乳化沥青冷再生技术.doc

乳化沥青冷再生技术原理及其与泡沫再生的比较自上世纪90年代以来，在长期高速增长的经济需求推动下，我国公路路网进入史无前例的大构建时期。至 2006 年底，我国公路通车总里程已经达到 348 万公里，高速公路更是从无到有达到4.54 万公里。在大建设还在持续的同时，早期营建的道路或者是重载道路大量进入大中修期。大中修的主要对象是路面结构，传统的“挖除新铺”的大中修模式成本高、周期长、资源需求大、产生海量的路面“废料”难以处置，很快将难以为继。近几年来，各种路面再生技术在我国快速发展，厂拌、就地、热再生、冷再生（水泥、乳化沥青、泡沫）的实体和试验工程频见报道，渐成规模。相比于其他再生类型，乳化沥青冷再生具有裹覆型再生、柔性再生、大比例再生的特点，特别适合于沥青面层旧料再生、以及冷再生材料用于路面偏上结构层的场合。本文从工作原理、性能特点、材料设计和实际案例的角度，发掘乳化沥青冷再生材料的应用潜力和技术要点。1. 乳化沥青在冷再生料混合料中的工作原理众所周知，沥青在常温状态下呈半固态，不具有施工工作性。冷再生技术需要解决的首要问题是使胶结料在常温下具有工作性。乳化沥青采用机械结合化学的方法形成水包油的乳液系统来实现这个目的，沥青颗粒悬浮在水相介质中，整个乳液的流动性取决于水的流动性，胶结料的常温工作性借此实现。图 1乳化沥青形成原理乳化沥青加工过程中（如图1左），沥青与活性表面活性溶液（乳化剂皂液）同时注入胶体磨，胶体磨转子部分相对于固定不动的定子部分高速旋转，定子和转子之间间隙很小，沥青在这个高速运动的狭小空间被迅速剪切成细小颗粒（3-10m）。沥青的表面积/表面能迅速增长，这样的状态是非常不稳定的，如无其他干预，很快重新团聚以获得更小表面积。如图2左，乳化剂是由极性的亲水基团（如胺基）和非极性的亲油基团（如烷基）构成，在与沥青在胶体磨中高速混合过程中，乳化剂将迅速分散并聚集在沥青颗粒的表面（如图1右），有效隔离水与沥青界面，同样达到降低表面能的目的。同时，亲水的极性基团，通常带有同性电荷，同性电荷的排斥作用，有效维持了乳液的稳定性。通常情况下，冷再生用乳化沥青的沥青含量较高（建议大于62%），这样的乳化体系，在不受污染和密闭的条件下，一般可以保持较长时间的稳定性。图 2乳化剂结构当乳化沥青与再生料拌合时，在合理时间范围内维持一定程度的乳液状态是拌合和施工工作性的关键，这里主要涉及一个乳液的破乳过程。如图3左所示，再生料及新鲜石料表面通常为负电），而乳化沥青选用的乳化剂极性亲水基团的电荷通常与石料电荷相反，当乳化沥青与再生料及新鲜石料接触时，乳化剂会受石料表面的异性电荷吸引，脱离沥青颗粒向石料表面聚集。失去了乳化剂膜保护的沥青颗粒陆续团聚形成连续相，这就是破乳过程，乳化沥青的破乳过程就是乳化沥青冷再生料工作性丧失的过程，破乳过程的完成，也就是意味着混合料常温工作性的彻底丧失。如果在拌合过程中破乳过程过早完成，乳化沥青将无法实现充分的裹覆，而如果在施工过程的某个阶段就告结束的话，即使拌合实现了裹覆，也会在摊铺和压实过程中遇到严重问题。考虑到再生料和新石料的活性/电荷特性是不可预见的，而破乳进程还会受到日照、气温、风力等气候条件的显著影响，因此，乳化沥青配方必须进行项目级设计，或者在经验基础上建立覆盖面将广的典型配方。在沥青样品同样不可预得且不易改变的情况下，作为核心变量的乳化剂就显得尤为重要。如图2右所示，乳化剂是一个化学可控的变量，因为乳化剂的基团类型特别是基团组合形态是可变的，极性基团的相对大小、数量及其与非极性集团结合的位置，都会显著影响乳化沥青破乳过程。通常情况下，小的极性基团、较少的极性基团数量、较规则的位置，都会使得乳化沥青破乳进程加快，反之则相反。乳化沥青配方设计的核心，实际上是乳化剂类型的选择，复配和定量。图 3乳化沥青混合料工作性和胶结原理乳化沥青破乳进程的控制是乳化沥青冷再生工程实施成败的关键，但它不是唯一的乳化沥青再生路面形成的关键进程。如图3右所示，在破乳过程中，还有两个重要过程在同步进行：一是乳化剂极性基团与石料表面的化学结合，这一结合的强度要超过水的氢键与石料表面的结合（众所周知，热沥青与石料表面结合的强度是低于水与石料结合强度的，理论上，热拌沥青混合料中沥青与石料的界面迟早会被水取代）；另一方面，极性基团已经与石料表面结合的乳化剂的亲油基团部分继续融入团聚后的沥青并将沥青拉近石料表面，而水被从界面位置排除。这两个过程，并称为凝聚过程。成功完成了凝聚过程的状态，可以被形象地看作沥青被乳化剂牢牢铆接在石料/旧料表面。再生路面施工完成，到具备临时通行条件，到摊铺面层，乃至更长的时间，都有可能是乳化沥青再生料的凝聚过程。凝聚过程并非越快越好，越是相对缓慢的凝聚过程，最后的形成的胶结效力反而可能更大。但是，现实的再生施工环境是不允许过慢的凝聚过程的，往往因为临时通车或者工期的需要要求一定的初期凝聚强度。最终强度和破乳进程/初期强度看来是一对矛盾，但好在这对矛盾并非不可调和。通过材料的选择，适当采用活性控制填料，乃至更彻底有效的解决方法，进行有效的乳化剂复配调整（如图2右的乳化剂形态，同样影响凝聚速度和最终强度），都可以有效平衡它们之间的关系，从而获得理想的工程和使用性能。2. 乳化沥青冷再生技术特点和应用方向从材料类型上分，沥青路面材料冷再生分为水泥冷再生、乳化沥青冷再生、泡沫冷再生3个类型。水泥再生将再生料完全当作集料，最终形成的再生层归入半刚性（尽管由于内含沥青的影响，强度达不到水泥稳定碎石的水平）。乳化沥青再生料采用路用沥青生产乳化沥青，拌合施工工艺与热沥青类似，也是先裹覆石料/再生料后进行压实成型，区别处在于乳化沥青的粘结强度不是立即形成，基本归入沥青胶接柔性类材料。如图4左为乳化疲劳破坏试件，养生完毕后的乳化再生试件的外观与连续级配沥青混合料试件近似，疲劳破坏呈现明显的塑性变形的特点。泡沫沥青再生采用较大粉料量与沥青胶浆的点粘结模式，且为了确保水稳定性，一般内掺2%的水泥，水泥与沥青胶浆共同发挥胶结作用，图4右为泡沫疲劳破坏试件外观，外观与水泥稳定类半刚性材料接近，破坏形式呈现明显脆性破坏的特点。可以说，泡沫类再生材料类型介于柔性与半刚性之间。图 4泡沫沥青与乳化沥青再生再生试件图5是同一个项目上泡沫和乳化再生试件在300kPa应力水平下进行劈裂疲劳测试的结果。蓝色的乳化再生表现了明显更强的塑性变形能力，疲劳寿命也显著更长。半刚性材料和沥青裹覆型的柔性材料，是不能用力学指标体系来比较的。因为从力学角度来看，无论是抗压强度、模量还是抗拉强度，甚至车辙和冻融劈裂，半刚性材料都明显强于沥青混合料。同样，用力学指标来比较半刚性和柔性再生技术也是没有多大意义的。图 5泡沫沥青与乳化沥青再生再生试件表1是不同温度和应力水平下乳化和泡沫的劈裂模量比较。泡沫体现了对温度变化和应力水平变化相对的不敏感性，也就是体现了明显更强的偏刚性特点。而乳化再生，劈裂模量低于泡沫，而差异幅度，随着温度提高、应力水平的增加而明显增大，柔性特点显著。图5的疲劳试验比较还是在同样应力水平条件下进行的，如果考虑表1模量较低的特点，如果在同样应变水平下进行疲劳测试，两者之间的差异还要显著。表 1乳化与泡沫的劈裂模量温度 (ºC) 应力水平 (kpa) 劈裂模量 (MPa)相对差异(%) 乳化再生泡沫再生5 100 3742 3603 -3.7 200 2636 2871 8.9 300 1930 2366 22.6 400 1415 1955 38.2 15 100 2563 3009 17.4 200 1997 2789 39.7 300 1641 2038 24.2 25 100 931 1857 99.5 200 584 1548 165.1 300 n/a 632 n/a 除了疲劳试验，能证明最终粘结效力的指标也很有意义，这样的指标同时也是承受交通冲击能力的指针。图6的磨耗扫刷试验就是一个这样的指标。如图右所示，乳化沥青再生的扫刷损失明显少于泡沫再生。这一结果的意义在于：乳化沥青再生层将更有可能用于较高的结构层次。图 6再生试件扫刷试验美国路面结构设计常采用结构数设计方法，每一个结构层次都对应有一个层当量系数，当量系数越大的结构层次，将更有可能用在上部结构。比如沥青面层的层当量系数为0.44，碎石层为0.110.14，压实后的沥青路面就料取值0.150.18，而乳化沥青再生可以达到0.250.4，设计中常采用0.35。从实际工程经验的角度反映了乳化沥青再生层用于上基层甚至更高结构层的潜力。在下文的案例中中，也有相应的经验验证。3. 国内主要案例4.1 江苏沪宁高速沪宁高速公路江苏段，1996年建成通车，交通量很快超过预期，原有4车道远远不能满足交通的需要，扩建为双向8车道。为了降低工程造价，减少废弃料对环境的影响。沪宁高速公路改扩建项目先后在镇江支线和无锡段实施了乳化沥青冷再生的试验段和实体工程。其中，在无锡段采用柔性路面结构：16cm二灰碎石再生层+20cm级配碎石+10cm乳化沥青冷再生+10cm普通沥青LSM-25+8cm普通沥青sup25+8cm改性沥青sup-20+4cm改性沥青SMA13。沪宁改建项目无锡段，是最早的规模化乳化冷再生项目。尽管其使用层次还在柔性下基层，但在项目的实施过程中，在旧料处置、再生混合料设计、拌合设备和施工工艺、质量控制等方面进行了非常重要的探索。为乳化冷再生在中国的应用打下了坚实的技术基础。4.2 江西昌九高速江西昌九高速公路是江西省第一条高速公路，该高速公路分三期修建，分别于1993年、1994年和1996年建成通车。1994年7月开工续建三期工程，即拓宽蛟桥至九江十里铺段，增建为四车道，采用的路面结构是：采用的路面结构是：30cm未筛分碎石20cm二灰碎石6cm热拌沥青碎石4cm中粒式沥青砼3和3cm级配碎石22cm水泥粉煤灰碎石6cm粗粒式沥青砼4cm中粒式沥青砼。作为连接省内最重要的两个城市道路兼我国重要的南北货运通道，昌九高速交通量，每天交通量自然车辆2万余辆，重车比例高达32，超载现象也非常严重。由于路面结构能力接近使用年限末期，2006-2007年，对该路进行了乳化沥青再生大修。大修结构为原路基及碎石层+20cm修复的基层+12cm再生层+6cm普通AC20+6cm改性AC20+4cm改性AC13。江西昌九项目带来乳化沥青冷再生重大进步。除了它近100km的规模外，相比于沪宁项目，它取得了几个重大进步：1、规模化应用技术体系的框架成型。包括：旧路检测评价、基层评价及处置、旧料获取方法/堆放处置/技术分析、项目级乳化沥青配方设计、厂拌再生混合料设计、厂拌再生拌合楼配置与改进、再生层施工方法与质量控制等均得到了构建和不同程度的充实。2、再生层成功应用于基层上部。如图7右所示，再生层在施工实施后3天即能成功钻取试件，且孔位杯口完整，后期经受交通未崩溃。预示成功的乳化再生可能替代部分面层的潜力。3、探索了繁忙交通条件下进行厂拌冷在生和基层修复的路面和结构物改造、交通和施工组织模式。图 7昌九冷再生图片4.4江苏340国道常州市公路处和江苏省交通科学研究院采用壳牌乳化沥青，在S340省道赵庄至后阳段实施了冷再生项目。再生技术在该工程右半幅中应用了约9.7公里，原有路面结构为4cm道路石油沥青AC13+6cm道路石油沥青AC25，再生方案是将左半幅的原沥青路面铣刨后采用再生技术在右半幅进行加铺，加铺的沥青路面结构为7.9cm13.6cm冷再生层+4cm橡胶沥青ARAC13+8cm道路石油沥青Sup25，工程在2007年7月初开工，结束于2007年9月。该项目特别值得提及的是试验段直接开放交通的经历。2007年6、7月长江流域持续高温。7月下旬，试验段完成3天左右，现场钻芯即取出完整芯样。由于340省道是重要交通通道，且全线改造需要输入建筑材料，7月28日，在没有任何保护措施的情况下，试验段开放交通。在持续5天35高温后连续阵性暴雨，气温仍然偏高。图8右是开放交通一周后所摄照片。随处可见砂石料运输车辆甩落的石料，以及大型货车制动的轮迹。但是并没有再生材料散失和车辙情况，路表外观与连续密级配沥青老路面接近。该项目临时开放交通状况证明：乳化沥青冷再生材料具有典型的裹覆型柔性材料的特点，与其它冷再生材料相比，更加具有进入更高路面层次，接近交通直接左右的能力。图 8 常州340省道冷再生4.5 石黄高速公路2009年6月-8月，河北省石黄高速公路局部大修，采用了泡沫再生替代基层，乳化再生部分替代面层的实施方案。作为国内首次乳化现场再生工艺与泡沫现场再生同场并机作业，取得的第一手经验对于明确两种沥青类再生的应用场合，意义非同寻常。图8-图是两种再生技术在各个施工环节实施过程的比较（左乳化右泡沫）。图 9 生产设备图 10 出料裹覆状况图 11 车载和卸料图 12 摊铺压实效果4. 结论1、乳化沥青冷再生混合料的工作性、强度形成进程以及胶结料胶接强度均可以通过化学配方手段进行有效调控和平衡，是一种技术含量相对较高、适应面相对较广的再生技术。2、国内外工程实践经验，理论分析以及有限的室内性能试验显示：乳化冷再生技术是裹覆型柔性再生技术，具有用于基层以上结构层次，更接近交通作用的能力/潜力。3、通过近几年来国内的研究和应用，适用于我国的乳化沥青冷再生技术体系构架趋于成熟。10