泡沫溫拌再生瀝青混合料性能試驗研究

戰(zhàn)琦琦 ，郭偉 ，張瑜 ，吳濤 ，郭鵬 ，韋萬峰

（1.重慶重交再生資源開發(fā)股份有限公司，重慶 400121；2.重慶市瀝青路面再生工程技術研究中心，重慶 400121；3.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074）

我國瀝青路面發(fā)展速度較快，截止到2016年末，全國公路總里程達到469.63萬km，其中高速公路里程13.10萬km[1]，瀝青路面的養(yǎng)護與維修問題日益突出。我國道路每年大中修工程中產生的廢舊瀝青混合料將達到1.6億t，這對生態(tài)環(huán)境存在巨大威脅，將廢舊瀝青混合料有效回收利用，可以減少原材料的開采，解決廢舊瀝青混合料的占地污染問題，有益于生態(tài)環(huán)境的保護，然而我國的廢舊瀝青混合料循環(huán)利用率尚不到30%，再生瀝青混合料技術仍有待研究并推廣運用。

目前泡沫瀝青多用于冷拌再生瀝青混合料[2]，泡沫溫拌再生瀝青混合料技術在我國處于探索階段，相關研究較少，歐美國家對泡沫瀝青的研究運用比較廣泛，相關文獻[3-4]認為，泡沫溫拌再生瀝青混合料的路用性能較冷拌再生瀝青混合料有大幅度提升，并且與常規(guī)熱拌再生瀝青混合料的性能相當。泡沫瀝青是由水蒸氣、空氣、液體瀝青三相組成的混合物，瀝青發(fā)泡一般只需瀝青質量1%～4%的水，較其他溫拌方式（Evotherm溫拌法、Sasobit溫拌法等）具有較大的經濟優(yōu)勢，而且泡沫瀝青能較好的裹覆RAP料，RAP料表層的老化瀝青與泡沫瀝青混合程度更高，有利于提升RAP的摻量。泡沫溫拌再生瀝青混合料應用的關鍵在于RAP變異性的控制及瀝青膠結料的發(fā)泡效果，RAP的波動性對再生混合料的級配及瀝青含量有重要影響，而瀝青膠結料的發(fā)泡效果則決定了混合料拌合的和易性，通過合適的處理工藝可以降低RAP料級配及瀝青含量的變異性，提高混合料組成材料的均勻性[5]。當前關于泡沫溫拌再生瀝青混合料的性能試驗研究較少，泡沫溫拌技術的特點主要在于泡沫瀝青中包含了部分水分，水分對泡沫溫拌再生瀝青混合料的影響程度仍不清楚。現(xiàn)有研究表明，：加入廢舊路面材料有助于提高泡沫溫拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但再生混合料的低溫抗裂性會有一定程度降低[6]。研究者們對泡沫溫拌再生瀝青混合料的抗水損害能力有不同的觀點。于強[7]研究了泡沫溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性，結果表明RAP料對再生混合料的抗水損害能力具有負面影響。He Gui-Ping和Wong Wing-Gun[8]認為，適量的RAP可以提高泡沫溫拌再生瀝青料的水穩(wěn)定性及抗變形能力。Xiang Shu等[9]也認為RAP有利于泡沫溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性。本研究將探索合適的處理工藝以控制RAP級配及瀝青含量的變異性，進一步分析RAP料對泡沫溫拌再生瀝青混合料性能的影響，由于該泡沫溫拌再生瀝青混合料用于重慶地區(qū)，所以本文暫不考慮其低溫抗裂性。

1 RAP處理工藝

通過適當?shù)奶幚砉に嚳梢越档驮偕霞壟浼盀r青含量的變異性，提升再生料的品質，控制混合料的均勻性，進而更好地保障泡沫溫拌再生瀝青混合料的路用性能。廢舊瀝青混合料來源于重慶渝長高速公路翻修工程，先將廢舊路面材料一定程度破碎，再對RAP料進行“分檔”處理，即利用集料篩將RAP料分成粒徑大小不同的顆粒，篩分的關鍵篩孔是4.75 mm及9.5 mm，本文將RAP料分成0～4.75 mm，4.75～9.50 mm，9.50 mm+（粒徑9.50 mm以上舊料）3檔料，其中未分檔的舊料稱為粗料，利用燃燒法測試粗料、分檔舊料級配及瀝青含量的變異性，進而評價“分檔”處理對再生料級配、瀝青含量變異性的影響。

1.1 RAP瀝青含量變異性分析

RAP瀝青含量的變異性是影響泡沫溫拌再生瀝青混合料配合比設計的一個重要因素，直接關系到混合料最佳瀝青用量的確定。實驗中粗料的樣本為12組，各檔舊料的樣本為8組。依據(jù)式（1）、式（2）計算粗料及各檔舊料油石比的平均值和標準差，通過式（3）計算不同檔舊料油石比的變異性，通過變異系數(shù)CV評價其波動程度，變異系數(shù)越大，說明數(shù)據(jù)的離散性越大，舊料油石比的變異性也越大。各檔舊料的油石比變異性分析統(tǒng)計見表1。

表1 舊料油石比變異性

由表1可見，舊料分檔之后，各檔舊料的油石比變異性得到降低，油石比變異程度得到有效控制，說明舊瀝青混合料經過破碎、篩分、分檔可以降低瀝青含量的變異性。其中，0～4.75 mm檔舊料油石比變異性比較大，這反映了0～4.75 mm原始舊料“團聚”情況的復雜性。對各檔集料油石比的平均值進行分析，發(fā)現(xiàn)舊集料瀝青含量隨著集料粒徑的減小而逐漸增大，這主要因為細集料的比表面積較大，其表面所裹覆的瀝青更多。當舊料油石比變異系數(shù)越小，說明所取試樣油石比含量離散程度越小，各檔舊料油石比的平均值可以作為該檔舊料油石比的代表值。

1.2 RAP級配變異分析

級配是由不同大小粒徑的集料組合而成，篩余是混合料中各檔集料占總集料的質量比例。為了分析RAP礦料級配的變異性，利用各粒徑集料的分計篩余變異系數(shù)評價Cvri，如式（4）所示：

式中：Sri——第i級礦料分計篩余百分比標準偏差；Pˉri——第i礦料分計篩余平均值，%。

雖然級配變異系數(shù)反應了各粒徑礦料分級篩余值的波動離散情況，但礦料的分級篩余變異系數(shù)卻并不能完全代表其在再生混合料中的變異性，各粒徑礦料的用量也影響著混合料整體級配的離散性。故采用權重因子WFri來表征各粒徑集料對混合料再生后級配的變異貢獻值，如式（5）所示：

式中：WFri——第i級礦料分計篩余變異性對整體級配變異性的權重因子。

表2為粗料級配變異性分析。

表2 粗料級配變異性分析

1.2.1 0～4.75mm舊料級配變異性（見表3）

表3 0～4.75 mm舊料級配變異性分析

由表3可知，較粗料而言，0～4.75 mm舊料中各粒徑集料分計篩余量變異系數(shù)均得到一定程度降低，2.36 mm、1.18 mm粒徑集料是0～4.75 mm舊料中的重要組成，占該檔集料質量的60%左右。粗料中2.36 mm、1.18 mm粒徑集料分計篩余量變異系數(shù)分別為14.82%、17.37%，關鍵篩孔粒徑的變異性較大會嚴重影響再生混合料級配的合成，造成再生混合料級配波動性比較大，0～4.75mm檔舊料中2.36 mm、1.18 mm粒徑集料分計篩余量變異系數(shù)分別為9.66%、5.25%，其變異性得到較大程度降低。

1.2.2 4.75～9.5 mm舊料級配變異性（見表4）

表4 4.75～9.5 mm舊料級配變異性分析

由表4可見，4.75 mm粒徑集料是4.75～9.5 mm舊料中的關鍵篩孔集料，占該檔集料質量的66%左右，其分計篩余量變異系數(shù)得到大幅度降低，為3.03%。

1.2.3 9.5 mm以上舊料級配變異性（見表5）

表5 9.5 mm+舊料級配變異性分析

由表5可見，對于9.5 mm+舊料而言，9.5 mm、13.2 mm是關鍵篩孔粒徑，粗料中9.5 mm、13.2 mm粒徑集料分計篩余量變異系數(shù)分別為54.05%、37.14%，9.5 mm以上舊料中9.5 mm、13.2 mm粒徑集料分計篩余量變異系數(shù)分別為27.73%、6.79%，關鍵篩孔粒徑的變異性得到大幅降低。由表5可知，16 mm粒徑集料的變異系數(shù)較大，這主要因為16 mm粒徑集料在舊料中比較少，取料差異性特別大。

通過對粗料、分檔舊料級配及瀝青含量變異性分析，結果表明舊料通過分檔，各檔舊料的瀝青含量變異性和各粒徑集料分計篩余量變異系數(shù)會得到一定程度降低，尤其是各檔舊料中的關鍵篩孔，其分計篩余量變異系數(shù)將得到大幅度降低，這對于泡沫溫拌再生瀝青混合料中級配的調整及新瀝青質量的添加具有重要意義。

2 混合料級配的確定

再生混合料采用AC-13級配，將粗料分成0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5 mm+三檔舊料，依據(jù)分檔舊料燃燒后分計算篩余量可以計算添加新集料的質量[見式（6）]，RAP摻量分別為 30%、40%、50%，其中 0～4.75、4.75～9.5、9.5+mm 的比例為1∶2∶3。

式中：Pi——舊料各篩孔的分計篩余（i為各個篩孔尺寸）；Mi——設計級配的各篩孔分計篩余；a1%、a2%、a3%——分別為0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5 mm+舊料的摻配比例，舊料的摻量a%=a1%+a2%+a3%；Ni——所需添加的新礦料的各篩孔分計篩余，%。

泡沫溫拌再生瀝青混合料的級配如表6所示，在不同RAP摻量下，再生混合料的級配均一致。根據(jù)馬歇爾實驗方法，采用常規(guī)熱拌瀝青混合料的方式確定最佳油石比，即混合料的膠結料為普通基質瀝青，最后得到再生混合料的最佳油石比為4.9%。

表6 AC-13型瀝青混合料的級配

3 混合料的路用性能

采用山東路科公司的發(fā)泡機對中石化東海牌70#基質瀝青發(fā)泡制備泡沫瀝青，泡沫瀝青的制備條件：瀝青溫度150℃，用水量1.5%，氣壓1.5 m3/h，制備的泡沫瀝青最大膨脹率為10倍，半衰期為8.5 s。混合料原材料具體加熱溫度及泡沫再生瀝青混合料拌和壓實溫度見表7。以下將分析RAP料對泡沫溫拌再生瀝青混合料高溫性能、劈裂強度及短期抗水損害能力的影響。

表7 AC-13混合料壓實、拌和溫度及原材料加熱溫度

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍實驗中的動穩(wěn)定度指標評價泡沫溫拌再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，具體試驗方法依照JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T 0719—2011，混合料動穩(wěn)定度指標要求參考JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》?；旌狭系膭臃€(wěn)定度越大，則其高溫抗變形能力越強。表8所示為混合料車轍試驗結果。

表8 AC-13混合料車轍試驗結果

由表8可知，熱拌AC-13瀝青混合料的動穩(wěn)定度最小，表示其高溫抗變形能力最弱 ，隨著RAP摻量的提高，泡沫溫拌再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈上升趨勢，RAP料有利于泡沫溫拌再生混合料的高溫穩(wěn)定性。RAP料表層的老化瀝青呈現(xiàn)硬脆狀態(tài)，泡沫瀝青與其混合之后，再生混合料中的膠結料整體上會有更大的勁度，混合料的高溫穩(wěn)定性主要依賴于集料和膠結料，再生料中的膠結料勁度增大，抗車轍因子變大，泡沫溫拌再生瀝青混合料的抗車轍能力得以增強。

3.2 水穩(wěn)定性

泡沫溫拌再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性通過凍融劈裂試驗測試，以混合料凍融前后劈裂強度比TSR作為評價指標，試驗方法依照JTG E20—2011中T 0716—2011，混合料TSR指標要求參照JTG F40—2004。

3.2.1 劈裂強度（見圖1）

圖1 RAP摻量對混合料劈裂強度的影響

由圖1可知，泡沫溫拌再生瀝青混合料凍融前后的劈裂強度較常規(guī)熱拌瀝青混合料有較大增長，且隨著RAP料摻量的增加，再生瀝青混合料凍融前后的劈裂強度呈上升趨勢，這反映了RAP料有利于提高泡沫溫拌再生瀝青混合料的強度。在車輛荷載及自然環(huán)境的作用下，再生集料的抗壓碎能力會有一定程度降低，RAP中再生集料對再生瀝青混合料劈裂強度的增長并無貢獻，再生瀝青混合料劈裂強度的增長是由RAP中的舊瀝青膠結料造成的，膠結料進過短期老化之后，其本身黏度會提高，一定程度上提高了集料-瀝青之間的黏附性能，由此再生瀝青混合料的劈裂強度得以提升[10]。

3.2.2 短期抗水損害能力（見表9）

表9 AC-13瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果

由表9可知，混合料的水穩(wěn)定性能均能達到JTG F40—2004規(guī)范要求。再生料的摻入并不會降低泡沫溫拌再生瀝青混合料的短期抗水損害能力，較熱拌瀝青混合料而言，不同RAP摻量下的再生瀝青混合料TSR均得到一定程度增大，說明再生料有利于泡沫溫拌再生瀝青混合料的短期水穩(wěn)定性能。泡沫溫拌有別與其他混合料拌合方式，泡沫瀝青能更好的裹覆再生料，與RAP料表層的老化瀝青具有更好的融合效果，泡沫瀝青中含有的水分可能在某種程度上提升了再生料的粘附能力，再生混合料中的新舊料結合能力得到增強，因此能夠更好的抵抗水分的侵害。隨著RAP摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青混合料的TSR呈現(xiàn)下降趨勢。這可能是瀝青混合料空隙率差異造成的，如表9所示，隨著RAP摻量的增加，再生混合料的空隙率逐漸增大，水分更容易滲入混合料內部，進而破壞混合料的強度；另外再生瀝青混合料中的新-舊瀝青界面可能存在微裂紋，RAP料摻量的增長一定程度上增加了微裂紋存在的數(shù)量，在水分的作用下，微裂紋會逐漸擴散，對混合料的強度具有負面影響。

4 結語

（1）利用瀝青含量、各粒徑集料分計篩余量的變異系數(shù)評價“分檔”工藝對RAP料的處理效果，結果表明，“分檔”處理能有效降低RAP料級配及瀝青含量的變異性，有利于再生瀝青混合料級配的調整和新瀝青比例的合理添加。

（2）將 RAP 料分為 0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5 mm+三檔料，可使三檔料中的關鍵篩孔粒徑分計篩余量變異系數(shù)得到大幅度降低。

（3）泡沫溫拌再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性較常規(guī)熱拌瀝青混合料有大幅度增長，這主要歸功于RAP料中的舊瀝青膠結料。

（4）泡沫溫拌再生瀝青混合料凍融前后的劈裂強度明顯高于常規(guī)熱拌瀝青混合料，隨著RAP料摻量提高，再生混合料凍融前后的劈裂強度逐漸上升。

（5）當RAP摻量為30%～50%，泡沫溫拌再生瀝青混合料的TSR均高于常規(guī)熱拌瀝青混合料，表明泡沫溫拌再生瀝青混合料的短期抗水損害能力優(yōu)于常規(guī)熱拌瀝青混合料，隨著RAP摻量的提高，再生混合料的抗水損害能力逐漸降低?；旌狭祥L期處于自然環(huán)境下，在低溫、雨水、荷載、紫外光的長期作用下，泡沫溫拌再生瀝青混合料的性能會不斷下降，其長期性能仍有待研究。