再生添加料對瀝青路面泡沫瀝青混合料性能影響

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(中國路橋工程有限責(zé)任公司， 北京 100011)

泡沫瀝青由普通瀝青和壓縮空氣、水混合制備而成，屬于一種冷再生穩(wěn)定劑，在瀝青發(fā)泡過程中，其黏度會急劇下降，因此可與冷濕集料進行拌和形成混合料。在路面基層或底基層鋪筑中，通常使用的是泡沫瀝青再生混合料[1]。因受行車荷載的作用，泡沫瀝青再生基層或底基層承受的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力大小不同，若再生結(jié)構(gòu)層強度較弱，這些應(yīng)力作用則無法抵抗，路面就會出現(xiàn)碎裂、斷裂、沉陷等現(xiàn)象，這會對道路正常使用造成嚴重影響[2-5]。因此，泡沫瀝青再生結(jié)構(gòu)層的強度特性必須合適，并具有足夠剛度，以確保荷載作用下結(jié)構(gòu)層不產(chǎn)生過量的變形，避免路面出現(xiàn)開裂等病害[6]。對于泡沫瀝青再生結(jié)構(gòu)層而言，其兩個重要的力學(xué)特性為剛度和強度，要將再生層的使用性能提高，則要對影響再生層材料剛度和強度的力學(xué)特性因素進行分析，從本質(zhì)上對再生結(jié)構(gòu)層材料性能進行優(yōu)化[7]。影響泡沫瀝青再生混合料力學(xué)特性的因素包括再生料、泡沫瀝青、水、水泥養(yǎng)生條件等[8]。本文基于再生瀝青路面，研究了其在干燥條件下對泡沫瀝青混合料抗拉強度的影響。

1 試驗原料

1.1 泡沫瀝青

選用茂名石化70號基質(zhì)瀝青，通過發(fā)泡設(shè)備Wirtgen WLB10，在茂名石化70號基質(zhì)瀝青制備泡沫瀝青，發(fā)泡用水量為2.05%，溫度為150.5 ℃，經(jīng)測定，瀝青發(fā)泡的半衰期為10 s，其實際效果為膨脹率的12.5倍。表1為茂名石化70號基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)。

表1 茂名石化70號基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of No.70 matrix asphalt in Maoming Petrochemical Company試驗項目技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果針入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)延度(15 ℃)/cm針入度指數(shù)閃點(COC)/℃軟化點/℃蠟含量(蒸餾法)/%密度(25 ℃)(g·cm-3)溶解度(三氯乙烯)/%瀝青旋轉(zhuǎn)薄摸烘箱老化RTFOT質(zhì)量變化/℃殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(10 ℃)/cm60～8075.8≥100201.4-1.5～+1.0-0.54≥260280.5≥4651.2≤2.21.55實測值1.13≥99.599.6≤0.71-0.51≥6172.5≥68.1

1.2 銑刨料

試驗選用取自西安-渭南高速公路(A1)、西安-寶雞高速公路(A2)的兩種瀝青路面銑刨舊料，其中A1對應(yīng)的舊瀝青含量為4.35%，A2為4.76%，表2為A1和A2舊瀝青的級配組成。

表2 A1和A2舊瀝青的級配組成Table 2 Gradation of A1 and A2 old asphalt篩孔?/mmA1A2篩孔?/mmA1A231.52100.0100.02.3845.531.826.5498.398.51.1926.220.519.1584.183.20.6128.810.916.0280.276.30.3223.111.913.2274.265.30.1616.918.79.5269.458.30.0810.47.04.7758.348.4

1.3 石屑及礦粉

石屑為淄博金日礦業(yè)有限公司的產(chǎn)品，其砂當(dāng)量為74.3%，含水率為1.2%，堅固性為6%。礦粉為自行加工生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，其中<0.08 mm的含量為81.3%，礦粉視密度為2.73 kg/m3，含水量0.36%。

2 抗拉強度試驗方案

試驗中，兩種舊瀝青A1和A2摻量均為0%、25%、45%、65%、85%，其中舊瀝青摻量為0%,表示泡沫瀝青混合料試驗全部采用新料進行。兩種瀝青舊料分別與對應(yīng)的5種用量不同的泡沫瀝青進行混和，從而獲得成型試件，在室溫進行24 h的放置后，在40 ℃烘箱進行72 h的養(yǎng)生，然后進行干燥條件下的25 ℃抗拉強度，即ITS試驗，同時對殘留抗拉強度比TSR進行測試。表3為不同舊瀝青摻量下的泡沫瀝青量及試驗結(jié)果。

表3 不同舊瀝青摻量下的泡沫瀝青量及試驗結(jié)果Table 3 The amount and test results of foamed asphalt under different old asphalt content瀝青類別舊瀝青摻量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳拌合用水量/%泡沫瀝青/%05.532.494.092.2255.892.434.242.7A1456.052.364.403.2656.132.314.593.7856.202.284.634.205.532.494.482.2255.882.404.562.7A2456.032.324.673.2656.262.274.803.7856.312.244.824.2

3 結(jié)果與討論

3.1 瀝青用量及種類對混合料性能的影響

在茂名石化70號基質(zhì)瀝青最佳發(fā)泡條件下，A1和A2混合料設(shè)定的泡沫瀝青用量均為2.2%、2.7%、3.2%、3.7%、4.2%；成型馬歇爾試件，試驗溫度為15 ℃，根據(jù)T0716-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》方法進行干燥條件下泡沫瀝青抗拉強度試驗。表4為不同泡沫瀝青用量的抗拉試驗結(jié)果。

表4 不同泡沫瀝青用量的抗拉試驗結(jié)果Table 4 Tensile test results of different foamed asphalt content瀝青類別瀝青用量/%ITS/MPaTSR/%瀝青類別瀝青用量/%ITS/MPaTSR/%2.20.4366.82.20.3567.72.70.4876.72.70.4071.9A13.20.5979.4A23.20.4776.23.70.6684.73.70.5380.94.20.5877.34.20.4979.3

由表4知，隨著泡沫瀝青用量的增加，A1和A2兩種瀝青混合料抗拉強度先增大后減小，其殘留抗拉強度比也逐漸增大然后再減小。這說明在泡沫瀝青用量較少時，混合料足夠的強度不能形成；而瀝青用量在最佳條件下，粉料能夠被完全包裹，此時瀝青膠漿的粘結(jié)力最優(yōu)；繼續(xù)增大瀝青用量，混合料的內(nèi)摩擦角會降低，從而減低了其強度。在瀝青用量為3.5%時，兩種瀝青抗拉強度均具有最大值，A1抗拉強度為0.66 MPa，A2為0.53 MPa，此時兩種的殘留抗拉強度比均具有最大值，A1值為84.7%，A2值為80.9%。

圖1 不同瀝青種類對抗拉強度的影響Figure 1 Effect of different asphalt types on tensile strength

圖1為不同瀝青種類對抗拉強度的影響，由圖1知，在泡沫瀝青用量相同時，A1再生混合料抗拉強度和殘留抗拉強度比均要比A2優(yōu)，抗拉強度最大可提高21.53%。這說明A1瀝青發(fā)泡效果較好，泡沫瀝青具有較長的半衰期，這樣接觸再生混合料的拌和時間就越長，混合料就會具有更好的拌和效果；由于泡沫瀝青具有較大的膨脹比，其體積較大，因而在混合料中具有比較均勻的分散性，泡沫瀝青能對細料進行更好的裹附，從而形成的瀝青膠漿粘結(jié)力更強[9]，這樣泡沫瀝青冷再生混合料的抗拉強度會較高。

3.2 拌和用水量對混合料性能的影響

在含水量分別為32%、52%、62%、72%、82%、92%、112%、132%時，選用最佳發(fā)泡條件下的茂名石化70號基質(zhì)瀝青，在泡沫瀝青最佳用量下，成型為拌和用水量不同的馬歇爾試件，在完成養(yǎng)生后，根據(jù)T0716-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的方法進行抗拉強度試驗[10]。表5為不同拌和用水量的抗拉強度。

表5 不同拌和用水量的抗拉強度Table 5 Tensile strength of different mixing water consumption含水量/%A1瀝青A2瀝青抗拉強度/MPaTSR抗拉強度/MPaTSR320.3242.60.2943.1520.4059.10.3558.9620.5877.30.4874.6720.6684.70.5579.3820.6484.00.5280.5920.5577.50.4677.21120.4769.70.4273.31320.4268.80.3666.8

由表5知，對于A1和A2瀝青混合料而言，其抗拉強度和TSR隨著拌和用水量的增加先增大后減小，這說明A1和A2瀝青混合料均有一個最佳拌和用水量存在。A1瀝青混合料的抗拉強度變化范圍為0.32～0.66 MPa，TSR變化范圍為42.6%～84.7%；A2瀝青混合料的抗拉強度變化范圍為0.29～0.55 MPa，TSR變化范圍為43.1%～80.5%。因此，在A1和A2瀝青混合料拌和用水量分別為62%～82%、72%～82%時，瀝青具有良好的分散效果，拌和效果理想，瀝青未有結(jié)團現(xiàn)象發(fā)生，且具有較好的壓實效果，同時再生混合料具有較高的強度。A1和A2瀝青混合料的拌和用水量由32%提高到72%時，抗拉強度和TSR逐漸增大，同時其具有較大的變化幅度。在拌和用水量不同時，A1和A2瀝青混合料的抗拉結(jié)果變化規(guī)律比較類似，拌和用水量<62%時，泡沫瀝青會有不同程度的瀝青團出現(xiàn)，其分散不均勻，這會造成泡沫瀝青混合料具有較差的壓實效果，其水穩(wěn)定性較差，空隙較大。拌和用水量>92%時，混合料成型會有溢水現(xiàn)象出現(xiàn)，降低了混合料的密實度，試件在養(yǎng)生后會有較大的空隙率，其混合料強度會減小，抗水損害性能則較差。

3.3 養(yǎng)生條件對混合料性能的影響

在一定溫度下，對泡沫瀝青冷再生混合料試件進行養(yǎng)生，使其水分的散失加速，從而形成最終強度。測定養(yǎng)生1 d、3 d、5 d、7 d、30 d、90 d試件的抗拉強度和TSR，分析養(yǎng)生條件下不同對再生混合料強度特性的影響。養(yǎng)生條件是在室溫下，將試件不脫模進行24 h的靜置養(yǎng)生，然后將試件脫模，同時放入41±2 ℃恒溫通風(fēng)烘箱中進行養(yǎng)生1 d、3 d的養(yǎng)生，隨后在干燥室溫下，對試件進行養(yǎng)生2 d、4 d的養(yǎng)生，也就是說養(yǎng)生時間為1 d、3 d、5 d、7 d，最后則直接在干燥室溫條件下，進行養(yǎng)生30 d、90 d的養(yǎng)生。圖2為養(yǎng)生時間與抗拉強度及TSR的關(guān)系。

圖2 養(yǎng)生時間與抗拉強度及TSR的關(guān)系Figure 2 Relationship between health duration and tensile strength and TSR

由圖2知，泡沫瀝青冷再生混合料隨著養(yǎng)生時間的延長，其TSR逐漸減小，抗拉強度逐漸增大。在養(yǎng)生時間為1 d時，試件可具有一定強度，但其強度較低，為0.35 MPa，是最大抗拉強度的50.2%，TSR值則較高，為1.87%。在養(yǎng)生時間從1 d增加到3 d時，抗拉強度具有較大的增長幅度，3 d時抗拉強度為0.68 MPa，提高了94.29%；3d時TSR值為0.19%，降低了89.84%。在進行3 d的養(yǎng)生后，試件強度則趨于穩(wěn)定，抗拉強度和TSR值隨養(yǎng)生時間的延長沒有明顯變化。在不同養(yǎng)生條件下，泡沫瀝青冷再生混合料的強度具有一定的差異，這是由于養(yǎng)生時間不同，試件具有不同的含水量。在養(yǎng)生初期，再生混合料具有較高的含水量，水泥的水化不完全，這就造成其抗拉強度較低。對于1 d到3 d養(yǎng)生的試件，其抗拉強度具有大幅的增加，這是因為水泥此時已完全水化，其足夠強度能夠形成。在養(yǎng)生后期，試件含水量基本與0接近，抗拉強度變化不明顯，此時抗拉強度具有最大值，這說明泡沫瀝青冷再生混合料的抗拉強度和混合料中的含水量關(guān)系密切。

3.4 水泥摻量對混合料性能的影響

對A1和A2瀝青混合料設(shè)定5種不同的水泥用量，分別為0%、1.1%、1.6%、2.1%、3.1%。試件不脫模，在室溫下進行養(yǎng)生24 h的靜置，然后將試件脫模，同時將其放入41±2 ℃的烘箱中進行3 d的養(yǎng)護再進行抗拉試驗，圖3為不同水泥用量下A1的抗拉強度變化，圖4為不同水泥用量下A2的抗拉強度變化。

圖3 不同水泥用量下A1的抗拉強度變化Figure 3 Variation of tensile strength of A1 under different cement dosage

圖4 不同水泥用量下A2的抗拉強度變化Figure 4 Variation of tensile strength of A2 under different cement dosage

由圖3、圖4知，A1和A2瀝青混合料的抗拉強度隨著水泥用量的增加而顯著增大，但A1和A2瀝青混合料的TSR先增大后減小。與未摻水泥的A1試件相比，在水泥用量為1.1%和1.6%時，其抗拉強度分別為0.54、0.65 MPa，增加了42.11%、71.05%，其對應(yīng)的TSR分別為78.2%、84.8%，增加了23.15%、33.54%。在水泥用量>1.6%后，抗拉強度的增幅較小，此時TSR則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。與未摻水泥的A2試件相比，在水泥用量為1.1%和1.6%時，其抗拉強度分別為0.41、0.53 MPa，增加了28.13%、65.63%，其對應(yīng)的TSR分別為73.8%、79.1%，增加了11.99%、20.03%。在水泥用量>1.6%后，TSR逐漸減小，抗拉強度增幅較小。原因是未摻水泥的

混合料具有較大的空隙率，水容易對其造成破壞，這樣就導(dǎo)致了混合料的水穩(wěn)定性和抗拉強度的降低。在摻量水泥較為合理時，泡沫瀝青冷再生混合料抗拉強度較好，其使用性能良好，這是由于水泥在進行水化反應(yīng)時，會生成水化產(chǎn)物，這對改善礦料表面的棱角性有利，這樣能使泡沫瀝青分散均勻，對細料進行較好裹附，使再生混合料粘聚力得到提高，進而提高泡沫瀝青冷再生混合料的整體強度。

4 結(jié)論

本文基于再生瀝青路面，通過對瀝青種類及用量、養(yǎng)生條件、拌和用水量、水泥用量等影響因素的分析，研究了其在干燥條件下對泡沫瀝青混合料抗拉強度的影響，得出結(jié)論如下：

a.在泡沫瀝青用量相同時，西安-渭南高速公路(A1)再生混合料抗拉強度和殘留抗拉強度比均要比西安-寶雞高速公路(A2)優(yōu)，抗拉強度最大可提高21.53%。瀝青用量對冷再生混合料性能的影響顯著。隨著泡沫瀝青用量的增加，A1和A2兩種瀝青混合料抗拉強度先增大后減小，其殘留抗拉強度比也逐漸增大然后再減小。

b.A1和A2瀝青混合料的抗拉強度和殘留抗拉強度比(TSR)隨著拌和用水量的增加先增大后減小，在A1和A2瀝青混合料拌和用水量分別為62%～82%、72%～82%時，瀝青具有良好的分散效果，拌和效果理想，瀝青未有結(jié)團現(xiàn)象發(fā)生，且具有較好的壓實效果，同時再生混合料具有較高的強度。

c.泡沫瀝青冷再生混合料隨著養(yǎng)生時間的延長，其TSR逐漸減小，抗拉強度逐漸增大。在養(yǎng)生時間從1 d增加到3 d時，抗拉強度具有較大的增長幅度，3 d時抗拉強度為0.68 MPa，提高了94.29%；3 d時TSR值為0.19%，降低了89.84%。在進行3 d的養(yǎng)生后，試件強度則趨于穩(wěn)定，抗拉強度和TSR值隨養(yǎng)生時間的延長具有不明顯的變化。

d.A1和A2瀝青混合料的抗拉強度隨著水泥用量的增加均具有顯著增大，但A1和A2瀝青混合料的TSR先增大后減小。未摻水泥的混合料具有較大的空隙率，水容易對其造成破壞，這樣就造成了混合料的水穩(wěn)定性和抗拉強度的降低。