泡沫瀝青冷再生混合料材料設(shè)計(jì)及其抗車轍性能評(píng)價(jià)

易紅晟

摘要：為研究如何合理利用瀝青路面回收材料，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了泡沫瀝青冷再生混合料并評(píng)價(jià)了其路用性能（抗車轍性能）?；旌狭显O(shè)計(jì)階段確定了最佳發(fā)泡條件：發(fā)泡溫度為150～155 ℃，發(fā)泡用水量為3%，膨脹比為16，半衰期為9 s，最佳瀝青用量為2.8%，混合料最佳含水量為3.81%。車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)空隙率為4.3%時(shí)車轍深度為1.63 mm，空隙率為5.0%時(shí)車轍深度為2.43 mm，空隙率為6.1%時(shí)車轍深度為3.45 mm，即隨混合料空隙率的增大，車轍深度逐漸增加且增加趨勢顯著，表明混合料抗車轍性能逐漸減弱，因此建議泡沫瀝青冷再生混合料空隙率設(shè)計(jì)不超過50%，且泡沫瀝青冷再生混合料適用于瀝青面層結(jié)構(gòu)中的中下面層使用，不適用于上面層使用。研究結(jié)果為泡沫瀝青冷再生混合料進(jìn)行路段試驗(yàn)提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：路基工程；瀝青混合料；泡沫瀝青；冷再生；抗車轍性能

中圖分類號(hào)：U416.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01012

Design of foamed asphalt cold recycled mixture material and

evaluation of its antirutting performance

YI Hongsheng

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Guang Dong Company Limited， Foshan， Guangdong 528200， China）

Abstract：In order to reasonably use the asphalt pavement recycling materials， this article would use a series of indoor experiment to design the cold recycled mixture of foam asphalt and evaluate its performance of rutting resistance. The best mix ratio and optimum foaming condition are determined as： foaming temperature： 150～155 ℃； optimum foaming water dosage： 3%； expansion ratio： 16； halflife： 9 s； optimum asphalt content： 2.8%； optimum water content： 3.81%. After conducting rutting test on the specimen， the results show that when the void fraction increases from 4.3%， 5.0% to 6.1%， the rut depth also deepens from 1.63 mm， 2.43 mm to 3.45 mm. It indicates that the increase of void fraction， and the gradual increase of rut depth with obvious increasing tendency would result in the reduction of rutting resistance， so the void fraction is suggested to be less than 50% in the design of foam asphalt cold recycled mixture. Based on the analysis of rutting test， this article suggests that the cold recycled mixture of foam asphalt should apply to the middle and lower layers of asphalt surface but not the upper layer. The study results provide theoritical reference for experiment on road of the cold recycled mixture of foam asphalt.

Keywords：subgrade engineering； asphalt mixture； foam asphalt； cold regeneration； rutting resistance performance

中國高速公路普遍采用瀝青路面。隨著大量新建瀝青路面的運(yùn)營，后期的養(yǎng)護(hù)出現(xiàn)越來越多的問題。近年來，舊路面翻修改造項(xiàng)目越來越多，國內(nèi)外研究學(xué)者越來越關(guān)注舊瀝青路面材料的回收循環(huán)再利用，其中泡沫瀝青冷再生技術(shù)是研究的熱門之一。泡沫瀝青冷再生混合料是由泡沫瀝青（熱瀝青）、水泥、新集料、回收集料、水等材料在常溫下拌合均勻而生成的一種新的復(fù)合材料。由于各種材料物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大，混合料力學(xué)性能的穩(wěn)定性難以控制（水泥和瀝青是兩種截然不同的黏結(jié)劑，一剛一柔），因此泡沫瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)一直是研究重點(diǎn)[15]。

國內(nèi)外研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，為保證瀝青混合料的內(nèi)部黏結(jié)性能，形成一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)定的混合料，就要首先保證混合料內(nèi)部形成豐富的瀝青膠漿，依靠這些瀝青膠漿將粗集料裹覆起來。形成瀝青膠漿一方面在于泡沫瀝青的用量，一方面在于細(xì)集料用量，即0075 mm以下的細(xì)集料的含量。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有國內(nèi)外泡沫瀝青冷再生技術(shù)規(guī)范對(duì)0.075 mm細(xì)集料通過率的要求都很高，即泡沫瀝青冷拌混合料的設(shè)計(jì)需要足夠的細(xì)集料和瀝青膠漿以保證與粗集料裹覆的均勻性。王宏等研究發(fā)現(xiàn)泡沫瀝青冷再生混合料養(yǎng)生的溫度和含水量對(duì)其最終的力學(xué)強(qiáng)度有很大影響。HARVEY等[3]研究得出，隨著使用時(shí)間、環(huán)境溫度、交通荷載量的循環(huán)作用，泡沫瀝青冷再生混合料中的含水量逐漸損失，但其強(qiáng)度逐漸增大。然而泡沫瀝青混合料冷再生的設(shè)計(jì)方法及路用性能評(píng)價(jià)等一系列問題一直沒有得到有效的解決?；诖?，本文根據(jù)以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[617]，進(jìn)行泡沫瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)，并對(duì)其抗車轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1泡沫瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)與最佳參數(shù)確定

1.1瀝青發(fā)泡試驗(yàn)

泡沫瀝青發(fā)泡機(jī)可以在常溫條件下讓瀝青順利發(fā)泡而產(chǎn)生所需的泡沫瀝青。本節(jié)擬通過改變不同發(fā)泡條件來研究泡沫瀝青的發(fā)泡性能。

由圖1可知，設(shè)置145～165 ℃發(fā)泡溫度區(qū)間，曲線中顯示膨脹比隨著用水量的增加而增大。 在145～160 ℃范圍內(nèi)，膨脹比均滿足規(guī)范要求。當(dāng)其發(fā)泡溫度為165 ℃，用水量低于3%時(shí)，膨脹比卻小于10，該種發(fā)泡設(shè)計(jì)不符合規(guī)范要求；當(dāng)發(fā)泡用水量高于3%時(shí)，膨脹比卻大于10，該種發(fā)泡設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，泡沫瀝青發(fā)泡溫度高于160 ℃時(shí)對(duì)用水量要求較嚴(yán)格，因此要合理并且嚴(yán)格地控制用水量和發(fā)泡溫度，推薦泡沫瀝青發(fā)泡溫度不超過160 ℃。

由圖2可知，當(dāng)發(fā)泡溫度在145～165 ℃之間時(shí)，半衰期隨著用水量的增加而變異性較大。不同溫度和不同用水量下半衰期不同：發(fā)泡溫度為145，155和160 ℃時(shí)，半衰期約為7 s，基本滿足規(guī)范要求；當(dāng)發(fā)泡溫度為150 ℃時(shí)，半衰期隨用水量的增加而變化顯著，發(fā)泡用水量在2.3%～3.2%范圍內(nèi)時(shí)半衰期滿足規(guī)范值要求；當(dāng)發(fā)泡溫度為165 ℃時(shí)，半衰期隨發(fā)泡用水量的增加而同樣變化較大，但半衰期卻基本滿足規(guī)范要求。

經(jīng)綜合對(duì)比分析膨脹率和半衰期隨發(fā)泡溫度和用水量變化的趨勢，最終提出泡沫瀝青成型的最佳發(fā)泡溫度和發(fā)泡用水量（以鎮(zhèn)海70#瀝青為例），見表1。

1.2泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

通常瀝青面層舊料回收后經(jīng)銑刨處理，銑刨料中細(xì)集料含量很少，尤其是0.3 mm以下的細(xì)集料極為缺乏。而13.2 mm以上的粗集料部分經(jīng)過銑刨刀具的破碎作用使得部分被破碎，因此總體偏細(xì)一些。瀝青銑刨料（以下均簡稱為RAP） 的級(jí)配具有明顯的S型特點(diǎn)。本研究在考慮合成級(jí)配的過程中綜合考慮了各種因素，例如RAP料的綜合利用率，通過摻加不同比例的10～20 mm的新集料來適當(dāng)增加級(jí)配中粗集料的含量。結(jié)合泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)的基本原則和規(guī)范要求，在此初步設(shè)計(jì)5種級(jí)配，保證了配合比設(shè)計(jì)種類具有良好的涵蓋性，如表2—表3所示。

1.3混合料最佳配比的確定

本研究根據(jù)瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程，結(jié)合一系列室內(nèi)試驗(yàn)，包括瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、瀝青混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)等，通過數(shù)據(jù)分析，對(duì)比5種級(jí)配的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，最終推薦級(jí)配5作為泡沫瀝青冷再生混合料的最佳配比，如表4所示，其他具體數(shù)據(jù)如下。

1）最佳含水量的確定

進(jìn)行2組平行試驗(yàn)，見圖3。

根據(jù)圖3泡沫瀝青冷再生混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨含水量的增大，混合料的干密度先增大后減小，變化曲線呈現(xiàn)拋物線形式，最大干密度對(duì)應(yīng)一個(gè)含水量，取兩組最大干密度及其對(duì)應(yīng)的含水量均值為級(jí)配5混合料設(shè)計(jì)質(zhì)量控制指標(biāo)，其中最大干密度為2.222 g/cm3，最佳含水量為4.76%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，泡沫瀝青冷再生混合料的生產(chǎn)最佳拌合用水量為其最佳含水量的80%，因此本次泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)的最佳含水量為3.81%。

2）最佳瀝青用量的確定

根據(jù)最佳配比5的篩孔通過率配制4組再生混合料，每組20 kg，拌合用水量為3.81%，分別與不同用量（2.0%，2.5%，3.0%和3.5%）的泡沫瀝青進(jìn)行充分拌合制備泡沫瀝青混合料，每組混合料成型16個(gè)馬歇爾試件。試件養(yǎng)生后，分別進(jìn)行25 ℃干燥劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、25 ℃浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、15 ℃干燥劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、15 ℃浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。圖4為不同泡沫瀝青用量的劈裂強(qiáng)度曲線圖。

通過圖4可知：干劈裂強(qiáng)度隨泡沫瀝青用量的增加而先增大后減小，強(qiáng)度變化曲線整體呈拋物線形狀，泡沫瀝青用量為2.0%～3.5%，且當(dāng)泡沫瀝青用量為2.8%時(shí)，劈裂強(qiáng)度值達(dá)到最大，為733 kPa。

濕劈裂強(qiáng)度隨泡沫瀝青用量的增加而先增大后減小，強(qiáng)度變化曲線整體呈拋物線形狀，泡沫瀝青用量為2.0%～3.5%，且在泡沫瀝青用量為2.9%時(shí)，劈裂強(qiáng)度值達(dá)到最大，為446 kPa。

干濕劈裂強(qiáng)度比隨著泡沫瀝青用量增加而變化，呈現(xiàn)橫“S”型，無劇烈高低起伏改變，泡沫瀝青用量范圍為2.0%～3.5%時(shí)，干濕劈裂強(qiáng)度比基本維持在60%～70%之間，較穩(wěn)定。

綜合考慮泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度性能以及技術(shù)規(guī)范的要求，在此用干劈裂強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比來共同評(píng)價(jià)泡沫瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性能，并最終確定本次泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)中最佳泡沫瀝青用量為2.9%。

2泡沫瀝青冷再生混合料的抗車轍性能評(píng)價(jià)

車轍是瀝青路面早期病害的主要原因之一，考慮車轍對(duì)瀝青路面使用性能的影響，進(jìn)行了泡沫瀝青冷再生混合料的抗車轍性能的研究。對(duì)配比5混合料試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為車轍深度（CPN）。試驗(yàn)設(shè)備是多輪旋轉(zhuǎn)加載輪轍儀，試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法不再贅述。

根據(jù)表5中不同空隙率試件的CPN值繪制均值柱狀圖如圖5所示，可知：1）空隙率相近的試件車轍深度差別不大；2）隨著平均空隙率的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的平均車轍深度逐漸增大，即空隙率越大其抗車轍能力越差，空隙率由4.3%增加到50%時(shí)車轍深度增加近50%，空隙率由5.0%增加到6.1%時(shí)車轍深度增加約33%。故建議其空隙率不超過50%。

3結(jié)論

1）通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，提出泡沫瀝青最佳發(fā)泡條件為150～155 ℃，用水量為3%，膨脹比為16，半衰期為9 s。

2）提出本次泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)的最佳配比、最佳瀝青用量、最佳拌合用水量。

3）泡沫瀝青冷再生混合料空隙率越大其抗車轍性能越差，建議設(shè)計(jì)時(shí)其空隙率不超過50%。本文推薦級(jí)配5的泡沫瀝青冷再生混合料適用于瀝青面層結(jié)構(gòu)中的中下面層使用，不適用于上面層使用。

4）本文創(chuàng)新點(diǎn)在于確定了泡沫瀝青的最佳發(fā)泡條件，提出冷再生混合料最佳配合比、最佳瀝青用量、最佳拌合用水量，并對(duì)成型的混合料試件進(jìn)行抗車轍性能評(píng)價(jià)，不足之處在于未能進(jìn)行試驗(yàn)路段跟蹤觀測，后續(xù)研究將重點(diǎn)關(guān)注泡沫瀝青冷再生混合料試驗(yàn)路段的路用性能。

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