李 瑞

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

1 引 言

在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，溫拌瀝青技術(shù)不僅能保證路面鋪筑質(zhì)量，并且還可降低施工溫度約20～30℃。在眾多的溫拌瀝青技術(shù)當(dāng)中，不需使用添加劑的泡沫溫拌技術(shù)已成為主流[1-2]。與化學(xué)、有機(jī)溫拌相比，泡沫溫拌技術(shù)在施工過程中不添加化學(xué)添加劑，明顯降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源和降低排放[3-5]。

在瀝青混合料的生產(chǎn)與施工過程中，瀝青混合料的老化不可避免。Predoehl等[6]通過研究紫外老化對(duì)瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)紫外光老化只會(huì)讓瀝青膜表層下5～l0μm厚度的瀝青發(fā)生硬化。Xu S等[7]通過研究紫外老化對(duì)瀝青結(jié)合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)紫外光老化使瀝青結(jié)合料的溫度敏感性降低；同時(shí)，瀝青變得更硬更脆。張保立[8]通過對(duì)光熱老化后的混合料路用性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著老化時(shí)間的增加，混合料的強(qiáng)度逐漸降低；老化程度相同的情況下，混合料在-10℃時(shí)的彎拉強(qiáng)度小于0℃時(shí)的彎拉強(qiáng)度。劉彥等[9]通過對(duì)SMA-13和AC-13混合料老化后的低溫力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)SMA-13瀝青混合料隨著老化程度的增加，其彎曲強(qiáng)度先升高后下降；而AC-13瀝青混合料隨著老化程度的增加其彎曲強(qiáng)度逐漸減小。陳華鑫等[10]通過瀝青混合料的老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：粗級(jí)配瀝青混合料的抗老化性能優(yōu)于細(xì)級(jí)配；在抗低溫和抗老化性能方面，改性瀝青的瀝青混合料要優(yōu)于基質(zhì)瀝青；各種瀝青混合料老化后的低溫性能均有不同程度的下降，并且長(zhǎng)期老化比短期老化下降幅度更大。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料性能影響的研究較少。泡沫溫拌瀝青混合料與常規(guī)熱拌瀝青混合料相比，瀝青的粘度降低，混合料的和易性好。在降低施工溫度的情況下，老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料的性能影響尚不明確。本文分別對(duì)70#道路石油瀝青混合料和泡沫溫拌70#瀝青混合料在未老化、短期老化、長(zhǎng)期老化三個(gè)階段的路用性能進(jìn)行測(cè)試，明確老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料性能的影響。

2 試驗(yàn)原材料

2.1 泡沫瀝青

研究所需的瀝青采用中海牌70#道路石油瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。將70#道路石油瀝青作為原材料發(fā)泡制備泡沫瀝青，瀝青發(fā)泡試驗(yàn)采用自制的發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)在145℃發(fā)泡溫度、1.5%發(fā)泡用水量和25℃發(fā)泡水溫條件下進(jìn)行。

表1 70號(hào)道路石油瀝青基本性能Table 1 Properties of the 70#Asphalt

2.2 集料

研究所需集料采用玄武巖，共分4檔，測(cè)得的密度指標(biāo)如表2所示。泡沫溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料均選取Sup-20級(jí)配，設(shè)計(jì)級(jí)配曲線如圖1，熱拌與溫拌的瀝青用量均為4.2%。

表2 集料密度指標(biāo)Table 2 Index of Aggregate density

圖1 Sup-20級(jí)配曲線圖Fig.1 Grading curve of Sup-20

3 泡沫溫拌瀝青混合料制備

3.1 泡沫溫拌瀝青混合料壓實(shí)溫度確定

為確定泡沫溫拌瀝青混合料合適的拌和與壓實(shí)溫度，在不同溫度下分別成型泡沫溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料試件，對(duì)比兩者的空隙率，能達(dá)到或接近熱拌成型試件空隙率時(shí)的壓實(shí)溫度即為泡沫溫拌瀝青混合料的適宜壓實(shí)溫度[11]。

試驗(yàn)采用與熱拌對(duì)比方式，熱拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度按施工規(guī)范要求定為140℃，泡沫溫拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度分別為90、100、110、120和130℃。在不同的壓實(shí)溫度下，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)分別成型泡沫溫拌與熱拌混合料試件，測(cè)定試件的毛體積密度和空隙率分別見圖2和圖3。

圖2 混合料毛體積密度Fig.2 Bulk density of mixture

圖3 混合料空隙率Fig.3 Porosity of mixture

分析圖2、圖3可知，當(dāng)泡沫溫拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度為110℃時(shí)，試件的毛體積密度和空隙率分別為2.429g/cm3和4.0%，與熱拌混合料試件(壓實(shí)溫度為140℃)的毛體積密度和空隙率(2.430g/cm3和4.0%)很接近，這說明泡沫溫拌和熱拌瀝青混合料在不同溫度下的壓實(shí)效果相當(dāng)。因此可以確定泡沫溫拌瀝青混合料適宜的壓實(shí)溫度為110℃左右，拌和溫度為125℃左右。

3.2 混合料老化試驗(yàn)

3.2.1 老化試驗(yàn) 短期老化：首先將準(zhǔn)備好的集料、瀝青等加熱到相應(yīng)的溫度，而后在拌和鍋中拌勻，將拌和后的松散泡沫溫拌和熱拌Sup-20混合料置于135℃的烘箱中，通風(fēng)加熱的條件下老化約4 h，期間每隔1 h翻拌一次，完成后即取出。在110和140℃的條件下分別成型泡沫溫拌和熱拌Sup-20混合料的馬歇爾試件和車轍板試件。

長(zhǎng)期老化：將用兩種混合料制備的車轍板試件和馬歇爾試件在室溫條件下進(jìn)行冷卻，隨后將試件脫模后放入烘箱中，設(shè)置為85℃，通風(fēng)條件下連續(xù)加熱5 d。完成后取出試件，待試件冷卻后分別對(duì)在不同老化狀態(tài)下的泡沫溫拌和熱拌混合料進(jìn)行高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能測(cè)試。

3.2.2 老化時(shí)間對(duì)混合料體積指標(biāo)的影響 按照設(shè)計(jì)的級(jí)配進(jìn)行泡沫溫拌Sup-20混合料的配制，并在上文確定的125℃的條件下進(jìn)行拌和，在110℃的條件下壓實(shí)成型試件，在烘箱中(溫度設(shè)置為135℃)對(duì)泡沫溫拌混合料試件進(jìn)行不同時(shí)間的老化(0、2、4和6h)，而后對(duì)混合料的體積指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖可見，在0～4h的老化時(shí)間內(nèi)，泡沫溫拌混合料的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度差別不大，而當(dāng)老化時(shí)間為6h時(shí)，混合料的體積指標(biāo)變化則較為明顯，這說明0～4h的老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料體積指標(biāo)的影響不大，此時(shí)的泡沫溫拌Sup-20混合料仍具有良好的施工和易性。

4 泡沫溫拌瀝青混合料路用性能

4.1 高溫性能試驗(yàn)

分別對(duì)經(jīng)過短期老化和長(zhǎng)期老化后的熱拌與泡沫溫拌瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行測(cè)試，研究采用車轍試驗(yàn)對(duì)混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]，試驗(yàn)在60℃、0.7MPa的條件下進(jìn)行，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在不同狀態(tài)下，熱拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于泡沫溫拌瀝青混合料，這說明不同老化狀態(tài)下的熱拌混合料的高溫性能均優(yōu)于泡沫溫拌。隨著老化的進(jìn)行，熱拌與泡沫溫拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大。在經(jīng)過短期老化后，與原樣混合料相比，熱拌與泡沫溫拌混合料動(dòng)穩(wěn)定度的增幅分別為32.15%和42.96%；在經(jīng)過長(zhǎng)期老化后，與原樣混合料相比，熱拌與泡沫溫拌混合料動(dòng)穩(wěn)定度的增幅分別為47.09%和59.84%?？梢钥闯觯?jīng)過長(zhǎng)期老化后的混合料穩(wěn)定度最大，說明老化使得熱拌與泡沫溫拌瀝青混合料的高溫抗車轍性能變好，這是由于老化使得瀝青結(jié)合料變硬，從而混合料整個(gè)體系變硬，抗變形能力增強(qiáng)。另外，無論是短期老化還是長(zhǎng)期老化，與熱拌混合料相比，老化使泡沫溫拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增幅較大，說明老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料的高溫性能影響較大。

圖4 不同老化時(shí)間下體積指標(biāo)的變化 (a)毛體積相對(duì)密度；(b)空隙率；(c)礦料間隙率；(d)瀝青飽和度Fig.4 Volume index under different aging time (a)Bulk volume relative density；(b)Void ratio；(c)Mineral gap rate；(d)Asphalt saturation

圖5 混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果 (a)溫拌與熱拌瀝青動(dòng)穩(wěn)定度；(b)溫拌與熱拌瀝青動(dòng)穩(wěn)定度增幅Fig.5 Results of rutting test (a)Dynamic stability of warm-mix and hot-mix asphalt；(b)Increase of dynamic stability of warm-mix and hot-mix asphalt

4.2 低溫性能試驗(yàn)

本文采用小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)熱拌和泡沫溫拌混合料在不同老化狀態(tài)下的低溫性能予以評(píng)價(jià)[12]，在-10℃條件下進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果 (a)溫拌與熱拌瀝青破壞應(yīng)變；(b)溫拌與熱拌瀝青破壞應(yīng)變降幅Fig.6 Results of small beam bending test (a)Failure strain of warm-mix and hot-mix asphalt；(b)Decrease of failure strain of warm-mix and hot-mix asphalt

分析圖6中數(shù)據(jù)可知，熱拌瀝青混合料的破壞應(yīng)變值大于泡沫溫拌瀝青混合料，說明熱拌混合料的低溫性能優(yōu)于泡沫溫拌。在經(jīng)過短期老化后，與原樣混合料相比，熱拌與泡沫溫拌混合料破壞應(yīng)變值的降幅分別為14.14%和21.03%；在經(jīng)過長(zhǎng)期老化后，與原樣混合料相比，熱拌與泡沫溫拌混合料破壞應(yīng)變值的降幅分別為15.50%和22.66%，但仍高于規(guī)范要求值?？梢钥闯觯?jīng)過長(zhǎng)期老化后，熱拌與泡沫溫拌混合料的破壞應(yīng)變值降幅較大，說明老化使得熱拌與泡沫溫拌瀝青混合料的低溫抗裂性能變差，這是由于老化使得混合料整個(gè)體系變脆、變硬，在低溫條件下，容易發(fā)生斷裂。與熱拌混合料相比，老化使泡沫溫拌瀝青混合料的破壞應(yīng)變值降幅較大，說明老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料的低溫性能影響較大。

4.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料抗水損害性能的影響，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)熱拌和泡沫溫拌瀝青混合料在不同老化狀態(tài)下的水穩(wěn)定性能進(jìn)行研究，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 混合料浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果 (a)溫拌與熱拌瀝青殘留穩(wěn)定度；(b)溫拌與熱拌瀝青殘留穩(wěn)定度降幅Fig.7 Results of Marshall stability test (a)Residual stability of warm-mix and hot-mix asphalt；(b)Decrease of residual stability of warm-mix and hot-mix asphalt

圖8 混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果 (a)溫拌與熱拌瀝青TSR值；(b)溫拌與熱拌瀝青TSR值降幅Fig.8 Results of Freeze-thaw splitting test (a)TSR of warm-mix and hot-mix asphalt；(b)Decrease of TSR of warm-mix and hot-mix asphalt

結(jié)合圖7和圖8中數(shù)據(jù)可知，熱拌瀝青混合料的抗水損害性能優(yōu)于泡沫溫拌。經(jīng)過老化后，兩種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR值均降低。在經(jīng)過短期老化后，與原樣混合料相比，熱拌與泡沫溫拌混合料殘留穩(wěn)定度的降幅分別為2.21%和3.85%；在經(jīng)過長(zhǎng)期老化后，熱拌與泡沫溫拌混合料殘留穩(wěn)定度的降幅分別為2.96%和4.61%。在經(jīng)過短期老化后，與原樣混合料相比，熱拌與泡沫溫拌混合料TSR值的降幅分別為2.92%和7.35%；在經(jīng)過長(zhǎng)期老化后，熱拌與泡沫溫拌混合料TSR值的降幅分別為3.24%和8.16%。說明老化使得熱拌與泡沫溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能變差。但兩種瀝青混合料的水穩(wěn)定性仍能滿足規(guī)范要求。與熱拌混合料相比，老化使泡沫溫拌瀝青混合料的抗水損害性能降幅較大，說明老化對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料的抗水損害性能影響較大。

5 結(jié) 論

1.確定的泡沫溫拌Sup-20混合料適宜的壓實(shí)溫度為110℃左右，拌和溫度為125℃左右。

2.泡沫溫拌Sup-20混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能均稍弱于相應(yīng)的熱拌瀝青混合料，但都能滿足現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范。

3.經(jīng)過短期和長(zhǎng)期老化后，熱拌瀝青混合料和泡沫溫拌混合料的路用性能均呈現(xiàn)不同程度衰減，泡沫溫拌Sup-20混合料的路用性能衰減程度大于相應(yīng)熱拌混合料，這表明泡沫溫拌瀝青混合料的抗老化性能弱于熱拌混合料。