基于水稳拌合站的泡沫沥青冷再生技术研究

发布时间：2020-09-16 07:10

　　由于历史原因,我国道路设计强调“强基薄面”,绝大部分路面都是半刚性基层沥青路面。早期修建的沥青路面逐渐进入大修期,沥青路面的维修及路面材料的再生循环利用等问题迫在眉睫。截止2017年底,我国的高速公路通车里程为13.65万公里,公路总里程477.35万公里。面对我国日益庞大的已建成公路交通网络,泡沫沥青冷再生技术获得了良好的发展契机。作为一种新型沥青基胶结料,泡沫沥青适用于冷拌工艺,泡沫沥青冷再生混合料在路用性、经济性以及环保性等方面具有独特的优势和发展前景。然而,泡沫沥青冷再生技术尽管已被引进我国发展多年,但仍然在创新性、实用性和设备国产化程度等方面存在不足,尤其是进口设备过高的售价已经成为最大的障碍,极大地限制了泡沫沥青冷再生技术在我国的推广应用。为了突破进口设备的平台制约,本文独辟蹊径,选择以国产水稳拌合站为设备平台加装泡沫沥青功能模块的创新方式实现水稳拌合站的泡沫沥青功能化,深入研究基于水稳拌合站的泡沫沥青冷再生技术,紧密围绕泡沫沥青冷再生技术在试验、设计、施工、评价等不同阶段的关键技术问题进行研究,包括室内沥青发泡试验设备、泡沫沥青指标评价、混合料设计、水稳拌合站改装、施工工艺、施工均匀性评价以及新型路面结构等内容,旨在通过大量室内外试验,进行深入系统的研究分析获得阶段性成果,提出一种全新的基于水稳拌合站的泡沫沥青厂拌冷再生工艺,推动泡沫沥青冷再生技术的研究与应用。在室内沥青发泡试验设备开发阶段,本文分析了德国维特根公司WLB10型沥青发泡机的应用局限性,针对其缺陷,采用一系列设备改进措施,研制成功改进型沥青发泡机iFoam,并对iFoam进行测试与验证,并验证其可行性。在泡沫沥青指标评价阶段,本文首先分析了现有评价指标的不足,然后从满足泡沫沥青和集料拌合均匀性的实用性角度出发,综合考虑试验方法的可操作性和试验结果的可量化程度,提出了一种新型沥青发泡性能评价指标——简化效能指数,解决了基于最大膨胀率和半衰期的传统泡沫沥青发泡性能评价指标的互斥问题,试验方法简单、可靠,试验结果可量化、正相关。在泡沫沥青冷再生混合料设计阶段,本文基于大量的泡沫沥青冷再生混合料试验,提出了以骨架密实型为基础的泡沫沥青冷再生混合料级配设计曲线,突破了人们对于泡沫沥青冷再生混合料属于悬浮型级配的认知,同时降低填料0.075mm过筛率的要求至3%,突破了规范规定的不小于6%的要求,显著提高了RAP的利用率。在水稳拌合站改装阶段,本文通过泡沫沥青功能模块串联的方式开发了两阶段发泡技术,使沥青的发泡效果进一步得到优化,满足了冷再生对泡沫沥青的技术要求。本文通过离散元软件建立了水稳拌合锅的三维模型,模拟分析了泡沫沥青冷再生混合料在拌合过程中的均匀性问题,论证了水稳拌合站平台的可行性,并且通过离散元软件模拟获得了合理的叶片拌合速度,为实际的设备改造和后续的拌合生产提供了坚实的理论基础。通过成功铺筑泡沫沥青冷再生路面试验段,本文从材料要求、机械要求、施工准备、施工工艺、施工质量控制与验收标准等方面综合阐述了基于国产水稳拌合站的泡沫沥青冷再生施工关键技术。为了对铺筑完成的试验路进行混合料均匀性评价,本文采用工业CT技术对泡沫沥青冷再生芯样进行高精度扫描,评价分析本文设计的泡沫沥青冷再生混合料细观结构均匀性,然后将工业CT扫描处理的截面图像汇总使用ABAQUS有限元三维重构建模对泡沫沥青冷再生混合料的各深度处力学响应进行分析,提出细观力学均匀性的评价指标,也进一步验证本文设计的泡沫沥青冷再生混合料细观结构的均匀性及细观力学的均匀性。为了进一步提升泡沫沥青冷再生混合料的应用价值(用于沥青路面上面层),本文基于功能性设计的理念,进一步提出了渗固封层+泡沫沥青冷再生层的新型路面结构。首先通过试验验证渗固封层具有良好的抗滑、防水、浅表加固的功能。然后对新型路面结构的路用性能进行了一系列试验评价分析,证明该种新型冷再生路面结构路用性能优良。最后进行路面结构力学计算分析和结构承载力主要指标的验算。本文的研究成果体现了对外来技术引进、消化再提升的螺旋式发展的客观规律,为泡沫沥青厂拌冷再生技术在我国的普及推广奠定了良好的基础,为探索符合中国国情的泡沫沥青冷再生技术发展之路起到了抛砖引玉的作用,具有广阔的市场推广价值。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U416.26
【部分图文】：

冷再生,厂拌,设备配置,泡沫沥青

基于泡沫沥青的混合料路用性能符合当前可持续发展的理念和推广道路建设和维修养护技术低碳化的要求。回顾泡沫沥青冷再生技术在我国的发展历程，能够深深地感受到开展混合料技术性能方面研究的必要性和紧迫性。泡沫沥青冷再生技术在我国研究和应用的历史并不长，但发展速度很快，泡沫沥青冷再生混合料技术的研究需要更好地服务于社会发展的需求，与时俱进，勇于创新。1.2.3 泡沫沥青冷再生设备工艺研究现状根据工艺特点，泡沫沥青冷再生分为厂拌冷再生[76-77]和就地冷再生[78-79]两种类型。泡沫沥青厂拌冷再生是指旧沥青路面材料经过铣刨，运送至指定的场地，根据需要添加新料，通过固定的再生设备加入泡沫沥青，在常温下拌合形成新的再生混合料，运送至道路施工现场，使用摊铺设备进行摊铺，压实成型后，成为路面一个结构层次的整套工艺。厂拌冷再生是分为两个阶段的，第一阶段是沥青铣刨料的回收，第二阶段是冷再生、拌合、摊铺和压实。基本设备配置如下图 1-1：

冷再生,摊铺机,机组

图 1-2 就地冷再生设备配置（轮胎式）就地冷再生的特点是冷再生料是由专用的冷再生设备机组自行式完成，施工效率较高。由于所有的施工工序都是在现场完成的，免除了运输环节，所以成本上有优势。但缺点在于难以对冷再生料的质量进行有效地过程控制，冷再生料的现场级配无法预测，冷再生料拌合的均匀性远不及厂拌冷再生。此外，关于冷再生层的平整度，就地工艺远不及厂拌工艺，因为平地机的找平功能远远不及摊铺机。即便像配备了熨平板的履带式冷再生机械，由于工作宽度不足一个车道，依次搭接而成的平整度仍不及一次成型的摊铺机。近年来，为了弥补工艺上的不足，就地冷再生设备工艺也在发生一些变化。例如，在就地冷再生设备上安装厂拌设备标配的双卧轴强制搅拌锅以改善冷再生混合料的均匀性；在就地冷再生设备上安装更宽的铣刨拌合转子并且另外配备摊铺机以改善冷再生层的平整度，基本设备配置如下图 1-3 所示。这样的变化有利有弊，一方面使工程质量更有保障，但另一方面也使设备成本更高，实际上并不利于设备的普及推广。

冷再生,拌合机,厂拌,强制搅拌

华南理工大学博士学位论文从拌合机理看，就地冷再生的拌合装置是一个转子，通过转子上密布的刀具排合 RAP 集料的作用，而厂拌冷再生[83]则是采用双卧轴强制搅拌锅[84]，因此，量控制的角度出发，厂拌冷再生设备所采用的双卧轴强制搅拌有利于集料的充是优先考虑的施工工艺类型。就地冷再生的拌合机理如下图 1-4 所示。厂拌冷的双卧轴强制搅拌锅如下图 1-5 所示。

【参考文献】