沥青路面冷再生技术的现状及其发展

第33卷 第4期2007年8月四川建筑科学研究S i chuan Bu il d i ng Sc ience收稿日期:2006 04 25作者简介:黄煜镔(1974-),男,福建闽清人,博士,主要从事土木建筑材料研究和教学。

E -m a i :l huangyb1974@163.co m沥青路面冷再生技术的现状及其发展黄煜镔1,吕伟民2,汪宏涛3(1 重庆大学土木工程学院,重庆 400045;2 同济大学交通运输工程学院,上海 200092;3.解放军后勤工程学院营房管理与环境工程系,重庆 400016)摘 要:沥青路面再生利用是亟待解决的重要问题,具有显著的社会经济效益。

随着泡沫沥青的发展,冷再生技术得到迅速推广应用。

本文通过对冷再生技术的介绍,以期引起各方面对再生技术的重视并加强相应研究。

关键词:沥青路面;冷再生;泡沫沥青中图分类号:TU 57 文献标识码:B 文章编号:1008-1933(2007)04-0177-030 前 言随着公路建设的发展,沥青路面的养护维修工作量也将大量增加。

传统的维修方法一般是将破损的旧沥青路面挖除废弃,然后再重新加铺新的沥青面层。

这种工艺在技术上就存在明显不足,造价高、工期长,并且长时间中断交通。

旧沥青路面材料废弃有三大问题:堆放需要场地、造成环境污染、浪费大量有价值的资源。

沥青路面再生技术由于具有良好的经济效益和环保效应,近年来越来越受到人们的重视,并已成为沥青路面技术研究的一个重要方向。

沥青路面利用再生技术,是将需要翻修或者废弃的旧沥青路面,经过翻挖回收、破碎、筛分,再添加再生剂、新沥青、新集料,重新拌和,形成具有一定路用性能的再生沥青混合料,用于铺筑路面面层或基层的整套工艺技术。

再生技术按再生地点的不同,可分为集中厂拌再生和现场就地再生;按加热方式的不同,可分为热拌再生和冷拌再生。

尽管厂拌再生可以采用热拌也可以采用冷拌,但由于在沥青拌和场质量便于控制,且热拌再生质量好,因此,厂拌再生通常采用热拌再生的方式。

沥青再生技术很早就在国外工业发达国家得到研究和应用。

在20世纪80年代之前,沥青路面再生主要采用集中厂拌再生工艺。

80年代后,随着机械设备和就地试验检测技术的发展,现场就地再生技术开始受到许多国家的重视,目前,许多发达国家已广泛采用这种工艺方法。

沥青路面的就地冷再生就是在这一背景下迅速发展起来的一种新技术,并且已成为国际上路面维修改造的主要方法之一。

1 冷再生的原理及施工工艺沥青路面在使用过程中,经受着行车和各种自然因素的作用,逐渐脆硬老化而失去原有的路用性能。

由于旧沥青混合料中沥青各组分发生氧化、缩合作用等化学变化,从而破坏了沥青中沥青质与软沥青质的相容性,使沥青材料针入度变小、延度降低、软化点和脆点升高,因而引起沥青路用性能衰减,表现为沥青变硬、变脆、延伸性降低。

沥青混合料的强度,主要是由粘稠沥青在热融状态下包裹集料及矿粉,在集料表面形成一层具有较强粘结力的沥青薄膜,使集料颗粒粘结在一起形成复合性材料,在碾压作用下,依靠矿质集料的嵌锁作用和沥青的粘结力所形成。

老化严重的沥青结合料和性能优良的初始沥青结合料相比,常规路用性能上的差距主要体现在两方面:一是粘性过高;二是柔韧性不足。

其中,柔韧性不足是沥青结合料路用性能不良的主要原因。

从化学的角度来看,沥青再生就是老化的逆过程,只要使组分重新协调,就能恢复沥青的原有性能。

而对于工程实际应用,则可从流变学的角度出发。

基于流变学的观点,沥青的老化,从宏观上就是粘流性质的变化,只要使旧沥青材料的流变行为反向逆转,使之恢复到适当的流变状态,那么旧沥青性能也就能得以恢复而获得再生,并且可用粘度指标来控制再生沥青的性能。

再生沥青混合料,就是改善并提高已老化沥青的粘稠性,提高沥青薄膜的粘结力,使其恢复路用性能的过程。

尽管旧沥青材料在理论上可以获得完全再生,但在实际应用上,针对不同的具体情况可有不同的再生方式。

沥青路面冷再生,在高等级道路上主要177用做基层,只是在低交通道路才用做面层。

在高等级道路中,冷再生是充分利用现有旧路面材料(面层甚至基层),必要时加入一定比例的新集料与再生添加剂,在自然环境温度下,完成材料的铣刨、破碎、拌和、摊铺及压实成型,形成具有所需承载力的新基层的施工过程。

由于旧沥青混合料是作为基层材料,因此,只要具有一定的强度、刚度和水稳性就基本可满足要求,因此,冷再生往往不涉及旧沥青材料本身性能的恢复。

冷再生的工艺过程,与常规沥青混合料并没有本质区别,仅仅是多了一道旧路面的铣刨、破碎的过程,因此,就地冷再生施工专用再生机械的核心也就是一个装有若干个硬质合金刀具的切削转子。

就地冷再生所需要的机械主要包括冷再生主机、专用配套机械和通用配套机械三大类。

冷再生主机主要有带烫平板的小型再生机、中型再生机、大型再生机和不带烫平板的再生机;专用配套机械主要为水泥稀浆搅拌输送车;通用配套机械主要为路面铣刨机、平地机、压路机、乳化沥青运输罐车、新骨料运输卡车、水罐车、液态沥青保温罐车卡车及水泥 乳化沥青 水联合运输罐车等。

冷再生添加剂主要有乳化沥青、泡沫沥青,另外,还可以添加水泥、水泥稀浆、石灰、粉煤灰等。

目前,常使用的添加剂以乳化沥青和水泥为主,可单独使用乳化沥青,也可二者结合使用。

二者结合使用能提高基层的初期强度和水稳性。

冷再生混合料的设计通常是在选定再生旧料、新矿质集料和添加剂后,一般首先确定添加剂的大致用量,然后,按不同拌和用水量、压实含水量确定符合裹覆性的含水量范围和最佳稳定度的含水量。

最后,变化添加剂的用量,按马歇尔稳定度、流值、空隙率等指标确定添加剂的最佳含量,同时测定回弹模量、抗压强度、水稳性等。

2 冷再生技术的优点传统的道路维修改造方法,有翻挖、铣刨后再摊铺新料,也有在旧路面上直接加铺新料。

尽管这两种方法工艺简单,适用范围广,且施工机械很多工程单位都具备,然而,无论是从技术经济的角度还是社会效益的角度,对这些维修方法现在应该重新加以考虑。

与传统维修方法相比,现场就地冷再生具有以下优点。

(1)最大限度地利用旧路面层材料,能够节约大量的沥青和砂石材料,节省工程投资,既保护自然资源又节约成本。

与在旧路面上直接加铺新料的维修方法相比,浅层就地冷再生约可降低成本20%,深层就地冷再生约可降低成本40%。

(2)由于省却旧路面结构层的挖除、清理、运输和回填等工序,施工简便,缩短工期。

(3)由于保持路面结构的完整性并且不损坏基层,有效地提高基层承载力,改善公路维修质量。

(4)由于降低了对天气条件的依赖程度,具有在不确定的天气条件下保证连续施工的优点,同时可半幅施工、半幅开放交通,避免发生交通中断状况。

(5)有利于处治废料,节省能源,保护自然环境和景观,具有显著的社会效益。

(6)具有诸多的间接效益,如铺筑再生沥青路面,由于减少了远距离外运砂石材料的数量,从而减轻了社会交通运输的压力,缓解交通运输的紧张状态。

3 冷再生技术的发展 泡沫沥青的研究开发冷再生所采用的低稠度的沥青,主要是乳化沥青和泡沫沥青(foa m aspha lt)。

与乳化沥青相比,泡沫沥青对集料裹覆力强,混合料密实性好,材料的剪切强度和水稳定性提高,泛油和车辙现象减少,抗疲劳效果更好,并且便于贮存,约可贮存1个月左右,同时,养护时间大大缩短,强度增长快,施工后即可开放交通。

另外,使用泡沫沥青进行冷再生的成本较低,因此,泡沫沥青应是冷再生工艺的首选材料。

在一定程度上,正是泡沫沥青的发展促进了冷再生技术的推广应用。

将少量冷水加入热熔高温的沥青中,水转化成蒸汽,形成大量的气泡,使沥青的体积发生膨胀。

在这一过程中并没有发生化学反应,仅仅是沥青暂时的物理变化,表现为沥青的表观粘度显著降低,表面积大大增大,表面张力也有所降低,可以很容易分散在集料中,可与具有一定含水量的湿冷骨料进行充分混合,而不必对集料进行加热。

经过短暂的时间泡沫破裂,沥青恢复原来的性质。

泡沫沥青也称之为膨胀沥青,就是基于这种现象,通过将一定的水注入热沥青中得到,其实质是水饱和沥青。

泡沫沥青混合料是用泡沫沥青和路面材料混合得到的混合料。

其实,泡沫沥青以细集料为核心,均匀地分布在集料之间形成沥青砂浆,随着碾压作业的进行,沥青砂浆被挤碎、颗粒分散成为粘结剂,把集料与集料以点焊!的方式粘结在一起,因此,混合料中沥青具有粘附性好、分布均匀、用量少的特点。

正是泡沫沥青的性质及其混合料的结构特征使这一材料在技术上和经济上具有优势。

泡沫沥青的主要技术指标是体积膨胀率和泡沫的持续时间。

所谓体积膨胀率是指泡沫沥青达到最大体积与其初始体积之比;泡沫持续时间则是指体积膨胀达到最大体积时开始,到体积减小至一半所178 四川建筑科学研究第33卷维持的时间,也称之为泡沫的半周期。

这2个指标主要与沥青的温度和加水量有关。

膨胀率随水掺量的增加而增大,但半周期则相反,一般建议膨胀率在8~15倍,半周期大于20s的泡沫沥青性能较好。

一般推荐加水量为2.5%,并且,沥青的加热温度要求达到160∀~180∀。

细料含量对泡沫沥青混合料的性能有重要影响。

用于泡沫沥青稳定的集料范围可从优质的碎石到低等级的集料,破碎的混凝土、建筑碎石、炉渣和纯净集料都能与泡沫沥青较好地粘合起来,关键是具有合理的级配曲线。

如果再生材料中石屑不足,加入水泥或石灰添加剂则有助于加快沥青的分散作用。

加入少量(一般为1%~2%)水泥也有助于使再生层获得所需强度,同时提高表层质量,防止产生裂缝。

如果再生材料含有粘土颗粒,掺加石灰/水泥/粉煤灰等材料可以提高处治材料的性能。

石灰有助于粘土细料的结团和泡沫沥青的分散,提高材料的早期强度和抗车辙性能。

另外,沥青中的硅树脂影响发泡效果,因此往往需要掺加发泡剂以改善发泡效果。

4 冷再生技术的工程应用尽管到目前为止,许多欧洲国家仍在大量使用乳化沥青,乳化沥青也常用作冷再生的再生剂以恢复和提高路面材料的性能,但冷再生技术的发展应用却在更大程度上与泡沫沥青紧密相关。

美国在20世纪80年代早期就对采用泡沫沥青作稳定剂和再生剂进行了大量研究,在印第安纳州、俄克拉荷马州修建了试验路。

挪威从1983年开始至1997年也采用这一方法进行道路维修,数量达180万m2。

加拿大SOTER公司从1990年左右开始致力于冷再生技术的研究,开发了性能优良的沥青发泡装置,在加拿大蒙特利尔市道路基层的翻修工程中使用,随后SOTER公司把这套系统在墨西哥、南非、澳大利亚、英国、日本等地推广使用;澳大利亚昆士兰地区自从1997年开始采用泡沫沥青稳定集料技术对其主要道路进行再生利用,以提供具有柔性又耐疲劳的路面结构,为此修筑了包括G ladfield, Rainbo w Beach,Ing le wood,A ll o ra,R edland shore等试验路。