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浅谈泡沫沥青就地冷再生工艺的质量控制
2019年06月25日    阅读量:5923    新闻来源: REWAY  |  投稿

摘 要:泡沫沥青再生混合料用于基层既可有效缓解反射裂缝的发展,又可与上下结构层形成很好的过渡,起到有效的应力分散作用,而且在资源节约与环境保护方面也有突出优势。本文结合实践经验,在分析沥青发泡机理的基础上,从铣刨料级配、新集料添加、外加剂用量、再生方案确定、施工前提条件、施工组织管理、压实度控制等方面论述了提高泡沫沥青就地冷再生工艺质量的有效措施,并简明分析了各措施的应用理由,所得经验对同类工程具有很好的指导意义。

关键词:道路养护;柔性基层;冷再生;泡沫沥青


 

0 引言


在我国高等级路面中,沥青混凝土路面所占的比例在逐年增加沥青网sinoasphalt.com。与此同时,一些早期修建的沥青路面已经达到设计寿命,新建道路也因种种原因而提前损坏,不得不对其进行大中修,如何解决大量的路面铣刨旧料以及重新铺筑沥青混凝土路面所需的大量石料所带来的资源压力,一直是大家关心的问题。而用泡沫沥青对铣刨废料进行就地冷再生利用,不仅可以解决上述问题,而且能节约能源、保护环境,从而带来巨大的经济和社会效益,理论和实践证明其也是一种切实可行的方法。另外,我国现有高等级公路中,半刚性基层占绝大多,其强度高,承载能力好,用于路面结构中有着很好的合理性。但是,其裂缝的产生使得一系列的路面病害相继出现,而目前又没有非常得力的措施阻止这种病害的发生。所以,吸收国外的成功经验,铺筑柔性基层不失为一种从根本上解决问题的好办法。而且交通部在也鼓励各地加强柔性基层试验研究,在试验路段铺筑成功的基础上加以推广。目前,泡沫沥青就地冷再生技术已经在各地得到了推广应用,那么,如何使之应用质量得到更好的提高将是本文重点描述的内容。


1 沥青发泡机理分析


沥青发泡的基本过程是:当冷水与高温沥青接触时,会发生连锁反应,热沥青与水滴表面发生热量交换,使水滴迅速加热至 100℃,同时沥青冷却。沥青传递的热量超过了蒸汽替热,导致体积膨胀。膨胀腔里的蒸汽泡在一定压力下压入沥青的连续相,随着溶有大量蒸汽泡的沥青从喷嘴喷出, 压缩蒸汽的膨胀使略有变凉的沥青形成薄膜,并依靠薄膜的表面张力将气泡完全裹附。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,所以发泡过程中产生的大量气泡将以一种亚稳定态的形式存在,最终泡沫会破灭。泡沫沥青在发泡后的物理性质会暂时发生变化,其粘度显著降低,可以方便地与冷湿料拌和均匀。实际上泡沫沥青并不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,泡沫沥青冷再生技术关键就是要使沥青产生较好的发泡效果,从而才能更好地发挥其作用。

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2 原材料与新集料质量控制


泡沫沥青混合料一般由多种材料组成,每一种材料的质量好坏都会对其性能造成一定的影响。而且级配设计的成功与否将直接影响到施工状况的合理性以及道路使用性能的长久性。


2.1 铣刨材料的颗粒大小控制


为了得到与正式施工时一样的代表性铣刨材料,必须选用专门的铣刨设备或使用再生机,按照正常的行驶速度从不同车道取样进行试验。如果想得到颗粒组成更好的铣刨料,也可以对再生机作业方式进行调整。


1)控制再生机行走速度:机器行走速度越快,则铣刨料会相对偏粗,反之则偏细。


2)选择铣刨毂转速:再生机上一般都有四种铣刨毂转速可调,转速越快,铣刨料越细。


3)调整铣刨仓前门开度:开度越小,铣刨料被二次破碎的几率越高,所以RAP 料会略有变细。


4)调整铣刨仓后门浮动压力:压力较大时,铣刨料也会相对偏细。


5)正确使用破碎梁:如遇个别有龟裂病害的路段,破碎梁将进一步减少大块铣刨料的出现。


2.2 新添加集料的选择


一般情况下,铣刨料中的细集料会比较少,原有细集料大部分都与沥青结合并裹附在粗骨料周围。而泡沫沥青与集料接触时,沥青泡沫化为数以万计的“小颗粒”,且优先分布于细集料的表面, 形成粘有大量沥青颗粒的细结合料,经过拌和压实,这些细结合料能填充于粗料之间,从而使混合料达到稳定。因此,泡沫沥青混合料中添加部分细集料或少许矿粉就变得非常有必要。所选细集料不仅要满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ F40-2004)的相关要求,而且其 0.075mm 的通过率最好大于 10%,考虑到泡沫沥青再生层的结构层位,细集料的添加比例建议不超过 30%,以避免由于级配过细而产生不良影响。如果原有沥青路面材料有泛油病害或因材料过细而出现车辙,就地再生时最好加入部分粗骨料以弥补整个混合料的骨架结构。


3 外加剂的质量与用量控制


3.1 沥青发泡性能的影响


衡量沥青的发泡效果,目前主要用膨胀率和半衰期两个指标加以评价。膨胀率是指在沥青发泡状态下测量的最大体积与未发泡状态下的体积之比,半衰期是指泡沫沥青最大体积缩小到该体积一半所用的时间。试验结果表明较高的发泡温度和较大的用水量,都能使膨胀率增大,但同时半衰期减小。由于沥青在喷射过程中早先喷出的泡沫沥青体积已经开始衰退,因此测量的最大发泡体积要小于实际的最大值。为了使泡沫沥青与翻腾的集料充分接触,形成良好的裹附,则膨胀率越大,拌制的泡沫混合料质量越好,半衰期越长,说明泡沫越不容易衰减,可以与集料有较长时间的接触与拌合,以提高泡沫沥青的质量。发泡用水量的增加可以增加泡沫的大小,使得膨胀率增大,然而单个泡沫体积的增大却减小了周围沥青薄膜的厚度,使得泡沫不稳定从而导致半衰期的减小,因此, 在实际应用中要追求二者的平衡。


沥青的发泡效果主要与沥青的组成结构有关,一般的重交 70 号与 90 号沥青都可以满足规范要求,标号过低的沥青不宜用于发泡,以避免与集料裹附的不均匀性。需要注意的是,改性沥青的发泡效果很差,要避免基质沥青过多地与运送改性沥青的车辆接触,而且原有沥青中绝对不可以使用消泡剂。至于泡沫沥青的用量,在常规水泥剂量下,泡沫沥青冷再生混合料的劈裂强度往往会有一个峰值出现,峰值对应的泡沫沥青用量大致在 2%~3%,因此,实践中的最佳泡沫沥青用量会在 2.5% 左右。


3.2 水泥及其用量的选择


水泥作为泡沫沥青就地冷再生工程的结合料时,可采用普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥。水泥的初凝时间应大于 3 小时,终凝时间宜在 6 小时以上,不应使用快凝水泥、早强水泥或变质水泥。对于水泥的用量,一般不建议超过 2%,往往会添加 1.5%左右。水泥对于泡沫沥青就地冷再生而言,其主要作用不是提高混合料的强度,而是改善材料的水稳定性,据相关研究证实,随着水泥剂量的增加,泡沫沥青冷再生混合料的劈裂强度几乎没有增大,但其冻融劈裂强度比会随着水泥剂量的增加而先增大后减小,所以水泥剂量要合理选择,不要刻意增大。除此之外, 水泥剂量过大,也会影响到泡沫沥青冷再生混合料延缓反射裂缝的贡献率。


3.3 外加水用量的控制


泡沫沥青就地冷再生混合料需要水的参与,一般的饮用水就可以满足要求。水不仅为水泥的水化反应提供了条件,而且在某种程度上也为混合料的压实创造了空间。由于水的粘度低于沥青,因此混合料中的水分起着“润滑剂”的作用,降低了矿料之间的内摩阻力,为集料或再生料之间的重新排列增添了更多的机会,从而达到了颗粒接触的最大化。另一方面,水分蒸发过程中,在混合料未被填充的部分形成多孔网状连接形态,使集料与沥青之间的联系更加紧密,使得混合料更容易被压实。


另外,外加水用量的选择也会对工程质量造成一定的影响。在实际应用中,往往寻求泡沫沥青混合料压实之前的一个最佳“疏松”状态,只有在这个状态下,混合料才能达到最大的密实度。如果水量过大,则在压实过程中会出现弹簧现象,也会增加养生时间;如果水量偏小,粗细集料的连接就不很紧密,极易造成混合料的离析,而且混合料难以压实,直接影响了材料的强度以及再生层的耐久性。因此,建议外加水用量以及原有路面材料的含水量之和为室内击实试验确定最佳含水量的 65%~80%,具体还要根据气候条件加以调整。


4 施工条件与再生方案的选择


4.1 原路面深层病害的处理


尽管泡沫沥青就地冷再生工艺可以把原路面的很多病害加以消除,但是如果病害产生位置超过了再生的厚度,仍然需要对此病害进行事先处理。因此,再生方案确定之前,需要做一次详细的调查,了解原路面的结构形式,病害类型,病害严重程度以及病害位置,同时需要分析病害发生的原因。尤其对于出现唧浆、坑槽、严重龟裂的路段,需要给予特别的关注,常规方法是进行挖补处理。局部路段如果再生层下部结构强度不足,还需要进行换填补强处理。


4.2 气候条件的影响


泡沫沥青一般以不连续的颗粒状态分布于集料的周围,也就是说沥青是“点焊”在集料表面而形成网状裹附,因此,泡沫沥青混合料对温度的敏感性比较低,这也是泡沫沥青混合料的抗车辙能力比较高的原因之一。尽管如此,如果气候温度比较低,则泡沫沥青的分散性就会很差,直接导致了点焊裹附的不均匀性。另外,环境温度过低时,铣刨料及新加集料温度也会随之降低,当泡沫沥青与其接触时,沥青温度下降过快,从而减弱了与集料的粘附能力,更有甚者,沥青条或沥青团的出现也将直接影响到混合料的强度以及耐久性。一般情况下,20℃以上的环境温度为泡沫沥青的理想温度,最低温度也需要在 15℃以上,此时最好选择中午施工,早晚的低温也对泡沫沥青的均匀分散有着不利影响。实践证明,如果低温施工或工后下雨,取出完整芯样的养生时间会比较长,甚至得不到完整的芯样。


4.3 再生厚度的选择


泡沫沥青冷再生混合料在 20℃的抗压模量大致在 1000MPa 左右,从路面结构设计的角度,一般需要计算原路面的当量回弹模量,然后根据交通量以及设计弯沉等数据反算出一个再生层厚度。但是泡沫沥青混合料的厚度设计还需要结合实际工程的需要,太薄或太厚都会有不利影响。再生厚度太大时,一方面会对压实机械提出更大的挑战,另一方面再生层底部水分难以尽快蒸发,延长了养生时间及施工周期。再生厚度太小时,一方面集料离析的可能性增加,路面平整度得不到保证,而且泡沫沥青的分散均匀性也会受到影响,另一方面泡沫沥青再生层延缓反射裂缝的作用也会大打折扣。因此,泡沫沥青就地冷再生的最佳厚度宜控制在 12cm~20cm。

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5 施工质量控制


5.1 施工组织管理


泡沫沥青就地冷再生工程的施工往往需要再生机、沥青罐车、水车或水泥稀浆车、平地机、压路机等机械的配套作业,在某种程度上说也是一个较大的系统工程。如果某个环节出现问题将导致整个工序的延误或停滞,甚至是工程的失败。因此,一个良好精心的施工组织就显得非常关键。各种机械的常规运行检查(何时需要保养),机械之间的管路连接(接头位置、接口大小、顶杠长短等),各种材料的连续供给(热沥青、水泥、新加集料、外加水),各工序之间的衔接与配合,现场施工队长的合理指挥与协调,工人的劳动分工,出现问题的解决措施,交通安全设施的应用,施工前的准备工作,施工结束后的安排与管理,总结会议制度的制定等等都是良好施工组织所需要的。客观地讲,工程质量的好坏直接取决于施工环节的合理与否,而施工环节的合理与否很大程度上取决于施工组织是否有序、可控、精细、合理。可见,施工之前制定一个全面到位的施工计划,进行一次全员的计划实施大会是很有必要的。


5.2 压实度的控制


对于泡沫沥青就地冷再生混合料而言,往往需要一定吨位的单钢轮振动压路机、双钢轮振动压路机以及胶轮压路机对之进行碾压,碾压过程中有时需要平地机、洒水车的配合。无论选择什么样的压实组合,最终必须达到压实度的要求。相关研究证实,压实度较高时,泡沫沥青混合料的劈裂强度可以满足要求,压实度每降低 1%,则劈裂强度就会降低约 5%,可见压实度对泡沫沥青的强度有着很大的影响。鉴于此,建议采用重型击实法确定最大干密度时不添加泡沫沥青,由此得到的干密度会比添加泡沫沥青的干密度大,以此干密度作为标准密度将会间接提高现场压实度。

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6 结语


泡沫沥青再生混合料能够很好地平衡刚柔度,而且研究表明加入部分水泥的泡沫沥青冷再生混合料既能保证在较高的轴载作用下不易发生竖向车辙变形,也可以延缓在温差作用下产生反射裂缝的速度,它既可克服现有半刚性基层的缺陷,延缓路面的破损时间,逐步实现路面结构多样性,又可节约大量资源和资金,还有利于促进和谐交通建设以及交通事业的可持续发展,所以其优越性是非常明显的。但在实际的工程施工中发现,很多质量控制措施不能被正确应用,甚至被忽视,所以导致了施工质量的参差不齐。基于此,本文从多个环节入手,既提出了具体的质量控制措施,又简明分析了采取各种质量控制措施的道理,以期能为广大道路养护工作者提供参考并为提高泡沫沥青就地冷再生工程的施工质量提供指导。


标签:技术中心再生沥青
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