乳化瀝青冷再生技術

乳化瀝青冷再生技術原理及其與泡沫再生的比較自上世紀90年代以來，在長久高速增加的經(jīng)濟需求推動下，我國公路路網(wǎng)進入史無前例的大構建時期。至年終，我國公路通車總里程已經(jīng)達成348萬公里，高速公路更是從無到有達成4.54萬公里。在大建設還在持續(xù)的同時，早期營建的道路或者是重載道路大量進入大中修期。大中修的重要對象是路面構造，傳統(tǒng)的“挖除新鋪”的大中修模式成本高、周期長、資源需求大、產(chǎn)生海量的路面“廢料”難以處置，很快將難覺得繼。近幾年來，多個路面再生技術在我國快速發(fā)展，廠拌、就地、熱再生、冷再生（水泥、乳化瀝青、泡沫）的實體和實驗工程頻見報道，漸成規(guī)模。相比于其它再生類型，乳化瀝青冷再生含有裹覆型再生、柔性再生、大比例再生的特點，特別適合于瀝青面層舊料再生、以及冷再生材料用于路面偏上構造層的場合。本文從工作原理、性能特點、材料設計和實際案例的角度，發(fā)掘乳化瀝青冷再生材料的應用潛力和技術要點。1.乳化瀝青在冷再生料混合料中的工作原理眾所周知，瀝青在常溫狀態(tài)下呈半固態(tài)，不含有施工工作性。冷再生技術需要解決的首要問題是使膠結(jié)料在常溫下含有工作性。乳化瀝青采用機械結(jié)合化學的辦法形成水包油的乳液系統(tǒng)來實現(xiàn)這個目的，瀝青顆粒懸浮在水相介質(zhì)中，整個乳液的流動性取決于水的流動性，膠結(jié)料的常溫工作性借此實現(xiàn)。圖SEQ圖\*ARABIC1乳化瀝青形成原理乳化瀝青加工過程中（如圖1左），瀝青與活性表面活性溶液（乳化劑皂液）同時注入膠體磨，膠體磨轉(zhuǎn)子部分相對于固定不動的定子部分高速旋轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子之間間隙很小，瀝青在這個高速運動的狹小空間被快速剪切成細小顆粒（3-10μm）。瀝青的表面積/表面能快速增加，這樣的狀態(tài)是非常不穩(wěn)定的，如無其它干預，很快重新團聚以獲得更小表面積。如圖2左，乳化劑是由極性的親水基團（如胺基）和非極性的親油基團（如烷基）構成，在與瀝青在膠體磨中高速混合過程中，乳化劑將快速分散并聚集在瀝青顆粒的表面（如圖1右），有效隔離水與瀝青界面，同樣達成減少表面能的目的。同時，親水的極性基團，普通帶有同性電荷，同性電荷的排斥作用，有效維持了乳液的穩(wěn)定性。普通狀況下，冷再生用乳化瀝青的瀝青含量較高（建議不不大于62%），這樣的乳化體系，在不受污染和密閉的條件下，普通能夠保持較長時間的穩(wěn)定性。圖SEQ圖\*ARABIC2乳化劑構造當乳化瀝青與再生料拌合時，在合理時間范疇內(nèi)維持一定程度的乳液狀態(tài)是拌合和施工工作性的核心，這里重要涉及一種乳液的破乳過程。如圖3左所示，再生料及新鮮石料表面普通為負電），而乳化瀝青選用的乳化劑極性親水基團的電荷普通與石料電荷相反，當乳化瀝青與再生料及新鮮石料接觸時，乳化劑會受石料表面的異性電荷吸引，脫離瀝青顆粒向石料表面聚集。失去了乳化劑膜保護的瀝青顆粒陸續(xù)團聚形成持續(xù)相，這就是破乳過程，乳化瀝青的破乳過程就是乳化瀝青冷再生料工作性喪失的過程，破乳過程的完畢，也就是意味著混合料常溫工作性的徹底喪失。如果在拌合過程中破乳過程過早完畢，乳化瀝青將無法實現(xiàn)充足的裹覆，而如果在施工過程的某個階段就告結(jié)束的話，即使拌合實現(xiàn)了裹覆，也會在攤鋪和壓實過程中碰到嚴重問題?？紤]到再生料和新石料的活性/電荷特性是不可預見的，而破乳進程還會受到日照、氣溫、風力等氣候條件的明顯影響，因此，乳化瀝青配方必須進行項目級設計，或者在經(jīng)驗基礎上建立覆蓋面將廣的典型配方。在瀝青樣品同樣不可預得且不易變化的狀況下，作為核心變量的乳化劑就顯得尤為重要。如圖2右所示，乳化劑是一種化學可控的變量，由于乳化劑的基團類型特別是基團組合形態(tài)是可變的，極性基團的相對大小、數(shù)量及其與非極性集團結(jié)合的位置，都會明顯影響乳化瀝青破乳過程。普通狀況下，小的極性基團、較少的極性基團數(shù)量、較規(guī)則的位置，都會使得乳化瀝青破乳進程加緊，反之則相反。乳化瀝青配方設計的核心，事實上是乳化劑類型的選擇，復配和定量。圖SEQ圖\*ARABIC3乳化瀝青混合料工作性和膠結(jié)原理乳化瀝青破乳進程的控制是乳化瀝青冷再生工程實施成敗的核心，但它不是唯一的乳化瀝青再生路面形成的核心進程。如圖3右所示，在破乳過程中，尚有兩個重要過程在同時進行：一是乳化劑極性基團與石料表面的化學結(jié)合，這一結(jié)合的強度要超出水的氫鍵與石料表面的結(jié)合（眾所周知，熱瀝青與石料表面結(jié)合的強度是低于水與石料結(jié)合強度的，理論上，熱拌瀝青混合料中瀝青與石料的界面遲早會被水取代）；另首先，極性基團已經(jīng)與石料表面結(jié)合的乳化劑的親油基團部分繼續(xù)融入團聚后的瀝青并將瀝青拉近石料表面，而水被從界面位置排除。這兩個過程，并稱為凝聚過程。成功完畢了凝聚過程的狀態(tài)，能夠被形象地看作瀝青被乳化劑牢牢鉚接在石料/舊料表面。再生路面施工完畢，到含有臨時通行條件，到攤鋪面層，乃至更長的時間，都有可能是乳化瀝青再生料的凝聚過程。凝聚過程并非越快越好，越是相對緩慢的凝聚過程，最后的形成的膠結(jié)效力反而可能更大。但是，現(xiàn)實的再生施工環(huán)境是不允許過慢的凝聚過程的，往往由于臨時通車或者工期的需要規(guī)定一定的早期凝聚強度。最后強度和破乳進程/早期強度看來是一對矛盾，但好在這對矛盾并非不可調(diào)和。通過材料的選擇，適宜采用活性控制填料，乃至更徹底有效的解決辦法，進行有效的乳化劑復配調(diào)節(jié)（如圖2右的乳化劑形態(tài)，同樣影響凝聚速度和最后強度），都能夠有效平衡它們之間的關系，從而獲得抱負的工程和使用性能。2.乳化瀝青冷再生技術特點和應用方向從材料類型上分，瀝青路面材料冷再生分為水泥冷再生、乳化瀝青冷再生、泡沫冷再生3個類型。水泥再生將再生料完全當作集料，最后形成的再生層歸入半剛性（盡管由于內(nèi)含瀝青的影響，強度達不到水泥穩(wěn)定碎石的水平）。乳化瀝青再生料采用路用瀝青生產(chǎn)乳化瀝青，拌合施工工藝與熱瀝青類似，也是先裹覆石料/再生料后進行壓實成型，區(qū)別處在于乳化瀝青的粘結(jié)強度不是立刻形成，基本歸入瀝青膠接柔性類材料。如圖4左為乳化疲勞破壞試件，養(yǎng)生完畢后的乳化再生試件的外觀與持續(xù)級配瀝青混合料試件近似，疲勞破壞呈現(xiàn)明顯的塑性變形的特點。泡沫瀝青再生采用較大粉料量與瀝青膠漿的點粘結(jié)模式，且為了確保水穩(wěn)定性，普通內(nèi)摻2%的水泥，水泥與瀝青膠漿共同發(fā)揮膠結(jié)作用，圖4右為泡沫疲勞破壞試件外觀，外觀與水泥穩(wěn)定類半剛性材料靠近，破壞形式呈現(xiàn)明顯脆性破壞的特點。能夠說，泡沫類再生材料類型介于柔性與半剛性之間。圖SEQ圖\*ARABIC4泡沫瀝青與乳化瀝青再生再生試件圖5是同一種項目上泡沫和乳化再生試件在300kPa應力水平下進行劈裂疲勞測試的成果。藍色的乳化再生體現(xiàn)了明顯更強的塑性變形能力，疲勞壽命也明顯更長。半剛性材料和瀝青裹覆型的柔性材料，是不能用力學指標體系來比較的。由于從力學角度來看，無論是抗壓強度、模量還是抗拉強度，甚至車轍和凍融劈裂，半剛性材料都明顯強于瀝青混合料。同樣，用力學指標來比較半剛性和柔性再生技術也是沒有多大意義的。圖SEQ圖\*ARABIC5泡沫瀝青與乳化瀝青再生再生試件表1是不同溫度和應力水平下乳化和泡沫的劈裂模量比較。泡沫體現(xiàn)了對溫度變化和應力水平變化相對的不敏感性，也就是體現(xiàn)了明顯更強的偏剛性特點。而乳化再生，劈裂模量低于泡沫，而差別幅度，隨著溫度提高、應力水平的增加而明顯增大，柔性特點明顯。圖5的疲勞實驗比較還是在同樣應力水平條件下進行的，如果考慮表1模量較低的特點，如果在同樣應變水平下進行疲勞測試，兩者之間的差別還要明顯。表SEQ表\*ARABIC1乳化與泡沫的劈裂模量溫度(oC)應力水平(kpa)劈裂模量(MPa)相對差別(%)乳化再生泡沫再生510037423603-3.7200263628718.93001930236622.64001415195538.2151002563300917.42001997278939.73001641203824.225100931185799.52005841548165.1300n/a632n/a除了疲勞實驗，能證明最后粘結(jié)效力的指標也很故意義，這樣的指標同時也是承受交通沖擊能力的指針。圖6的磨耗掃刷實驗就是一種這樣的指標。如圖右所示，乳化瀝青再生的掃刷損失明顯少于泡沫再生。這一成果的意義在于：乳化瀝青再生層將更有可能用于較高的構造層次。圖SEQ圖\*ARABIC6再生試件掃刷實驗美國路面構造設計常采用構造數(shù)設計辦法，每一種構造層次都對應有一種層當量系數(shù)，當量系數(shù)越大的構造層次，將更有可能用在上部構造。例如瀝青面層的層當量系數(shù)為0.44，碎石層為0.11~0.14，壓實后的瀝青路面就料取值0.15~0.18，而乳化瀝青再生能夠達成0.25~0.4，設計中常采用0.35。從實際工程經(jīng)驗的角度反映了乳化瀝青再生層用于上基層甚至更高構造層的潛力。在下文的案例中中，也有對應的經(jīng)驗驗證。3.國內(nèi)重要案例4.1江蘇滬寧高速滬寧高速公路江蘇段，1996年建成通車，交通量很快超出預期，原有4車道遠遠不能滿足交通的需要，擴建為雙向8車道。為了減少工程造價，減少廢棄料對環(huán)境的影響。滬寧高速公路改擴建項目先后在鎮(zhèn)江支線和無錫段實施了乳化瀝青冷再生的實驗段和實體工程。其中，在無錫段采用柔性路面構造：16cm二灰碎石再生層+20cm級配碎石+10cm乳化瀝青冷再生+10cm普通瀝青LSM-25+8cm普通瀝青sup25+8cm改性瀝青sup-20+4cm改性瀝青SMA13。滬寧改建項目無錫段，是最早的規(guī)?；榛湓偕椖?。盡管其使用層次還在柔性下基層，但在項目的實施過程中，在舊料處置、再生混合料設計、拌合設備和施工工藝、質(zhì)量控制等方面進行了非常重要的探索。為乳化冷再生在中國的應用打下了堅實的技術基礎。4.2江西昌九高速江西昌九高速公路是江西省第一條高速公路，該高速公路分三期修建，分別于1993年、1994年和1996年建成通車。1994年7月開工續(xù)建三期工程，即拓寬蛟橋至九江十里鋪段，增建為四車道，采用的路面構造是：采用的路面構造是：30cm未篩分碎石＋20cm二灰碎石＋6cm熱拌瀝青碎石＋4cm中粒式瀝青砼3和3cm級配碎石＋22cm水泥粉煤灰碎石＋6cm粗粒式瀝青砼＋4cm中粒式瀝青砼。作為連接省內(nèi)最重要的兩個都市道路兼我國重要的南北貨運通道，昌九高速交通量，每天交通量自然車輛2萬余輛，重車比例高達32％，超載現(xiàn)象也非常嚴重。由于路面構造能力靠近使用年限末期，-，對該路進行了乳化瀝青再生大修。大修構造為原路基及碎石層+20cm修復的基層+12cm再生層+6cm普通AC20+6cm改性AC20+4cm改性AC13。江西昌九項目帶來乳化瀝青冷再生重大進步。除了它近100km的規(guī)模外，相比于滬寧項目，它獲得了幾個重大進步：1、規(guī)?；瘧眉夹g體系的框架成型。涉及：舊路檢測評價、基層評價及處置、舊料獲取辦法/堆放處置/技術分析、項目級乳化瀝青配方設計、廠拌再生混合料設計、廠拌再生拌合樓配備與改善、再生層施工辦法與質(zhì)量控制等均得到了構建和不同程度的充實。2、再生層成功應用于基層上部。如圖7右所示，再生層在施工實施后3天即能成功鉆取試件，且孔位杯口完整，后期經(jīng)受交通未崩潰。預示成功的乳化再生可能替代部分面層的潛力。3、探索了繁忙交通條件下進行廠拌冷在生和基層修復的路面和構造物改造、交通和施工組織模式。圖SEQ圖\*ARABIC7昌九冷再生圖片4.4江蘇340國道常州市公路處和江蘇省交通科學研究院采用殼牌乳化瀝青，在S340省道趙莊至后陽段實施了冷再生項目。再生技術在該工程右半幅中應用了約9.7公里，原有路面構造為4cm道路石油瀝青AC13+6cm道路石油瀝青AC25，再生方案是將左半幅的原瀝青路面銑刨后采用再生技術在右半幅進行加鋪，加鋪的瀝青路面構造為7.9cm～13.6cm冷再生層+4cm橡膠瀝青ARAC13+8cm道路石油瀝青Sup25，工程在7月初開工，結(jié)束于9月。該項目特別值得提及的是實驗段直接開放交通的經(jīng)歷。6、7月長江流域持續(xù)高溫。7月下旬，實驗段完畢3天左右，現(xiàn)場鉆芯即取出完整芯樣。由于340省道是重要交通通道，且全線改造需要輸入建筑材料，7月28日，在沒有任何保護方法的狀況下，實驗段開放交通。在持續(xù)5天35℃高溫后持續(xù)陣性暴雨，氣溫仍然偏高。圖8右是開放交通一周后所攝照片。隨處可見砂石料運輸車輛甩落的石料，以及大型貨車制動的輪跡。但是并沒有再生材料散失和車轍狀況，路表外觀與持續(xù)密級配瀝青老路面靠近。該項目臨時開放交通狀況證明：乳化瀝青冷再生材料含有典型的裹覆型柔性材料的特點，與其它冷再生材料相比，更加含有進入更高路面層次，靠近交通直接左右的能力。圖SEQ圖\*ARABIC8常州340省道冷再生4.5石黃高速公路6月-8月，河北省石黃高速公路局部大修，采用了泡沫再生替代基層，乳化再生部分替代面層的實施方案。作為國內(nèi)初次乳化現(xiàn)場再生工藝與泡沫現(xiàn)場再生同場并機作業(yè)，獲得的第一手經(jīng)驗對于明確兩種瀝青類再生的應用場合，意義非同尋常。圖8-圖是兩種再生技術在各個施工環(huán)節(jié)實施過程的比較（左乳化右泡沫）。圖SEQ圖\*ARABIC9