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淺談泡沫瀝青就地冷再生工藝的質量控制
2019年06月25日    閱讀量:23501    新聞來源: REWAY  |  投稿

摘 要:泡沫瀝青再生混合料用于基層既可有效緩解反射裂縫的發展,又可與上下結構層形成很好的過渡,起到有效的應力分散作用,而且在資源節約與環境保護方面也有突出優勢。本文結合實踐經驗,在分析瀝青發泡機理的基礎上,從銑刨料級配、新集料添加、外加劑用量、再生方案確定、施工前提條件、施工組織管理、壓實度控制等方面論述了提高泡沫瀝青就地冷再生工藝質量的有效措施,并簡明分析了各措施的應用理由,所得經驗對同類工程具有很好的指導意義。

關鍵詞:道路養護;柔性基層;冷再生;泡沫瀝青


 

0 引言


在我國高等級路面中,瀝青混凝土路面所占的比例在逐年增加瀝青網sinoasphalt.com。與此同時,一些早期修建的瀝青路面已經達到設計壽命,新建道路也因種種原因而提前損壞,不得不對其進行大中修,如何解決大量的路面銑刨舊料以及重新鋪筑瀝青混凝土路面所需的大量石料所帶來的資源壓力,一直是大家關心的問題。而用泡沫瀝青對銑刨廢料進行就地冷再生利用,不僅可以解決上述問題,而且能節約能源、保護環境,從而帶來巨大的經濟和社會效益,理論和實踐證明其也是一種切實可行的方法。另外,我國現有高等級公路中,半剛性基層占絕大多,其強度高,承載能力好,用于路面結構中有著很好的合理性。但是,其裂縫的產生使得一系列的路面病害相繼出現,而目前又沒有非常得力的措施阻止這種病害的發生。所以,吸收國外的成功經驗,鋪筑柔性基層不失為一種從根本上解決問題的好辦法。而且交通部在也鼓勵各地加強柔性基層試驗研究,在試驗路段鋪筑成功的基礎上加以推廣。目前,泡沫瀝青就地冷再生技術已經在各地得到了推廣應用,那么,如何使之應用質量得到更好的提高將是本文重點描述的內容。


1 瀝青發泡機理分析


瀝青發泡的基本過程是:當冷水與高溫瀝青接觸時,會發生連鎖反應,熱瀝青與水滴表面發生熱量交換,使水滴迅速加熱至 100℃,同時瀝青冷卻。瀝青傳遞的熱量超過了蒸汽替熱,導致體積膨脹。膨脹腔里的蒸汽泡在一定壓力下壓入瀝青的連續相,隨著溶有大量蒸汽泡的瀝青從噴嘴噴出, 壓縮蒸汽的膨脹使略有變涼的瀝青形成薄膜,并依靠薄膜的表面張力將氣泡完全裹附。在膨脹過程中,瀝青膜產生的表面張力抵抗蒸汽壓力直到一種平衡狀態,由于瀝青與水的低導熱性,這種平衡一般能夠維持數秒的時間,所以發泡過程中產生的大量氣泡將以一種亞穩定態的形式存在,最終泡沫會破滅。泡沫瀝青在發泡后的物理性質會暫時發生變化,其粘度顯著降低,可以方便地與冷濕料拌和均勻。實際上泡沫瀝青并不是一種新的瀝青粘結料,而是一種新技術應用所帶來的產物,泡沫瀝青冷再生技術關鍵就是要使瀝青產生較好的發泡效果,從而才能更好地發揮其作用。

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2 原材料與新集料質量控制


泡沫瀝青混合料一般由多種材料組成,每一種材料的質量好壞都會對其性能造成一定的影響。而且級配設計的成功與否將直接影響到施工狀況的合理性以及道路使用性能的長久性。


2.1 銑刨材料的顆粒大小控制


為了得到與正式施工時一樣的代表性銑刨材料,必須選用專門的銑刨設備或使用再生機,按照正常的行駛速度從不同車道取樣進行試驗。如果想得到顆粒組成更好的銑刨料,也可以對再生機作業方式進行調整。


1)控制再生機行走速度:機器行走速度越快,則銑刨料會相對偏粗,反之則偏細。


2)選擇銑刨轂轉速:再生機上一般都有四種銑刨轂轉速可調,轉速越快,銑刨料越細。


3)調整銑刨倉前門開度:開度越小,銑刨料被二次破碎的幾率越高,所以RAP 料會略有變細。


4)調整銑刨倉后門浮動壓力:壓力較大時,銑刨料也會相對偏細。


5)正確使用破碎梁:如遇個別有龜裂病害的路段,破碎梁將進一步減少大塊銑刨料的出現。


2.2 新添加集料的選擇


一般情況下,銑刨料中的細集料會比較少,原有細集料大部分都與瀝青結合并裹附在粗骨料周圍。而泡沫瀝青與集料接觸時,瀝青泡沫化為數以萬計的“小顆粒”,且優先分布于細集料的表面, 形成粘有大量瀝青顆粒的細結合料,經過拌和壓實,這些細結合料能填充于粗料之間,從而使混合料達到穩定。因此,泡沫瀝青混合料中添加部分細集料或少許礦粉就變得非常有必要。所選細集料不僅要滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTJ F40-2004)的相關要求,而且其 0.075mm 的通過率最好大于 10%,考慮到泡沫瀝青再生層的結構層位,細集料的添加比例建議不超過 30%,以避免由于級配過細而產生不良影響。如果原有瀝青路面材料有泛油病害或因材料過細而出現車轍,就地再生時最好加入部分粗骨料以彌補整個混合料的骨架結構。


3 外加劑的質量與用量控制


3.1 瀝青發泡性能的影響


衡量瀝青的發泡效果,目前主要用膨脹率和半衰期兩個指標加以評價。膨脹率是指在瀝青發泡狀態下測量的最大體積與未發泡狀態下的體積之比,半衰期是指泡沫瀝青最大體積縮小到該體積一半所用的時間。試驗結果表明較高的發泡溫度和較大的用水量,都能使膨脹率增大,但同時半衰期減小。由于瀝青在噴射過程中早先噴出的泡沫瀝青體積已經開始衰退,因此測量的最大發泡體積要小于實際的最大值。為了使泡沫瀝青與翻騰的集料充分接觸,形成良好的裹附,則膨脹率越大,拌制的泡沫混合料質量越好,半衰期越長,說明泡沫越不容易衰減,可以與集料有較長時間的接觸與拌合,以提高泡沫瀝青的質量。發泡用水量的增加可以增加泡沫的大小,使得膨脹率增大,然而單個泡沫體積的增大卻減小了周圍瀝青薄膜的厚度,使得泡沫不穩定從而導致半衰期的減小,因此, 在實際應用中要追求二者的平衡。


瀝青的發泡效果主要與瀝青的組成結構有關,一般的重交 70 號與 90 號瀝青都可以滿足規范要求,標號過低的瀝青不宜用于發泡,以避免與集料裹附的不均勻性。需要注意的是,改性瀝青的發泡效果很差,要避免基質瀝青過多地與運送改性瀝青的車輛接觸,而且原有瀝青中絕對不可以使用消泡劑。至于泡沫瀝青的用量,在常規水泥劑量下,泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強度往往會有一個峰值出現,峰值對應的泡沫瀝青用量大致在 2%~3%,因此,實踐中的最佳泡沫瀝青用量會在 2.5% 左右。


3.2 水泥及其用量的選擇


水泥作為泡沫瀝青就地冷再生工程的結合料時,可采用普通硅酸鹽水泥,礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥。水泥的初凝時間應大于 3 小時,終凝時間宜在 6 小時以上,不應使用快凝水泥、早強水泥或變質水泥。對于水泥的用量,一般不建議超過 2%,往往會添加 1.5%左右。水泥對于泡沫瀝青就地冷再生而言,其主要作用不是提高混合料的強度,而是改善材料的水穩定性,據相關研究證實,隨著水泥劑量的增加,泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強度幾乎沒有增大,但其凍融劈裂強度比會隨著水泥劑量的增加而先增大后減小,所以水泥劑量要合理選擇,不要刻意增大。除此之外, 水泥劑量過大,也會影響到泡沫瀝青冷再生混合料延緩反射裂縫的貢獻率。


3.3 外加水用量的控制


泡沫瀝青就地冷再生混合料需要水的參與,一般的飲用水就可以滿足要求。水不僅為水泥的水化反應提供了條件,而且在某種程度上也為混合料的壓實創造了空間。由于水的粘度低于瀝青,因此混合料中的水分起著“潤滑劑”的作用,降低了礦料之間的內摩阻力,為集料或再生料之間的重新排列增添了更多的機會,從而達到了顆粒接觸的最大化。另一方面,水分蒸發過程中,在混合料未被填充的部分形成多孔網狀連接形態,使集料與瀝青之間的聯系更加緊密,使得混合料更容易被壓實。


另外,外加水用量的選擇也會對工程質量造成一定的影響。在實際應用中,往往尋求泡沫瀝青混合料壓實之前的一個最佳“疏松”狀態,只有在這個狀態下,混合料才能達到最大的密實度。如果水量過大,則在壓實過程中會出現彈簧現象,也會增加養生時間;如果水量偏小,粗細集料的連接就不很緊密,極易造成混合料的離析,而且混合料難以壓實,直接影響了材料的強度以及再生層的耐久性。因此,建議外加水用量以及原有路面材料的含水量之和為室內擊實試驗確定最佳含水量的 65%~80%,具體還要根據氣候條件加以調整。


4 施工條件與再生方案的選擇


4.1 原路面深層病害的處理


盡管泡沫瀝青就地冷再生工藝可以把原路面的很多病害加以消除,但是如果病害產生位置超過了再生的厚度,仍然需要對此病害進行事先處理。因此,再生方案確定之前,需要做一次詳細的調查,了解原路面的結構形式,病害類型,病害嚴重程度以及病害位置,同時需要分析病害發生的原因。尤其對于出現唧漿、坑槽、嚴重龜裂的路段,需要給予特別的關注,常規方法是進行挖補處理。局部路段如果再生層下部結構強度不足,還需要進行換填補強處理。


4.2 氣候條件的影響


泡沫瀝青一般以不連續的顆粒狀態分布于集料的周圍,也就是說瀝青是“點焊”在集料表面而形成網狀裹附,因此,泡沫瀝青混合料對溫度的敏感性比較低,這也是泡沫瀝青混合料的抗車轍能力比較高的原因之一。盡管如此,如果氣候溫度比較低,則泡沫瀝青的分散性就會很差,直接導致了點焊裹附的不均勻性。另外,環境溫度過低時,銑刨料及新加集料溫度也會隨之降低,當泡沫瀝青與其接觸時,瀝青溫度下降過快,從而減弱了與集料的粘附能力,更有甚者,瀝青條或瀝青團的出現也將直接影響到混合料的強度以及耐久性。一般情況下,20℃以上的環境溫度為泡沫瀝青的理想溫度,最低溫度也需要在 15℃以上,此時最好選擇中午施工,早晚的低溫也對泡沫瀝青的均勻分散有著不利影響。實踐證明,如果低溫施工或工后下雨,取出完整芯樣的養生時間會比較長,甚至得不到完整的芯樣。


4.3 再生厚度的選擇


泡沫瀝青冷再生混合料在 20℃的抗壓模量大致在 1000MPa 左右,從路面結構設計的角度,一般需要計算原路面的當量回彈模量,然后根據交通量以及設計彎沉等數據反算出一個再生層厚度。但是泡沫瀝青混合料的厚度設計還需要結合實際工程的需要,太薄或太厚都會有不利影響。再生厚度太大時,一方面會對壓實機械提出更大的挑戰,另一方面再生層底部水分難以盡快蒸發,延長了養生時間及施工周期。再生厚度太小時,一方面集料離析的可能性增加,路面平整度得不到保證,而且泡沫瀝青的分散均勻性也會受到影響,另一方面泡沫瀝青再生層延緩反射裂縫的作用也會大打折扣。因此,泡沫瀝青就地冷再生的最佳厚度宜控制在 12cm~20cm。

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5 施工質量控制


5.1 施工組織管理


泡沫瀝青就地冷再生工程的施工往往需要再生機、瀝青罐車、水車或水泥稀漿車、平地機、壓路機等機械的配套作業,在某種程度上說也是一個較大的系統工程。如果某個環節出現問題將導致整個工序的延誤或停滯,甚至是工程的失敗。因此,一個良好精心的施工組織就顯得非常關鍵。各種機械的常規運行檢查(何時需要保養),機械之間的管路連接(接頭位置、接口大小、頂杠長短等),各種材料的連續供給(熱瀝青、水泥、新加集料、外加水),各工序之間的銜接與配合,現場施工隊長的合理指揮與協調,工人的勞動分工,出現問題的解決措施,交通安全設施的應用,施工前的準備工作,施工結束后的安排與管理,總結會議制度的制定等等都是良好施工組織所需要的。客觀地講,工程質量的好壞直接取決于施工環節的合理與否,而施工環節的合理與否很大程度上取決于施工組織是否有序、可控、精細、合理。可見,施工之前制定一個全面到位的施工計劃,進行一次全員的計劃實施大會是很有必要的。


5.2 壓實度的控制


對于泡沫瀝青就地冷再生混合料而言,往往需要一定噸位的單鋼輪振動壓路機、雙鋼輪振動壓路機以及膠輪壓路機對之進行碾壓,碾壓過程中有時需要平地機、灑水車的配合。無論選擇什么樣的壓實組合,最終必須達到壓實度的要求。相關研究證實,壓實度較高時,泡沫瀝青混合料的劈裂強度可以滿足要求,壓實度每降低 1%,則劈裂強度就會降低約 5%,可見壓實度對泡沫瀝青的強度有著很大的影響。鑒于此,建議采用重型擊實法確定最大干密度時不添加泡沫瀝青,由此得到的干密度會比添加泡沫瀝青的干密度大,以此干密度作為標準密度將會間接提高現場壓實度。

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6 結語


泡沫瀝青再生混合料能夠很好地平衡剛柔度,而且研究表明加入部分水泥的泡沫瀝青冷再生混合料既能保證在較高的軸載作用下不易發生豎向車轍變形,也可以延緩在溫差作用下產生反射裂縫的速度,它既可克服現有半剛性基層的缺陷,延緩路面的破損時間,逐步實現路面結構多樣性,又可節約大量資源和資金,還有利于促進和諧交通建設以及交通事業的可持續發展,所以其優越性是非常明顯的。但在實際的工程施工中發現,很多質量控制措施不能被正確應用,甚至被忽視,所以導致了施工質量的參差不齊。基于此,本文從多個環節入手,既提出了具體的質量控制措施,又簡明分析了采取各種質量控制措施的道理,以期能為廣大道路養護工作者提供參考并為提高泡沫瀝青就地冷再生工程的施工質量提供指導。


標簽:技術中心再生瀝青
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