0.6升级改造2004.11河北廊坊三河就地5cm沥青＋20cm泡沫沥青3.5%泡沫沥青；2.0%水泥0.5升级改造2005.4陕西西宝高速公路厂拌10cm（6＋4）沥青＋26cm泡沫沥青2.5%泡沫沥青；2.0%水泥；28%石屑；70%铣刨料2.0大修4铣刨料2005.5太旧高速公路厂拌(1)19cm（9＋6＋4）沥青＋20cm泡沫沥青(2)10cm（6＋4）沥青＋15cm泡沫沥青＋14cm水稳2.5%泡沫沥青；1.5%水泥；13.5%石屑；85%铣刨料2.0大修2005.6上海宝山区海江路厂拌3cm沥青＋9cm泡沫沥青2.5%泡沫沥青；1.5%水泥；28.5%石屑；70%铣刨料0.3城市道路维修2005.7湖北孝襄高速公路厂拌(1)18cm（4＋6＋8）沥青＋20cm泡沫沥青(2)10cm（4＋6）沥青＋28cm泡沫沥青2.5%泡沫沥青＋1.5%水泥；13.5%石屑；85%铣刨料2.1新建路面2005.9广东佛山328国道就地7cm（3＋4）沥青＋12cm泡沫沥青2.5%泡沫沥青；1.5%水泥；70%铣刨料；28.5%石屑0.6大修2005.10江苏省道无锡段月双线就地4cm沥青＋25cm泡沫沥青2.5%泡沫沥青；1.5%水泥；80%铣刨料；18.5%石屑0.5大修同济大学拾方治5