乳化瀝青冷再生技術(shù)

1、乳化瀝青冷再生技術(shù)原理及其與泡沫再生的比較自上世紀(jì)90年代以來，在長期高速增長的經(jīng)濟需求推動下，我國公路路網(wǎng) 進入史無前例的大構(gòu)建時期。至 2006年底，我國公路通車總里程已經(jīng)達到 348萬公里，高速公路更是從無到有達到 4.54萬公里。在大建設(shè)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。大中修的主要對象 是路面結(jié)構(gòu)，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，很快將難以為繼。近幾年來，各種路 面再生技術(shù)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）的實體和試驗工程頻見報道，漸成規(guī)模。相比于其他再生類型，

2、乳化瀝青冷再生具有裹覆型再生、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 結(jié)構(gòu)層的場合。本文從工作原理、性能特點、材料設(shè)計和實際案例的角度，發(fā) 掘乳化瀝青冷再生材料的應(yīng)用潛力和技術(shù)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)，不具有施工工作性。冷再生技術(shù) 需要解決的首要問題是使膠結(jié)料在常溫下具有工作性。乳化瀝青采用機械結(jié)合 化學(xué)的方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1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

3、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迅速剪切成細(xì)小 顆粒（3-10 mj）。瀝青白表面積/表面能迅速增長，這樣的狀態(tài)是非常不穩(wěn)定 的，如無其他干預(yù)，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(gòu)成，在與瀝青在 膠體磨中高速混合過程中，乳化劑將迅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，同樣達到降低表面能的目的。同時，親水的 極性基團，通常帶有同性電荷，同性電荷的排斥作用，有效維持了乳液的穩(wěn)定 性。

4、通常情況下，冷再生用乳化瀝青的瀝青含量較高（建議大于62% ,這樣的乳化體系，在不受污染和密閉的條件下，一般可以保持較長時間的穩(wěn)定性。二 '- CHaCHacltaCH2r.橙性頭鼻逐水用足CHjCHjCHaCHj、 _ _ C、,Maf H2fHa 、上丁" 中A .圖2乳化劑結(jié)構(gòu)當(dāng)乳化瀝青與再生料拌合時，在合理時間范圍內(nèi)維持一定程度的乳液狀態(tài)是拌合和施工工作性的關(guān)鍵，這里主要涉及一個乳液的破乳過程。如圖 3左所 示，再生料及新鮮石料表面通常為負(fù)電），而乳化瀝青選用的乳化劑極性親水 基團的電荷通常與石料電荷相反，當(dāng)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

5、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)團聚形成連續(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，破乳過程的完成，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成，乳 化瀝青將無法實現(xiàn)充分的裹覆，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遇到嚴(yán)重問題。考慮到再生料 和新石料的活性/電荷特性是不可預(yù)見的，而破乳進程還會受到日照、氣溫、風(fēng) 力等氣候條件的顯著影響，因此，乳化瀝青配方必須進行項目級設(shè)計，或者在 經(jīng)驗基礎(chǔ)上建立覆蓋面將廣的典型配方。在瀝青樣品同樣不可預(yù)得且

6、不易改變 的情況下，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 一個化學(xué)可控的變量，因為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，都會顯著影響乳化 瀝青破乳過程。通常情況下，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快，反之則相反。乳化瀝青配方設(shè)計的核心，實際上是乳化劑類型的選擇，復(fù)配和定量圖3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關(guān)鍵，但它不是唯一的乳化瀝青再生路面形成的關(guān)鍵進程。如圖 3右所示，在破乳過程中， 還有兩個重要過程在同步進行：一是乳

7、化劑極性基團與石料表面的化學(xué)結(jié)合， 這一結(jié)合的強度要超過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）；另一方面，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。成功完成了凝聚過程的狀 態(tài)，可以被形象地看作瀝青被乳化劑牢牢怫接在石料 /舊料表面。再生路面施工 完成，到具備臨時通行條件，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

8、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，往往因為臨時通車或者工期的需要要求一定的初期凝聚強 度。最終強度和破乳進程/初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，適當(dāng)采用活性控制填料，乃至更徹底有效的解決方 法，進行有效的乳化劑復(fù)配調(diào)整（如圖 2右的乳化劑形態(tài)，同樣影響凝聚速度 和最終強度），都可以有效平衡它們之間的關(guān)系，從而獲得理想的工程和使用 性能。2 .乳化瀝青冷再生技術(shù)特點和應(yīng)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(dāng)作集料，最終形成的再生 層歸入

9、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 不是立即形成，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連續(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，一般內(nèi)摻 2%勺水泥，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 料接近，破壞形式呈現(xiàn)明顯脆性破壞的特點?？梢哉f，

10、泡沫類再生材料類型介 于柔性與半剛性之間。圖4泡沫瀝青與乳化瀝青再生再生試件圖5是同一個項目上泡沫和乳化再生試件在 300kPa應(yīng)力水平下進行劈裂疲 勞測試的結(jié)果。藍色的乳化再生表現(xiàn)了明顯更強的塑性變形能力，疲勞壽命也 顯著更長。半剛性材料和瀝青裹覆型的柔性材料，是不能用力學(xué)指標(biāo)體系來比 較的。因為從力學(xué)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(xué)指標(biāo)來比較半 剛性和柔性再生技術(shù)也是沒有多大意義的。120100200300400500600Fatigue 魄(300kpa)圖5泡沫瀝青與乳化瀝青再生再生試件表1是不同溫度和應(yīng)力水

11、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(yīng)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，而差異幅度，隨著溫度提高、應(yīng)力水平 的增加而明顯增大，柔性特點顯著。圖 5的疲勞試驗比較還是在同樣應(yīng)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(yīng)變水平下進行疲 勞測試，兩者之間的差異還要顯著。表1乳化與泡沫的劈裂模量溫度 (0C)應(yīng)力水平 (kpa)劈裂模量(MPa)相對差異(%)乳化再生泡沫再生510037423603-3.7200263628718.930011930236622.64001415；195538.2151001

12、2563300917.42001997278939.730011641203824.225100931185799.52005841 1548165.1300n/a632n/a除了疲勞試驗，能證明最終粘結(jié)效力的指標(biāo)也很有意義，這樣的指標(biāo)同時 也是承受交通沖擊能力的指針。圖 6的磨耗掃刷試驗就是一個這樣的指標(biāo)。如 圖右所示，乳化瀝青再生的掃刷損失明顯少于泡沫再生。這一結(jié)果的意義在 于：乳化瀝青再生層將更有可能用于較高的結(jié)構(gòu)層次。圖6再生試件掃刷試驗美國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計常采用結(jié)構(gòu)數(shù)設(shè)計方法，每一個結(jié)構(gòu)層次都對應(yīng)有一個 層當(dāng)量系數(shù)，當(dāng)量系數(shù)越大的結(jié)構(gòu)層次，將更有可能用在上部結(jié)構(gòu)。比如瀝青 面層的層當(dāng)量系

13、數(shù)為0.44,碎石層為0.110.14 ,壓實后的瀝青路面就料取值 0.150.18 ,而乳化瀝青再生可以達到 0.250.4 ,設(shè)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結(jié)構(gòu)層的潛力。在 下文的案例中中，也有相應(yīng)的經(jīng)驗驗證。3 .國內(nèi)主要案例4.1 江蘇滬寧高速滬寧高速公路江蘇段，1996年建成通車，交通量很快超過預(yù)期，原有 4車 道遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足交通的需要，擴建為雙向 8車道。為了降低工程造價，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 乳化瀝青冷再生的試驗段和實體工程。其中，在無錫段采用柔性路面結(jié)構(gòu)： 16cm二灰碎

14、石再生層+20cm級配碎石+10cm乳化瀝青冷再生+10cm普通瀝青 LSM-25+8cn通瀝青 sup25+8cmW生瀝青 sup-20+4cm改性瀝青 SMA13滬寧改建項目無錫段，是最早的規(guī)模化乳化冷再生項目。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(shè)計、拌 合設(shè)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(yīng)用打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。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

15、為四車道，采用的路面結(jié)構(gòu)是：采用的路面結(jié) 構(gòu)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 碎3和3cm級配碎石+ 22cm水泥粉煤灰碎石+ 6cm粗粒式瀝青硅+ 4cm中粒式 瀝青碎。作為連接省內(nèi)最重要的兩個城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(yán)重。由于路面結(jié)構(gòu)能力接近使用年限末期，2006-2007年，對該路進行了乳化瀝青再生大修。大修結(jié)構(gòu)為原路基及碎石層 +20cm修復(fù)的基層+12cmM 生層+6cm普通 AC20+6crmHt AC20+4cnt AC13江西昌九項目帶

16、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，它取得了幾個重大進步：1、規(guī)模化應(yīng)用技術(shù)體系的框架成型。包括：舊路檢測評價、基層評價及處 置、舊料獲取方法/堆放處置/技術(shù)分析、項目級乳化瀝青配方設(shè)計、廠拌再生 混合料設(shè)計、廠拌再生拌合樓配置與改進、再生層施工方法與質(zhì)量控制等均得 到了構(gòu)建和不同程度的充實。2、再生層成功應(yīng)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(yù)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(fù)的路面和結(jié)構(gòu)物改 造、交通和施工組織模式。圖7昌九冷再

17、生圖片4.4 江蘇340國道常州市公路處和江蘇省交通科學(xué)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(shù)在該工程右半幅中應(yīng)用了約 9.7公 里，原有路面結(jié)構(gòu)為4cm道路石油瀝青AC13+6cna路石油瀝青AC25再生方 案是將左半幅的原瀝青路面銃刨后采用再生技術(shù)在右半幅進行加鋪，加鋪的瀝 青路面結(jié)構(gòu)為7.9cm13.6cm冷再生層+4cm橡膠瀝青ARAC13+8c通路石油瀝 青Sup25,工程在2007年7月初開工，結(jié)束于 2007年9月。該項目特別值得提及的是試驗段直接開放交通的經(jīng)歷。2007年6、7月長江流域持續(xù)高溫。7月下旬，試驗段完成3天左右，現(xiàn)場鉆芯即

18、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，在沒有任何保護措施的情況下，試驗段開放交通。在持續(xù)5天35c高溫后連續(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情況，路表外觀與連續(xù)密級配瀝青老路面接近。該項目臨時開放交通狀況證明：乳化瀝青冷再生材料具有典型的裹覆型柔 性材料的特點，與其它冷再生材料相比，更加具有進入更高路面層次，接近交 通直接左右的能力。圖8常州340省道冷再生4.5 石黃高速公路2009年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)首次乳化現(xiàn)場再生工藝與泡 沫現(xiàn)場再生同場并機作業(yè)，取得的第一手經(jīng)驗對于明確兩