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摘 要

結(jié)合泡沫瀝青冷再生技術(shù)與國(guó)產(chǎn)泡沫瀝青冷再生設(shè)備機(jī)群首次在西南地區(qū)普通二級(jí)公路中的應(yīng)用，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，確定了最佳發(fā)泡條件的相關(guān)參數(shù)；結(jié)合試驗(yàn)路段工程，總結(jié)了施工工藝、關(guān)鍵機(jī)械參數(shù)與使用特點(diǎn)。工程應(yīng)用結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)泡沫瀝青關(guān)鍵設(shè)備與室內(nèi)發(fā)泡機(jī)參數(shù)、性能匹配，發(fā)泡效果良好，所生產(chǎn)的泡沫瀝青混合料性能穩(wěn)定，機(jī)群施工效果良好、經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞 

泡沫瀝青 | 機(jī)械工程 | 施工工藝 | 冷再生

引言

2005年4月，西寶高速公路武功縣境內(nèi)修筑了一段1.5km長(zhǎng)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(guó)國(guó)內(nèi)高速公路大中修工程中成功應(yīng)用的序幕[1]瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。自此以后，泡沫瀝青冷再生技術(shù)在國(guó)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(guò)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(guó)發(fā)展已有20年左右的時(shí)間，但室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工所使用的設(shè)備大多來(lái)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(guó)有企業(yè)通過(guò)學(xué)習(xí)和研究生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)集生產(chǎn)泡沫瀝青冷再生混合料、水泥穩(wěn)定土、級(jí)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(guò)國(guó)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(chǎng)檢測(cè)，對(duì)國(guó)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(píng)價(jià)。

泡沫瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)

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(píng)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/T5521-2019)中對(duì)泡沫瀝青的技術(shù)要求為，膨脹率≥10倍，半衰期≥8s。此次室內(nèi)試驗(yàn)采用國(guó)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(duì)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(guò)對(duì)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11s。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。

室內(nèi)試驗(yàn)所確定的其他參數(shù)

(1)級(jí)配

合成級(jí)配時(shí)根據(jù)規(guī)范《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T5521-2019)選用中粒式級(jí)配。最終的合成級(jí)配如圖3所示。

(2)最佳含水率

根據(jù)《公路工程無(wú)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%。

(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(jí)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/T5521-2019)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。

試驗(yàn)段施工

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(duì)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：4cmAC-13C＋6cmAC-20C＋20cm5%水泥穩(wěn)定碎石底基層。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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10cm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：4cmAC-13C＋6cmAC-20C＋8cm泡沫瀝青冷再生層＋20cm5%水泥穩(wěn)定碎石基層。

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(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，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(guò)鏟運(yùn)機(jī)將預(yù)處理的RAP，粗骨料、石屑加入到指定料倉(cāng)，通過(guò)精確控制系統(tǒng)自動(dòng)放料，經(jīng)傳送帶運(yùn)輸至一級(jí)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(jí)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(chǔ)存?zhèn)}，經(jīng)自卸車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。

在施工過(guò)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(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)集料脫離傳送帶時(shí)做斜上拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程與集料質(zhì)量皆無(wú)關(guān)，當(dāng)粗、細(xì)集料下落時(shí)合速度相等。根據(jù)動(dòng)能定理

初狀態(tài)相同，末狀態(tài)皆為靜止，即δA＝1/2mv1^2。

動(dòng)能的改變量與質(zhì)量成正比。所以粗集料動(dòng)能的改變量大于細(xì)集料動(dòng)能的改變量，假設(shè)落地時(shí)受到摩擦阻力相同(實(shí)際細(xì)集料所受阻力＞粗集料所受阻力)，由δA＝FL得：粗集料所滾動(dòng)的距離大于細(xì)集料所滾動(dòng)的距離。所以傳送帶的速度越快，造成的離析越嚴(yán)重。

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(duì)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(guò)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(huì)受影響。

攤鋪

泡沫瀝青混合料經(jīng)自卸車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)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/T5521-2019)，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(guò)程中便遇到十分棘手的問(wèn)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(huì)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(chǎng)取樣的泡沫瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配、含水量、水泥含量、瀝青含量等檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)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(wú)誤，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及機(jī)械參數(shù)檢驗(yàn)。通過(guò)查閱《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T5521-2019)》：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(méi)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、40Hz和振搗行程為0.2cm進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)攤鋪試驗(yàn)。最終經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定熨平板振頻為40Hz，振搗行程為0.2cm，振搗速度為800r·min，在以上參數(shù)下所攤鋪的路面外觀平整，初始?jí)簩?shí)度滿足規(guī)范要求，如圖6(c)所示。

壓實(shí)

壓實(shí)過(guò)程由XD123E雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)以前進(jìn)靜壓、后退低幅高頻振動(dòng)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(cè)，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))。

現(xiàn)場(chǎng)泡沫瀝青混合料性能檢測(cè)

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(chǎng)混合料級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)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(jiàn)表1、2。

試驗(yàn)路觀測(cè)

泡沫瀝青混合料經(jīng)鋪筑完成后，建議養(yǎng)護(hù)3d再開放交通，立即開放交通后會(huì)造成路面一定程度的損壞。對(duì)已經(jīng)鋪筑5d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(wú)裂紋與離析現(xiàn)象。隨后對(duì)所取芯樣進(jìn)行15℃劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為0.81MPa，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(wú)變形、裂縫及剝落等情況，冷再生效果良好。

結(jié)語(yǔ)

(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(chǎng)泡沫瀝青技術(shù)性質(zhì)檢測(cè)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(huì)影響工程進(jìn)度。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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40Hz，振幅為0.2cm，振搗速度為800r·min^-1時(shí)攤鋪的泡沫瀝青混合料外形完整、無(wú)裂紋。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，國(guó)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。