水稳基层就地冷再生泡沫沥青配合比设计方法

吕 洋

（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016）

1 路况概述

试验路全长约65 km，随着通车时间的延长，在车辆荷载、降雨等多项因素的共同作用下，路面局部损坏严重，车辆行驶时的平稳性不足，甚至埋下行车安全隐患。针对该状况，公路部门积极推进维修改造进程。经现场调查可知，路面病害形式多样化，包含横纵向裂缝、龟裂、沉陷、松散等。原路段有明显的功能性损坏，不利于车辆的安全通行，反映出路段承载能力偏低的现状，为改善该状况，有必要从原路段的实际状况出发，采取针对性的结构补强措施，力争恢复正常通车状态。

2 病害修复方案

原路段有明显的损坏，若采用常规的局部维修方法，存在工作量大、效果差的局限性。对于罩面施工方法，其应用效果具有暂时性，难以完全恢复旧路段的功能，且路面裂缝病害的存在还易诱发更为严重的反射裂缝，可行性不足。常规方法是确定病害发生范围，将旧路面和基层挖除干净，再于该处施作基层和面层，从实际应用效果来看，其存在工期长、成本高、环境污染严重、对现场交通秩序干扰较强的局限性。相比之下，现场冷再生技术更具可行性，原因在于其能够有效处治原路段的病害，且成本低、施工高效、对现场交通秩序的干扰较小。

3 试样分析

在现场用WR2500 再生机取样，考虑到取样分析结果的全面性要求，分别在不同再生深度的路段取样，要求所有的取样槽的长度至少达到2 m。从取样槽的中部取样，保证取样的均匀性，避免离析。在完成取样作业后，可利用取样槽加强观察，明确路面结构层的具体特点，同时测量各层的厚度，作为后续施工的参考。

3.1 砂当量与塑性指数试验

砂当量是衡量细集料含土率的关键指标，同时也可作为评价集料洁净程度的依据。此外，为确定铣刨材料的塑性指数，组织砂当量和塑性指数试验，此处考虑两种材料，具体结果如表1 所示。

表1 两种材料的砂当量与塑性指数试验结果

分析发现，两种材料的砂当量均较低，此结果表明集料中的泥土含量丰富，由于泥土的存在，易影响再生料的性能；塑性指数偏高，若施工采用到泡沫沥青材料，为降低其塑性，考虑掺入适量水泥或石灰的处理方法。

3.2 集料的选择

随着公路等级的变化，各自所用集料对应的级配范围不尽相同，具体如图1 所示。分析可知，A 区域的集料适合泡沫沥青稳定，可将其应用在重交通道路中；B 区域的集料，其特点在于细集料的含量偏高，通常将其应用在轻交通道路，若要将此区域的集料调整至A 区域，可以考虑掺入粗集料的方法；C 区域的集料，细集料的含量较低，受限于此特点，泡沫沥青稳定效果变差，出于改善稳定效果的目的，考虑掺入细集料或粉煤灰的方法。既有研究表明，不同集料对泡沫沥青混合料特性有显著的影响，其中以0.075 mm以下的集料最为显著，建议将此类材料的用量控制在5%~20%。

图1 泡沫沥青冷再生混合料级配

3.3 级配设计

铣刨料的细料含量偏低，较为明显的是0.075 mm 筛孔通过率约为1.5%，针对此材料特性，采取掺入细料的方法，以便实现对级配的有效调节。工程技术人员综合考虑现场条件，决定掺入适量最大粒径为5 mm 的米砂；掺入1%~1.5% 的水泥，用于提高泡沫沥青冷再生料的早期强度。此外，铣刨料中含有泥土，再生料的塑性较大，级配设计时也需考虑到此类特点。综合分析后，确定各类材料的具体用量，即铣刨料75%、米砂23.5%、水泥1.5%。检验结果显示，在按照该用量方法予以调整后，泡沫沥青混合料的级配达到要求。

4 泡沫沥青冷再生配合比设计

4.1 最佳发泡条件

泡沫沥青的发泡效果用膨胀率和半衰期两项指标做综合评价。根据规律，随着膨胀率的增加，泡沫沥青与集料保持有效的接触，可取得均匀的裹覆效果，拌制的泡沫沥青混合料质量较佳；随着半衰期的延长，泡沫沥青不易衰减，也正是基于此特点，能够更好地与集料接触，即有相对较长的拌和时间。在泡沫沥青的质量控制中，通常难以实现膨胀率与稳定性均达到最优状态的效果，单方面的增加膨胀率或延长半衰期虽然可改善发泡效果，但远不如两者均适当的状态，换言之，在协调好膨胀率和半衰期后，使两者折中，此时的发泡效果较好。为研究膨胀率与半衰期的变化关系，取发泡温度和用水量为变量，试验中对两项变量加以调整，分析不同变量条件下的膨胀率和半衰期，确定最为适宜的发泡温度和用水量，具体如图2 所示。

图2 70 号沥青发泡特性曲线

分析发现，在发泡条件为150 ℃、2.5%的用水量时，可以取得较好的发泡效果，此时泡沫沥青的膨胀率不小于10 倍，半衰期不短于8 s，符合工程对两项指标提出的要求。

4.2 最佳含水量

在拌和、压实阶段，按比例掺入适量的水，保证泡沫沥青混合料有良好的和易性和压实度。含水量的控制直接影响到泡沫沥青混合料的性能，若含水量偏低，导致混合料干涩，不利于压实作业的顺利进行，压实处理后的密实度较低；若含水量偏高，水的润滑作用过强，难以有效保证混合料的强度和稳定性。在本工程中，最佳含水量取混合料在最大干密度时的含水量，水泥、泡沫沥青用量分别为1.5%、2.5%，设定5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%五项含水量，分别制得不同含水量条件下的试件，展开试验与分析，确定试件的干密度与含水量。

分析发现，初期干密度随着含水量的增加而增加，原因在于水分可填充在集料毛细孔间，此时对于增强细集料的粘结性能而言有重要的作用，并且和易性得到优化；后续，继续增加含水量时，部分集料被水分裹覆，压实度和干密度均降低。经对比分析发现，最大干密度2.137 g/cm3所对应的最佳含水量为6.5%。

4.3 最佳泡沫沥青用量

在确定最佳含水量（6.5%）后，设定三种泡沫沥青用量（2.5%、2.7%、3%），分别组织马歇尔试验，目的在于确定最为合适的泡沫沥青用量。拌和时，先掺入水和矿料，对两者做充分的拌和；而后，掺入泡沫沥青，针对此时的混合料做双面击实75 次的处理，再安排72 h 的养生（全程均在40 ℃的恒温烘箱内完成），冷却至室温后开始脱模。对比可知，相比于乳化沥青冷再生混合料，泡沫沥青冷再生的成型特性与之存在区别，例如时间延长24 h、养生温度降低20 ℃，且取消二次击实。按照前述提及的方法制成试件后，予以分组，做针对性的实验：第一、二组，15 ℃干湿劈裂强度实验；第三、四组，25 ℃冻融劈裂实验。基于实验数据展开计算，确定干湿劈裂强度比和冻融劈裂强度比。

随着泡沫沥青用量的增加，15 ℃的劈裂强度值有先增后减的变化趋势，即呈现出阶段性变化特征；随着泡沫沥青用量的增加，劈裂强度持续加大，在2.7%的泡沫沥青用量条件下，15 ℃劈裂强度达到峰值状态，与此同时此时的干湿劈裂强度均达到要求，因此可以确定最为合适的泡沫沥青用量，即2.7%。

4.4 目标配合比的确定

经前述分析后，确定了最佳含水量和泡沫沥青用量，此时则明确了配合比，具体如表2 所示。需说明的是，最佳含水量减去铣刨料和泡沫沥青中的含水量的结果则指的是外加水的比例，外掺比例指的是水泥、泡沫沥青和水的用量。在明确目标配合比后，结合现场施工条件，富有针对性地加以调整（主要视再生料的含水量而定）。

表2 泡沫沥青冷再生目标配合比设计结果

5 泡沫沥青就地冷再生施工工艺

5.1 逐层撒布

首先，撒布米砂并安排1 遍静压，直至该部分厚度达到315 cm 为止；随后，按照50 kg/m2的用量要求，于米砂表面撒布水泥。

5.2 施工准备

沥青罐车到场后，及时检测温度，将其与发泡温度做对比分析，偏低则不具备投入使用的条件，偏高（超过20 ℃）时静置一段时间，待其冷却至合适区间（比发泡温度高5~10 ℃）即可投入使用。正式施工前，组织发泡试验，以便检验发泡效果，根据实际检验情况对再生机的沥青用量和发泡用水量做灵活的调整。

5.3 再生施工

再生机运行速度以6 m/min 为宜，施工初期现场作业人员加强对再生料的观察，判断是否有湿度异常的状况，若有则根据实际情况对再生机的喷水量做灵活的调整。根据再生机的运行特性可知，其再生宽度为215 m，若要完成315 m 单幅路面的施工，需要设备运行两遍，且需注意的是，在第二遍运行时有必要关闭重叠部分的喷嘴。

5.4 初压

经过再生施工后，及时用压路机碾压，此时由专员操作设备，沿再生机施工中心做一遍静压处理。

5.5 整平

静压完成后，进入整平环节，设备采用的是平地机，目的在于消除再生机运行期间产生的轮痕印，提升材料分布的均匀性。平地机的切削深度不宜始终一致，较为合适的是采取由深至浅的方法，整平遍数控制在2~3 遍，此时经过整平后的部分普遍具有较高的平整度，当然必要时可适当增加整平遍数，直至整平效果满足要求为止。

5.6 复压

整平后，用洒水车洒水，使再生层表面保持湿润，再用振动压路机复压2~3 遍。

5.7 终压

复压后依然安排洒水，在保证再生层表面呈湿润的状态后，用轮胎压路机做2~3 遍的压实处理，最终使再生层具有足够的密实性和平整性，完成再生施工作业。

6 再生施工效果的检验与分析

6.1 弯沉测试

由于基层材料、剂量、龄期的差异化，路面的中面层和基层的发展变化不尽相同。以冷再生混合料为例，在经过一段时间后强度才有所提高。因此，于试验路段修筑竣工后1 周组织，基层表面的弯沉值测定工作，根据此项结果评价冷再生基层表面的承载性能；此外，后续加强跟踪，测定在各龄期时路面面层的弯沉量。试验路段的测定考虑到左、右两个车道，按照10 m 左右的间隔依次测定，采集弯沉值，根据实测结果计算，确定均值和标准差；在此基础上，按二倍的标准差舍去异常点，进一步展开计算，得到全新的均值和标准差；最后，考虑95%的保证率，计算相应的代表值。汇总结果，如表3 所示。

表3 试验路段基层表砸弯沉测试结果

6.2 再生后的路况调查

路面施工后7 d 安排观测，以便检查再生路面是否有异常状况。实测结果显示，再生路段未见表面剥落、变形的异常状况，运营状态良好，车辆可安全、平稳地通行。

7 结论

综上所述，文章以青海扎倒高速公路路面的泡沫沥青就地冷再生工程为例，结合工程条件展开分析，确定泡沫沥青的发泡条件，再阐述配合比设计、性能验证试验，确定施工工艺。实地检查结果显示，在路面上基层的施工中，泡沫沥青冷再生混合料的应用效果较好，施工成型的结构具有平整、稳定的特点，达到预期要求，由此表明就地冷再生技术可行，可将其推广至类似工程中。