张鹏举 宋尚霖

（1 甘肃恒路交通勘察设计院有限公司，甘肃 兰州 730070；2 甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730070）

0 引言

公路工程是关系到国民经济和社会发展全局的民生工程，对国民经济的发展起着不可替代的支撑作用。将废旧路面材料再生循环应用于道路基础建设和养护，变废为宝，形成一个符合循环经济模式的产业链，可以避免废旧材料堆放对土地的占用和对环境的污染，可以减少对石料、沥青、水泥的需求，并降低筑路成本，创造尽可能大的经济效益[1]。根据《国家公路网规划（2013年～2030年）》总体规划，至 2030年，甘肃省区域范围内约33%的省级高速公路将改造升级为国家级高速公路，约 54%的省级普通道路将改造升级为国道，公路发展的规模和级别发生了巨大变化。2015～2020甘肃省规划，甘肃省有45%的高速公路进入运营中后期，国省干线基层补强以及改建大修资金投入158亿元。在这样的形势下，大力发展符合循环经济模式的路面再生技术，可有效解决甘肃省公路养护资金短缺、石料短缺以及路面反射裂缝、水损害病害严重等问题，从而以尽可能少的资源消耗创造尽可能大的社会经济效益，具有十分重要的意义。

1 泡沫沥青发泡机理及评价指标

1.1 发泡原理

泡沫沥青又叫膨胀沥青，是将一定的常温水和压缩空气注入热沥青使其体积发生膨胀，形成大量的沥青泡沫，经过很短的时间沥青泡沫破裂，原理如图1所示。这一过程只是物理变化，没有发生化学反应。当泡沫沥青与集料接触时，沥青泡沫瞬间化为数以百计的“小颗粒”,散布于细集料（特别是粒径小于0.3mm）的表面，形成粘有大量沥青的细料填缝料，经过拌和压实,这些细料能填充于湿冷的粗集料之间的空隙并形成类似砂浆的作用,使混合料达到稳定,混合料粘结机理如图2所示。

图1 泡沫沥青冷再生原理图

1.2 评价指标

目前主要以膨胀率和半衰期来衡量泡沫沥青的发泡效果，膨胀率与半衰期越大对混合料的性能越有利。根据国外对泡沫沥青已有研究结果，膨胀率大于10倍，半衰期不低于10s，是普遍可接受的条件。对于不同的沥青品种其最佳发泡温度及发泡用水量对其膨胀率及半衰期都有影响。

图2 泡沫沥青冷再生混合料结构图

2 泡沫沥青混合料性能研究

2.1 水泥掺量对混合料性能的影响

由于泡沫沥青在混合料中分布呈“点焊”状分布，没有在矿料表面形成连续的沥青膜裹覆，因此泡沫沥青混合料其水敏感性较强，我们通常通过添加少量的水泥来改善水稳定性。而水泥掺量的多少对混合料的强度、刚度等力学性能都会产生改变，研究水泥用量的多少对泡沫沥青混合料性能的评价具有重要意义[2，3]。试验研究了不同水泥掺料在泡沫沥青冷再生混合料的水稳定性的影响，将5种不同水泥掺量的混合料成型标准大马歇尔试件，经过40℃鼓风烘箱养生72h后进行15℃劈裂试验，实验结果见表1。

表1 不同水泥掺量的混合料ITS实验结果

由表1可知，随着水泥掺量的增加，泡沫沥青冷再生混合料的干湿劈裂强度都明显增加。此外，泡沫沥青冷再生混合料的残留劈裂强度比也随着水泥掺量的增加呈现增长趋势，表明水泥掺量的增加可以明显的提高混合料的水稳定性。相对于不添加水泥的再生混合料，添加1.5%水泥的混合料其残留劈裂强度比由48.8%增加到了80.3%，这也说明了水泥在一定程度上提高混合料强度的同时，主要增强了泡沫沥青水稳定性。当水泥掺加量在1%～2.5%之间时，泡沫沥青冷再生混合料的残留劈裂强度比TSR增幅变小，甚至出现降低的现象。此外，考虑到过多的水泥掺量会导致泡沫沥青冷再生混合料刚性增大，在甘肃省大温差气候环境下反射裂缝病害不能很好的抑制，且工造造价增加，因此推荐适宜的水泥掺量不宜超过1.5%。

2.2 成型方式对混合料性能的影响

对于泡沫沥青冷再生混合料，马歇尔成型方法的压实原理与现场振动压路机碾压原理差别较大，使冷再生混合料的集料移动方向与现场压实过程中的移动方向并不一致，无法较好的模拟现场压实，成型试件的物理力学性能与实际芯样不吻合，因而难以有效揭示材料组成结构与性能之间规律。

为了探究不同成型方法对混合料性能的影响，本次试验在确保混合料孔隙率（12%±0.3%）一定的情况下，采用粗粒式级配成型了直径为152.4mm，目标高度95.3mm的试件，研究了马歇尔成型和振动成型方法对混合料力学的影响。

表2 不同成型方法下混合料力学性能测试结果

表2结果显示，振动成型的混合料ITS明显高于马歇尔成型的混合料，且振动成型混合料ITS测试结果与现场养生完钻取芯样测试结果接近。其原因为振动成型其能很好的模拟现场压路机的振动情况，通过连续冲击的压力波使得混合料内部的细小颗粒运动，混合料内部的细颗粒之间静摩擦会转化为动摩擦，从而使得混合料集料分布更加均匀，表现出其强度的提高。因此，针对泡沫沥青冷再生混合料成型方法在的适用性，采用振动成型方法更加符合现场实际。

2.3 养生条件对混合料性能影响

泡沫沥青冷再生混合料养生过程也是水分逐渐散失的过程，随着水分的散失其混合料强度、刚度也逐渐增大。目前室内养生条件规范采取60℃快速养生方法，其不符合现场实际。夏季现场养生温度一般在40℃左右，远远无法达到60℃，60℃温度超过了基质沥青的软化点，造成泡沫沥青在养生时发生流动，泡沫沥青冷再生混合料内部空隙分布、泡沫沥青分布发生差异，宏观表现为强度差异[4]。本次试验分为4组，将泡沫沥青混合料脱模后在40℃鼓风烘箱中养生1d、3d、5d、7d后的干劈裂强度和含水量。

图3 养生时间与劈裂强度及含水量的关系图

由图3可知：泡沫沥青混合料试件在40℃恒温鼓风烘箱中养生1d后，其干劈裂强度仅为0.38MPa，含水量为2.89%；随着养生时间的增长，其1d到3d的干劈裂强度增张迅速，而且混合料的含水率迅速下降，第3d混合料试件干劈裂强度已经达到0.72MPa，含水量为0.35；养生时间3d到7d时，其干劈裂强度的增长趋势开始缓慢，混合料的含水量也逐渐变小，最终趋于0。这是初期混合料含水量较高，水泥并未完全水化，所以劈裂强度较低，随着养生时间的增长，水泥水化产物越来越多，混合料的强度迅速增加，养生3d后，混合料中水泥基本水化完，后期劈裂强度变化趋于缓慢。因此我们采用40℃取代原有60℃养生温度，在40℃鼓风烘箱中养生3d模拟现场早期养生方法。

2.4 水损害性能评价方法

甘肃省气候环境复杂，全省大部分地区昼夜冻融天数较多，各市日平均气温0℃以下天数最高达166天，冻融破坏严重。基于以上背景，结合工程实际我们设计中提出了残余粘聚力指标评价混合料的抗水损害能力。试验基于振动成型设备，制备Φ=152.4mm，h=300mm的试件，并施加0KPa、50KPa、150 KPa、200 KPa的围压进行三轴试验。并将养生完成的试件在25℃水里浸泡24h测其粘聚力，从而计算得出其损失强度，要求其粘聚力损失不大于25%，以此来评价该混合料的抗水损害能力，其三轴试验原理如图4所示。

图4 基于振动成型的三轴试验残余粘结强度评价原理

3 工程应用研究

3.1 工程概况及再生方案

图5 路面重铺结构方案

G109 线是国道主干线五纵七横中的重要组成部分，东北起北京，止于西藏自治区首府拉萨，全长 3922 公里。G109 线从甘宁界（刘寨柯）进入甘肃省，途径平川区、白银市区、皋兰县城、兰州市区、红古区后进入青海省。本次试验段选取病害严重K1568+800-K1573+500段，采取铣刨重铺的措施对路面病害进行彻底修复，延长使用年限，确保行车安全。重铺结构层见图5。

3.2 配合比设计

试验段铺筑选取SK90沥青，发泡温度165℃，发泡用水量2.5%，沥青用量2.5%，外掺1.5%水泥。混合料设计级配见表3、表4。

表3 G109线泡沫沥青冷再生混合料配合比

表4 G109 线泡沫沥青冷再生混合料组成级配

3.3 关键技术指标检测

本研究根据《公路沥青路面再生技术规范》及《南非沥青稳定材料设计指南》对泡沫沥青冷再生混合料性能进行了测试。由于甘肃省公路路面水损害严重，采用冻融劈裂试验并不能真实的模拟路面的水损害实际工况，我们采用南非技术规范，采用残余粘聚力对混合料抗水损害能力进行验证，其能更好的对混合料的水稳定性进行评价,各项技术检测指标见表5。

表5 泡沫沥青混合料性能检测指标

4 结语

本文以G109国道养护维修工程为例，通过相关文献及室内试验和工程应用总结，对沥青的发泡机理、影响混合料性能的因素及现有技术存在问题、混合料配合比设计和工程应用效果进行了系统的研究。试验结果表明：不同的成型方式及养生方式对混合料性能影响极大，建议采用振动成型制备试件，并采取40℃养生3天来模拟实际现场情况；添加水泥的混合料，水泥水化产物在泡沫沥青胶浆内部互相交织、穿插、生长的同时贯穿了泡沫沥青冷再生混合料的孔隙，提高了混合料的水稳定性能，并推荐适宜的水泥掺量不宜超过1.5%；提出基于振动成型的三轴试验残余粘聚力指标评价抗水损害能力，要求其粘聚力损失最大不超过25%。根据甘肃省大温差气候环境、养护资金短缺、石料短缺等实际情况以及首次试验段的应用效果，泡沫沥青厂拌冷再生技术在甘肃省的大量推广和应用具有重要意义。