常温环氧沥青与泡沫沥青冷再生结合使用初探

郭 华

(山西路桥建设集团有限公司 太原 030006)

0 引言

沥青老化有热老化、光老化、水老化和压力老化四种。结合国内研究现状，由于各地公路建设用料不同，建设时间不同，气候坏境及荷载等不同，造成沥青的老化原因也不同。

在乳化沥青冷再生技术的应用过程中，由于受乳化沥青性能以及施工特点、施工多种变异性等影响，常常会出现因乳化沥青破乳时间过短、混合料施工中出现离析以及质量不稳定等问题甚至导致乳化沥青冷再生应用失败的情况。乳化沥青与沥青路面旧料、新添加集料的结合主要靠两者之间良好的裹附性能，可时常会因裹附力差而引起乳化沥青冷再生混合料的水稳定性问题，冷再生混合料的主要影响因素、疲劳耐久性等都需要全面的进一步深入研究。目前的《公路沥青路面再生技术规范》虽然给施工带来了指导和可借鉴性，但是仍然有许多细节不够完善。近年来山西省开展了乳化沥青冷再生的研究与应用，将常温环氧沥青与泡沫沥青冷再生结合使用，这一定程度上说明乳化沥青冷再生技术还有上升的空间。

1 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生技术产生的背景

冷再生技术属于冷拌冷铺技术，相比较热拌沥青混合料而言，冷再生混合料不耐水，所以在传统路面设计上都会尽量将冷再生层放在路面结构底部，冷再生层上面再加铺很厚的沥青层。实践证明，这种设计方法不仅造成资源浪费，而且因为用于保护冷再生层的上部沥青路面的渗水系数并不为零，所以并不能从根本上保证冷再生层不会发生水损坏[1-4]。这也是很多冷再生路面发生早期破坏的主要原因。李永红等认为常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生强化技术是由创新技术手段解决冷再生路面成本偏高、不耐水的缺点，强化提升冷再生层的性能和耐久性[5]，梁建等认为泡沫沥青路面冷再生是解决传统沥青路面冷再生固有缺陷的专门成套技术，该体系通过优化材料设计和施工工艺技术提高冷再生混合料的强度和耐水性，达到降低施工综合成本、提高施工效率的目的，常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生技术比乳化沥青冷再生更具有优势[6]。

2 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生作用机理

2.1 常温环氧沥青材料

常温环氧沥青材料具有粘结强度高、渗透性好、易于施工、性价比高的特点，属于最新一代的防水粘结材料，它以一定比例的改性环氧树脂聚合物乳液、改性多元胺固化剂、水性高分子改性剂和改性乳化沥青类材料混合而成，环氧与沥青分子交联形成连续相，化学固化成型。谢伟等研究表明以水为溶剂，安全环保，常温施工，渗透性好，高低温稳定性好，粘结及抗剪切强度高，防水效果好[7]。常温环氧沥青粘结层材料是水性化的环氧沥青材料，产品用有专利的反应型亲水助剂，通过相反转法制备水性化的环氧树脂。结合采用乙烯多胺，聚醚胺，环氧树脂等原料，生产具有增强乳化功能的专用环氧树脂固化利、特制的乳化沥青，功能性添加利等复合制备出常温环氧沥青材料。李梅芳等认为材料中的环氧树脂与沥青分子交联形成连续相，化学固化成型，成品安全环保、施工环境限制少，温度要求小，渗透性好，具备较好的高低温稳定性，粘结及抗剪切强度高，防水效果极佳[8]，原理图见图1和图2。

图1 泡沫沥青发泡原理图

图2 泡沫沥青冷再生原理图

2.2 泡沫沥青技术

2018年以前，泡沫沥青技术一直被外国厂商完全垄断，没有走国产化发展之路，高昂的设备成本投入严重损害了应用单位的积极性，阻碍了该技术在我国的普及推广。随着我国大量公路进入大修期，沥青路面冷再生领域作为国家政策大力推行，这样必须打破泡沫沥青技术被国外厂家垄断的现状，实现泡沫沥青技术的进口产品替代。2019年以来，我国开始采用在水稳拌合站加装泡沫沥青功能模块的技术路线，实现了泡沫沥青技术的国产化[9]。

3 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生的影响因素研究

3.1 乳化沥青冷再生混合料的影响因素研究

(1)首先对不同来源的旧沥青铣刨料进行化学、物理性质分析，针对性地确定再生方案。

对旧沥青料进行抽提分级，分析铣刨料的组成结构、相关参数及沥青老化原理。通过对乳化沥青混合料的工作性能和胶结原理分析，从乳化剂结构、形成原理等方面分析水泥—乳化沥青再生混合料强度的形成原理。廖维太等认为分析铣刨料组成结构、参数与沥青老化机理研究对于再生的旧料中的含水率、沥青含量对冷再生混合料强度的影响不可忽视。其中混合料中沥青老化最直接的表现是变硬、变脆，容易开裂和松散[10]。鉴于此，必须对回收沥青材料进行分析评价，根据不同路段旧料的组成和性质特点，针对性地指定乳沥青再生方案。

(2)乳化沥青冷再生混合料性能提升技术通过添加外加剂、再生剂提升乳化沥青与集料的裹附性，沥青混合料的水稳定性以及其他性能得到改善，增强了沥青路面旧料、集料、水、水泥、水溶性纳米活性高分子聚合物的结合效果。殷本明等认为通过加入轻质组分、水溶性纳米活性高分子聚合物等方式，研制出一种针对性的乳化再生剂可提高再生沥青的性能[11]。发泡用水量与膨胀率、半衰期、发泡温度均相关，水溶性纳米活性高分子聚合物的加入，还可以同时解决破乳速度、裹附性、抗疲劳性等问题，见图3-图4。

图3 沥青160℃发泡试验结果

图4 沥青170℃发泡试验结果

(3)沥青路面旧料的分级可对乳化沥青冷再生混合料的影响。为了保证沥青路面旧料材料应用时的稳定性，现行规范中规定将沥青路面旧料分为两个规格，研究分析沥青路面旧料的分级对乳化沥青冷再生混合料的影响，见图5、表1。

图5 路面铣刨料颗粒级配与泡沫沥青冷再生材料级配范围

表1 泡沫沥青冷再生材料级配与路面铣刨料颗粒级配范围表

(4)吴顺瑜等认为影响乳化沥青冷再生混合料的因素基于乳化沥青冷再生混合料的力学性能、收缩性能、疲劳性能等，通过分析水泥、沥青含量、加水量等对混合料性能的影响，并设计方案确定了胶凝用量、最佳乳化沥青用量以及最佳含水率[12]。另外，研究时还应考虑不同成型方法对冷再生混合料性能的影响。

3.2 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生结合性能研究

(1)常温环氧沥青强化泡沫沥青冷再生路面结构性能研究:利用常温环氧沥青材料的渗透性和高粘结性，段叔瑜认为对泡沫沥青再生混合料的孔隙进行封闭并使其与上层沥青热拌混凝土紧密联结，能够提高冷再生混合料的水稳定性，强化层间结合使得沥青面层形成连续体系，达到延长路面使用寿命的目的[13]。

(2)各类常温环氧沥青结构层路用性能(防水、粘结、磨耗)研究:常温环氧沥青用于层间粘结料，能提高路面结构防渗功能并强化沥青面层连续体系，可减小沥青面层弯拉应变、缓解沥青面层疲劳开裂。

(3)吴英彪等研究结果表明，在适合条件下，适当增加冷再生层的厚度，泡沐沥青冷再生层加上常温环氧沥青抗滑复合封层可以极大提升泡沫沥青冷再生层使用价值。常温环氧用于表面磨耗层，提高路面抗滑性能减少交通事故，同时可延长路面的使用寿命[14]。

(4)姚利等对级配碎石基层路面结构性能分析表明：位于泡沫沥青冷再生结构层之下的级配碎石具有优良的疏水能力，可减少路面渗水、层间水对泡沫沥青再生混合料的侵害，大大缓解泡沫冷再生混合料的稳定性。级配碎石结构层具有强大的应力舒缓能力，可大大减少路面结构的聚缝率[15]。

(5)泡沫沥青厂拌冷再生设备改装设计与功能开发:通过局部优化、改造水稳拌和站结构、加装沥青发泡功能模块，开发低成本、高性能的厂拌泡沫沥青冷再生混合料生产装置。

4 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生技术优势

4.1 用于柔性基层沥青路面

常温环氧沥青抗滑复合封层，与泡沫沥青冷再生层结合取代热拌沥青混凝土面层，直接用于道路改造，提高路面耐水性和路面结构整体协同受力特性，半刚性基层排水效果及水敏感性较差，此类结构一旦开始破坏，路面寿命将呈现出急剧减少的趋势，因此，半刚性基层沥青路面结构出现的寿命短、早期破坏也就不可避免。成志强等认为由于国外主要的发达国家大多使用柔性基层沥青路面，而且对于越重交通下，也越少使用半刚性基层，不可否认的是，以集配碎石基层为代表的柔性基层具有较少早开裂现象[16]。

4.2 用于粘结层与上封层

常温环氧沥青防水粘结层材料可用于各等级沥青混凝土路面的层间粘结、水泥混凝土路面“白改黑”层间粘结、钢桥面及水泥砼桥面的防水粘结等，与专用骨料结合做耐磨抗滑的上封层。可将路面各层结构粘结成一个整体，增加路面承载能力，延长道路使用寿命。陈波等认为通过增设常温环氧沥青固化防水联结层及常温环氧沥青抗滑复合封层与泡沫沥青冷再生层配套使用，可以确保整个路面冷再生结构层发挥其应有的结构承载力水平，不仅材料性能上超越传统的乳化沥青冷再生，而且其综合成本仍然低于乳化沥青冷再生+乳化沥青粘层的结构组合设计[17]。

5 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生技术的经济、社会效益

陕西省西安至阎良高速公路原路面结构形式为上面层4 cm AK-16型，中面层5 cm AC-20 I型，下面层6 cm AC-25 II型，基层为20 cm水泥、粉煤灰稳定砂砾，底基层28cm二灰稳定土，经过10年运营期后不同程度地出现路面沉陷、车辙、推移、裂缝等病害。经专家评审确定处置方案为水泥、粉煤灰砂砾基层不做翻修，只表面进行铣刨拉毛处理后铺筑14cm泡沫沥青冷再生作为下面层，6cm AC-20作为中面层，最后铺筑4cm的AC-13沥青混凝土作为上面层。

常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生技术直接节能量主要体现在减少石料加热所需要的燃料消耗，以及就地取材，节约石料开采、生产、运输过程中的燃油消耗，同时不仅节能减排取得很好的效果，在原材料(沥青，碎石)消耗及减少土地占用等方面效果十分明显，可节约30%左右的成本，节省加热能源60%以上，减少二氧化碳排放量80%以上，缩短20%工期，极大提高施工效率。常温环氧沥青封层技术取代热拌沥青混合料铺筑面层，除节省加热成本、减少排放污染外，直接材料成本可节约50%以上。

6 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生混合料的测试

具体包括:高温性能、水稳定性、劈裂强度、疲劳耐久生能、收缩试验等[9-15]，详见表2-表4。

表2 常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生混合料设计指标及技术要求

表3 施工过程中厂拌冷再生质量控制检查要求、频度和项目

表4 施工完成后厂拌冷再生质量控制检查要求、频度和项目

6.1 泡沫沥青冷再生路用性能分析

为使混合料具备良好的路用性能，分析如下：

(1)在不同的用水量和温度条件下进行沥青发泡特性试验，以适宜的半衰期组合和膨胀率选定发泡条件，保证沥青的发泡效果。

(2)根据泡沫沥青冷再生混合料的级配要求进行矿质混合料级配组成的合理设计。

陕西公路局公路研究所舒森等认为含水量对泡沫沥青混合料性能影响很大，可以采用间接拉伸试验去确定泡沫沥青冷再生混合料的最优沥青用量[18]。

在工程实践中铺筑试验段，通过铺筑试验段，将现场制备试件与实验室配合比试件通过一系列试验的数据对比，精度满足规范及设计要求。同时，在试验段进行现场取芯，直接将该取芯试件进行相关性试验，验证在工程实践中厂拌乳化沥青冷再生混合料是否具有良好的抗裂性、水稳定性，并符合规范要求。通过调整不同成分掺量进行沥青混合料破乳速度试验、粘附性试验及疲劳试验以评价该外加剂的性能和施工工艺通过施工工艺的优化，对铺筑效果以及开放自后的效果进行量化分析[19]。

冷再生混合料施工工艺的控制，路面改建工程再生时，由于路线大长，而且特别分散，按照现有的施工工艺，比沥青宜在拌和后2小时摊铺碾压完成，因此，长远距运输使得传统的施工工艺受到限制。采用新的施工工艺，进行设备与工程之间的运距、数量、种类的优化，进一步研究冷再生混合料性能的因素研究分析水泥掺量、乳化沥青、水掺量对冷再生混合料技术性能的影响[20]。

6.2 常温环氧沥青抗滑复合封层特点

(1)持久的抗滑性能:使用环氧沥青封层技术可使路面的BPN值长期维持在60左右，有效保证路面的高抗滑性能。

(2)防水性能优异:材料固化前粘度低，渗透性强，能渗入路表空隙和微裂缝，固化后粘结性强，与原路面嵌入式融为一体，对处置后的路表形成薄层保护，防止雨水渗入路面造成水损害。

(3)防腐性能优异:材料具有优异的化学惰性，能隔绝酸、碱、盐及油污对原路面的污染侵蚀。尤其是隔绝融雪剂和车辆尾气、漏油对路面的腐蚀。

(4)降噪性能优异:材料能降低行车噪音，提高行车舒适性。

(5)固废利用:可使用矿渣作为耐磨、硬质抗滑集科用于道路表面抗滑功能层，积极响应国家政策，开辟一条固废材料利用的新途径。

(6)绿色环保:材料是一种水性的新型绿色环保型材料，其VOC含量远低于室内装饰材料的国家标准，不含重金属成分，且冷法施工对施工人员无伤害。

7 结束语

通过施工可以总结常温环氧沥青的泡沫沥青厂拌冷再生的技术要求及施工条件，提出配套的泡沫沥青冷再生设备构成，包括现场机械与场地设备，为冷再生泡沫沥青厂拌技术在路面工程中的应用提供依据。此项技术可减少交通管制的困难，加快了通车时间，可早日开放交通带来的社会效益，扫除了泡沫沥青技术发展的进口设备高投入障碍，为泡沫沥青技术在我国的普及发展奠定了坚实的基础。