郭小宏，王文炆，黃維蓉，王金橋，趙勁松，陳言國

(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.重慶市永川區(qū)暢恒交通建設(shè)投資有限公司，重慶 402160； 5.徐州工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

2005年4月，西寶高速公路武功縣境內(nèi)修筑了一段1.5 km長的泡沫瀝青冷再生試驗(yàn)段，揭開了泡沫瀝青冷再生技術(shù)在中國國內(nèi)高速公路大中修工程中成功應(yīng)用的序幕[1]。自此以后，泡沫瀝青冷再生技術(shù)在國內(nèi)受到的關(guān)注日益增加。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：第一、工程實(shí)用性強(qiáng)，施工過程受環(huán)境影響因素小，陰雨天亦可施工，養(yǎng)生時(shí)間短；第二、經(jīng)濟(jì)效益高，泡沫瀝青冷再生舊料利用率高，能耗低[2-4]。瀝青發(fā)泡裝置是泡沫瀝青再生技術(shù)中極為關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備，其性能的好壞將直接影響泡沫瀝青混合料的性能[5-6]。

雖然泡沫瀝青冷再生技術(shù)在中國發(fā)展已有20年左右的時(shí)間，但室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場施工所使用的設(shè)備大多來自于進(jìn)口設(shè)備，如某公司生產(chǎn)的WLB10試驗(yàn)發(fā)泡機(jī)。中國有企業(yè)通過學(xué)習(xí)和研究生產(chǎn)了國內(nèi)首臺集生產(chǎn)泡沫瀝青冷再生混合料、水泥穩(wěn)定土、級配碎石和二灰混合料于一身的冷再生設(shè)備——XCL300R。本文以重慶市永川區(qū)境內(nèi)S209省道改造工程為依托，首次通過國產(chǎn)瀝青發(fā)泡設(shè)備進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)、試驗(yàn)段施工及現(xiàn)場檢測，對國產(chǎn)泡沫瀝青冷再生設(shè)備首次在西南地區(qū)普通公路中的應(yīng)用效果進(jìn)行評價(jià)。

圖1 瀝青發(fā)泡機(jī)

圖2 發(fā)泡試驗(yàn)

1 泡沫瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)

瀝青的發(fā)泡效果將直接影響泡沫瀝青混合料的性能，所以發(fā)泡是十分重要的環(huán)節(jié)。評價(jià)瀝青的發(fā)泡效果主要根據(jù)其膨脹率和半衰期，《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)中對泡沫瀝青的技術(shù)要求為，膨脹率≥10倍，半衰期≥8 s。此次室內(nèi)試驗(yàn)采用國產(chǎn)XLB10P型瀝青發(fā)泡機(jī)，如圖1所示。瀝青采用70#石油瀝青。試驗(yàn)溫度選定為140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃，每種溫度下對應(yīng)的含水量為1.5%、2%、2.5%、3%(占泡沫瀝青質(zhì)量百分比)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，膨脹率、用水量和溫度正相關(guān)，半衰期、用水量和溫度負(fù)相關(guān)，這與之前其他學(xué)者所做的試驗(yàn)結(jié)果一致。通過對比幾組試驗(yàn)，選定溫度為160 ℃，摻水量為3%作為瀝青發(fā)泡的最佳發(fā)泡條件，相應(yīng)的膨脹率平均值為11.3倍，半衰期平均值為11 s。經(jīng)室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)確定該機(jī)械的發(fā)泡效果良好，膨脹率及半衰期關(guān)系明顯且都滿足規(guī)范要求。

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)所確定的其他參數(shù)

1.2.1 級配

合成級配時(shí)根據(jù)規(guī)范《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)選用中粒式級配。最終的合成級配如圖3所示。

圖3 合成級配

1.2.2 最佳含水率

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中規(guī)定的擊實(shí)試驗(yàn)確定泡沫瀝青混合料的最佳外摻水量為4.5%。

1.2.3 最佳泡沫瀝青用量

試驗(yàn)采用7種泡沫瀝青用量分別為：2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%進(jìn)行試驗(yàn),水泥含量采用規(guī)范推薦的1.5%。將各集料按合成級配比例稱量、攪拌均勻后加入泡沫瀝青拌和均勻，按《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)制作、養(yǎng)護(hù)馬歇爾試件，試件養(yǎng)護(hù)完成后按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)確定最佳泡沫瀝青摻量為3%。

在泡沫瀝青混合料室內(nèi)拌制階段，泡沫瀝青性能穩(wěn)定，但由于瀝青發(fā)泡機(jī)缺少拌和裝置，室內(nèi)試驗(yàn)只有采用人工拌和，導(dǎo)致混合料均勻性及力學(xué)性能受到影響。

2 試驗(yàn)段施工

2.1 項(xiàng)目概況

該試驗(yàn)段位于重慶市永川區(qū)境內(nèi)，常年雨量充沛，濕度大，夏天易出現(xiàn)連晴高溫，對路面的水穩(wěn)性及高溫性有較高的要求。原路面結(jié)構(gòu)層組合型式為：4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+20 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石底基層。經(jīng)現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)該路段所發(fā)生的病害多為龜裂、車轍、坑槽及裂縫，且龜裂及車轍情況較為嚴(yán)重。

改建方案如下：將原路面10 cm面層用銑刨機(jī)一次性去除，將RAP回收且加工處理后用于泡沫瀝青混合料的生產(chǎn)，泡沫瀝青冷再生層上加鋪2層瀝青混合料。具體路面結(jié)構(gòu)更改為：4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm泡沫瀝青冷再生層+20 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石基層。

2.2 泡沫瀝青混合料的生產(chǎn)

使用XCL300R泡沫瀝青廠拌冷再生設(shè)備生產(chǎn)泡沫瀝青混合料，設(shè)備如圖4所示。通過現(xiàn)場檢測，泡沫瀝青的技術(shù)性能滿足規(guī)范要求，發(fā)泡指標(biāo)與室內(nèi)試驗(yàn)所確定的結(jié)果一致。生產(chǎn)時(shí)通過鏟運(yùn)機(jī)將預(yù)處理的RAP，粗骨料、石屑加入到指定料倉，通過精確控制系統(tǒng)自動放料，經(jīng)傳送帶運(yùn)輸至一級攪拌缸，同時(shí)加入水泥、水進(jìn)行拌和，經(jīng)連續(xù)式攪拌設(shè)備將集料運(yùn)送至二級攪拌缸，同時(shí)噴入泡沫瀝青進(jìn)行攪拌，攪拌完成后經(jīng)傳送帶運(yùn)輸至儲存?zhèn)}，經(jīng)自卸車運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。

圖4 XCL300R型泡沫瀝青冷再生設(shè)備

在施工過程中出現(xiàn)連續(xù)多輛自卸車中的泡沫瀝青混合料離析。且攤鋪后在攤鋪前進(jìn)方向右側(cè)出現(xiàn)規(guī)律性的單側(cè)離析，離析程度較嚴(yán)重，如圖5所示。經(jīng)分析后認(rèn)為：當(dāng)集料在傳送帶上時(shí)物體與傳送帶處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)集料脫離傳送帶時(shí)做斜上拋運(yùn)動，運(yùn)動過程與集料質(zhì)量皆無關(guān)，當(dāng)粗、細(xì)集料下落時(shí)合速度相等。根據(jù)動能定理

圖5 單側(cè)離析

式中：A為動能的改變量；F為集料落地時(shí)受到的摩擦阻力；m為集料的質(zhì)量；v1、v2分別為集料的初速度與末速度。

離析的混合料在攤鋪時(shí)受螺旋分料器作用向道路兩側(cè)分散，其中大粒料受內(nèi)、外摩擦力作用容易被送往螺旋兩外側(cè)，且攤鋪寬度越大，離析越嚴(yán)重[7]，更加劇了單側(cè)離析。

針對單側(cè)離析采取以下兩點(diǎn)措施進(jìn)行調(diào)整：一是降低傳送帶速度；二是在傳送帶端口適當(dāng)位置設(shè)置擋板，當(dāng)集料下落時(shí)通過防止混合料出現(xiàn)單側(cè)離析。但降低傳送帶運(yùn)行速度的弊端是工程進(jìn)度將會受影響。

2.3 攤鋪

泡沫瀝青混合料經(jīng)自卸車運(yùn)至現(xiàn)場由RP903攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)，攤鋪系數(shù)暫定為1.3。經(jīng)試驗(yàn)段壓實(shí)后計(jì)算實(shí)際攤鋪系數(shù)。首次攤鋪過程中便遇到十分棘手的問題——攤鋪裂紋，如圖6(a)所示。經(jīng)壓路機(jī)碾壓后裂紋仍然存在，類似于病害中的龜裂，如圖6(b)所示。出現(xiàn)裂縫將會大大降低泡沫瀝青層的承載能力。

從外觀上觀察細(xì)集料與泡沫瀝青形成的“點(diǎn)焊狀”膠結(jié)料與粗集料包裹良好。將現(xiàn)場取樣的泡沫瀝青混合料進(jìn)行級配、含水量、水泥含量、瀝青含量等檢測。經(jīng)檢測后，各項(xiàng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

室內(nèi)試驗(yàn)確認(rèn)無誤，進(jìn)行現(xiàn)場施工工藝及機(jī)械參數(shù)檢驗(yàn)。通過查閱《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)》：熨平板振幅以高頻低幅為宜。不同攤鋪機(jī)的頻率及振幅存在差異，RP903型攤鋪機(jī)也是首次應(yīng)用于泡沫瀝青混合料攤鋪，沒有具體的參考數(shù)據(jù)。根據(jù)攤鋪機(jī)頻率范圍確定高頻區(qū)間，以頻率分別為：30、35、40 Hz和振搗行程為0.2 cm進(jìn)行現(xiàn)場攤鋪試驗(yàn)。最終經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定熨平板振頻為40 Hz，振搗行程為0.2 cm，振搗速度為800 r·min-1，在以上參數(shù)下所攤鋪的路面外觀平整，初始壓實(shí)度滿足規(guī)范要求，如圖6(c)所示。

圖6 裂紋

2.4 壓實(shí)

壓實(shí)過程由XD123E雙鋼輪振動壓路機(jī)以前進(jìn)靜壓、后退低幅高頻振動的方式碾壓3遍，最后使用XP263K膠輪壓路機(jī)碾壓6遍，邊角處用小型機(jī)械進(jìn)行碾壓。碾壓完成后確定攤鋪系數(shù)為1.35。經(jīng)壓實(shí)度檢測，該碾壓工藝下的泡沫瀝青混合料的壓實(shí)度滿足規(guī)范所要求(規(guī)范要求壓實(shí)度≥99%(基于試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)密度))。

2.5 現(xiàn)場泡沫瀝青混合料性能檢測

截取輸送皮帶上未加入泡沫瀝青的混合料進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果表明現(xiàn)場混合料級配與設(shè)計(jì)級配偏差在允許的誤差范圍內(nèi)。另外，取已拌制好的泡沫瀝青混合料成型馬歇爾試件，經(jīng)養(yǎng)生后進(jìn)行干濕劈裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1、2。

表1 凍融劈裂試驗(yàn)

表2 動穩(wěn)定度試驗(yàn)

2.6 試驗(yàn)路觀測

泡沫瀝青混合料經(jīng)鋪筑完成后，建議養(yǎng)護(hù)3 d再開放交通，立即開放交通后會造成路面一定程度的損壞。對已經(jīng)鋪筑5 d的泡沫瀝青混合料進(jìn)行取芯，如圖7所示。所取芯樣外形較為完整，芯樣骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)特征明顯，無裂紋與離析現(xiàn)象。隨后對所取芯樣進(jìn)行15 ℃劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為0.81 MPa，滿足規(guī)范要求。圖8為開放交通數(shù)日的泡沫瀝青冷再生路面，路面情況良好，無變形、裂縫及剝落等情況，冷再生效果良好。

圖7 施工5 d后芯樣

圖8 開放交通數(shù)日后路面

3 結(jié) 語

(1)室內(nèi)XLB10P發(fā)泡設(shè)備缺少泡沫瀝青混合料拌和裝置，因此泡沫瀝青混合料拌和難度較大。在設(shè)計(jì)拌和裝置的基礎(chǔ)上，如何做到不影響泡沫瀝青膨脹率和半衰期還需要進(jìn)一步研究。

(2)現(xiàn)場泡沫瀝青技術(shù)性質(zhì)檢測表明：XCL300R與室內(nèi)XLB10P設(shè)備的性能參數(shù)相匹配，某70#瀝青在160 ℃、3%發(fā)泡用水量條件下發(fā)泡效果良好，泡沫瀝青混合料性能穩(wěn)定。為避免出廠離析，傳送帶運(yùn)行速度“宜慢不宜快”。同時(shí)泡沫瀝青罐體積較小，會影響工程進(jìn)度。

(3)通過現(xiàn)場調(diào)整攤鋪參數(shù)，確定RP903攤鋪機(jī)應(yīng)用于泡沫瀝青混合料攤鋪時(shí)，熨平板頻率宜設(shè)置為40 Hz，振幅為0.2 cm，振搗速度為800 r·min-1時(shí)攤鋪的泡沫瀝青混合料外形完整、無裂紋。

(4)通過現(xiàn)場試驗(yàn)及現(xiàn)場檢測表明，國產(chǎn)XCL300R泡沫瀝青冷再生設(shè)備及其機(jī)群在西南地區(qū)普通公路中的應(yīng)用效果良好。