半溫拌泡沫瀝青混合料水穩(wěn)定性及壓實(shí)特性研究

臧芝樹， 趙賓， 申愛琴 編譯

(1.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司， 北京市 100097； 2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

半溫拌泡沫瀝青技術(shù)是在溫拌瀝青混合料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種拌和溫度低于100 ℃的施工技術(shù)，具有環(huán)保節(jié)能，降低瀝青老化及顯著延長施工季節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，由于該技術(shù)在降低施工溫度達(dá)40～60 ℃的基礎(chǔ)上，仍能保持較為良好的路用性能，故成為道路工程前沿領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。但較低的拌和溫度使水分無法揮發(fā)，影響瀝青與集料的裹覆能力，降低混合料的黏附能力，使水穩(wěn)定性能下降，因此如何保證半溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能是重中之重。

目前在水穩(wěn)定性能的提高上，一般采取發(fā)泡技術(shù)或者添加由費(fèi)托技術(shù)合成的蠟(簡稱費(fèi)托蠟，F(xiàn)T wax)等措施，而摻加FT是在瀝青發(fā)泡前，通過改善瀝青的流變性質(zhì)，從而達(dá)到促進(jìn)瀝青發(fā)泡性能的目的。Marek Iwan′ski等進(jìn)行了費(fèi)托蠟改善瀝青發(fā)泡性能的相關(guān)研究，得出FT的添加可以顯著改善泡沫瀝青的發(fā)泡性能；Silva HMRD等發(fā)現(xiàn)費(fèi)托蠟FT在拌和溫度100 ℃以下時(shí)增大瀝青黏度，而高于100 ℃即減小瀝青黏度，可實(shí)現(xiàn)瀝青混合料更低環(huán)境下的拌和施工?？傊瑖鴥?nèi)外關(guān)于半溫拌泡沫瀝青技術(shù)的研究較少，因此十分有必要對(duì)該技術(shù)的水穩(wěn)定性能展開研究。

該文借助自主設(shè)計(jì)的試驗(yàn)環(huán)境，重點(diǎn)研究摻FT的半溫拌泡沫瀝青混合料的壓實(shí)特性及水穩(wěn)定性能。同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)分析，探究不同瀝青混合料對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的顯著性程度，并建立壓實(shí)特性與水穩(wěn)定性能之間的聯(lián)系，為半溫拌泡沫技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

此次試驗(yàn)研究采用50/70號(hào)瀝青，溫拌劑選擇費(fèi)托蠟(FT wax)，劑量是瀝青質(zhì)量的2.5%，添加FT前后瀝青的技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果見表1，均滿足規(guī)范要求。粗集料采用輝長巖，細(xì)集料及礦粉選用石灰?guī)r，為制備表面磨耗層AC-8瀝青混合料，各集料的配比為(4～8 mm)∶(2～5 mm)∶(0～2 mm)∶礦粉=40%∶16%∶37%∶7%，級(jí)配曲線見圖1，瀝青用量為5.8%。

表1 添加FT降黏劑前后瀝青的技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

圖1 AC-8瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線

1.2 試驗(yàn)方案

為評(píng)價(jià)半溫拌泡沫瀝青混合料的壓實(shí)特性及水敏感性能，首先進(jìn)行不同類型試件的制備：在140 ℃擊實(shí)溫度下成型熱拌瀝青混合料HMA(簡稱A混合料)，在95 ℃擊實(shí)溫度下分別成型未添加FT、添加2.5%FT的溫拌泡沫瀝青混合料HFWMA(簡稱B混合料)、HFWMA(簡稱C混合料)。主要測(cè)試方法如下：

(1) 瀝青發(fā)泡性能

分別對(duì)50/70號(hào)及2.5%FT+50/70的瀝青進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，在140 ℃試驗(yàn)溫度下，發(fā)泡用水量采用1.5%～4.0%，間隔0.5%，以膨脹率和半衰期為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取二者均較高時(shí)的發(fā)泡用水量作為最佳發(fā)泡用水量。

對(duì)添加2.5%FT前后的50/70號(hào)瀝青進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀝青發(fā)泡性能曲線

從圖2可以看出：隨著發(fā)泡用水量的增加，兩種類型瀝青的膨脹率呈線性增加，半衰期線性減小，擬合精度均達(dá)到95%，其中，添加FT溫拌劑后，相較于普通基質(zhì)瀝青而言，膨脹率和半衰期均有較大幅度的提高。以膨脹率和半衰期均較大為原則選擇瀝青的最佳發(fā)泡用水量，最終確定添加2.5%FT前后的瀝青最佳發(fā)泡用水量分別為2.5%和2.0%，膨脹率為11倍和18倍，半衰期為10 s和18 s。

(2) 壓實(shí)特性

針對(duì)不同類型的混合料(A、B和C)，采用馬歇爾試驗(yàn)方法，改變不同的擊實(shí)次數(shù)(雙面擊實(shí)35次、50次和75次)分別成型9個(gè)馬歇爾平行試件，測(cè)試對(duì)應(yīng)試件的空隙率，以此研究半溫拌泡沫瀝青混合料的壓實(shí)特性。

(3) 水敏感性能

采用間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，選用干、濕劈裂強(qiáng)度(ITSd、ITSw)及干濕劈裂強(qiáng)度比(ITSR)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)半溫拌泡沫瀝青混合料的水敏感性能?？紤]到當(dāng)?shù)貒?yán)峻的降雨及水損害等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn)環(huán)境，如表2所示，分別測(cè)試ITSd、ITSw(A)、ITSw(B)(單位：kPa)，最終可得到不同試驗(yàn)環(huán)境下半溫拌泡沫瀝青混合料的干濕劈裂強(qiáng)度比——ITSR(單位：%)。

最后，借助單因素方差分析及Duncan多重比較檢驗(yàn)，得到添加溫拌劑FT前后影響空隙率Vm、ITSd、ITSw(A)、ITSw(B)及ITSR等指標(biāo)的顯著性程度，另外還得到了壓實(shí)特性與水穩(wěn)定性能的關(guān)系方程。

2 結(jié)果及討論

2.1 空隙率結(jié)果分析

改變擊實(shí)次數(shù)，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)方法制備試件，測(cè)試不同混合料的空隙率，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。

通過對(duì)圖3中3種瀝青混合料(A、B和C)的空隙率比較可以看出：3種瀝青混合料的空隙率均滿足規(guī)范要求，在2%～4%范圍內(nèi)，其中混合料B的空隙率最大，而混合料A與C的空隙率相當(dāng)，僅相差0.2%。造成該現(xiàn)象的主要原因是，添加費(fèi)托合成蠟FT之后，降低了瀝青的黏度，增強(qiáng)了瀝青與集料的裹覆能力，從而提高了混合料的壓實(shí)度，使得在降低壓實(shí)溫度的同時(shí)空隙率并未大幅度提升。

表2 水敏感性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖3 3種瀝青混合料的空隙率比較

圖4 3種混合料空隙率Vm隨擊實(shí)次數(shù)的變化

圖4為半溫拌泡沫瀝青混合料空隙率Vm隨擊實(shí)次數(shù)的變化規(guī)律。由圖4可知：① 隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，空隙率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)擊實(shí)次數(shù)從35次增加到50次時(shí)，3種混合料空隙率下降較快，一旦超過50次后，下降速度放緩，由此說明HWMA與HMA的壓實(shí)特性相似，均是由擊實(shí)次數(shù)增加從而提高混合料密實(shí)度所致；② 未添加溫拌劑FT的混合料B在不同擊實(shí)次數(shù)下的空隙率明顯大于A和C，且添加FT的HWMA與HMA空隙率大致相同。該現(xiàn)象表明：在未摻入溫拌劑FT時(shí)，僅通過發(fā)泡技術(shù)實(shí)現(xiàn)半溫拌目的效果不佳，一旦添加溫拌劑FT后，可達(dá)到與HMA相似的壓實(shí)特性。

對(duì)A、B和C這3組馬歇爾試件(每組9個(gè)試件)的空隙率Vm進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3～5所示。

表3為不同種類(每種9個(gè)平行試件)混合料空隙率Vm的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，3種混合料的空隙率極差差異在0.2%～0.3%波動(dòng)，混合料C的方差和變異系數(shù)最大，表明空隙率差異明顯。表4、5表明了3種混合料之間存在顯著性差異，但混合料A和C之間的P值0.101 15>顯著性水平α=0.05下其他任兩種混合料之間的P值(即表5中帶“*”號(hào)數(shù)據(jù))，由此說明，HWMA+2.5%FT與普通HMA的空隙率之間不存在差異，即添加2.5%FT的半溫拌泡沫瀝青混合料在降低45 ℃施工溫度下，能達(dá)到與普通熱拌瀝青混合料同樣的壓實(shí)特性。

表3 不同類型混合料空隙率Vm的描述統(tǒng)計(jì)量

表4 不同類型混合料空隙率Vm單因素方差分析

表5 不同類型混合料空隙率Vm的Duncan多重比較檢驗(yàn)結(jié)果

注：① *為在水平α=0.05條件下，兩種類型混合料之間有顯著性差異；②M為空隙率Vm均值。

2.2 ITS結(jié)果分析

在顯著降低拌和溫度的同時(shí)，極易導(dǎo)致半溫拌泡沫瀝青混合料壓實(shí)度降低，影響其水穩(wěn)定性能，因此采用間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)價(jià)半溫拌泡沫瀝青混合料的水敏感性能，并對(duì)不同類型混合料間接抗拉強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表6、圖5。

表6 不同類型混合料間接抗拉強(qiáng)度——ITS描述統(tǒng)計(jì)量

圖5 AC-8瀝青混合料干濕劈裂強(qiáng)度比ITSR

由表6干、濕劈裂強(qiáng)度描述性統(tǒng)計(jì)分析可知：① 3種類型混合料的干劈裂強(qiáng)度ITSd變化范圍為750～1 200 kPa，濕環(huán)境A下的劈裂強(qiáng)度ITSw(A)變化范圍為650～1 150 kPa，濕環(huán)境B下的劈裂強(qiáng)度ITSw(B)變化范圍為700～1 200 kPa，整體變異性不大，均小于10%；②ITSd、ITSw(A)、ITSw(B)等指標(biāo)從大到小依次為：C、A和B，其中添加FT的HFWMA相關(guān)劈裂強(qiáng)度指標(biāo)值最高，未添加溫拌劑FT的HFWMA各劈裂強(qiáng)度值最低，表明溫拌劑FT在提高劈裂強(qiáng)度上有顯著作用。

由圖5可知：除了混合料B的ITSw(A)(86%)小于90%以外，其他混合料均滿足規(guī)范對(duì)于水穩(wěn)定性的要求，其中，對(duì)于3種混合料而言，經(jīng)過濕環(huán)境B的ITSRw(B)>ITSRw(A)，高10%左右，主要是環(huán)境B的溫差78 ℃(-18 ℃→60 ℃)較大，相比于環(huán)境A更惡劣，從而使得水穩(wěn)定性能下降。

判別混合料之間的顯著性結(jié)果見表7、8。

由表7、8可知：不同混合料類型對(duì)劈裂強(qiáng)度指標(biāo)ITSd、ITSw(A)和ITSw(B)均存在顯著性影響(P值<0.05)，但表8中混合料類型關(guān)于ITSw(B)指標(biāo)的影響中，混合料A和C的P值(0.679 052)>顯著性水平α=0.5下任意兩種混合料之間的P值(即表8中帶“*”號(hào)數(shù)據(jù))，表明添加2.5%FT的HFWMA在降低壓實(shí)溫度45 ℃下，濕環(huán)境B下的劈裂強(qiáng)度與普通熱拌HMA無差異，即可達(dá)到普通熱拌混合料的水平，主要是因?yàn)镕T的使用在提高瀝青發(fā)泡性能的基礎(chǔ)上，降低了瀝青針入度，提高了軟化點(diǎn)，使混合料的黏聚力及抗永久變形能力增強(qiáng)所致。

表7 不同類型混合料各種間接抗拉強(qiáng)度ITS單因素方差分析

表8 不同類型混合料各種間接抗拉強(qiáng)度ITS Duncan多重比較檢驗(yàn)結(jié)果

注：*為在水平α=0.05條件下，兩種類型混合料之間有顯著性差異；M為ITS均值。

3 水穩(wěn)定性能與壓實(shí)特性相關(guān)性分析

通過上述對(duì)半溫拌泡沫瀝青混合料的壓實(shí)特性及水穩(wěn)定性能研究后發(fā)現(xiàn)，添加2.5%FT的HFWMA壓實(shí)特性及水穩(wěn)定性能可達(dá)到普通熱拌混合料的水平，均滿足規(guī)范要求。另外，壓實(shí)度不足，空隙率偏大，會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)定性能降低，提高壓實(shí)特性，一定程度上可改善混合料的水敏感性能，因此，十分有必要探求半溫拌泡沫瀝青混合料水穩(wěn)定性與壓實(shí)特性二者之間的關(guān)系。針對(duì)3種混合料A、B和C，雙面擊實(shí)35次制備馬歇爾試件，測(cè)試相應(yīng)的空隙率及干濕劈裂強(qiáng)度[ITSd、ITSw(A)和ITSw(B)]，進(jìn)行線性擬合，并得到對(duì)應(yīng)的回歸方程，具體結(jié)果如圖6～8所示。

從圖6～8可以看出：空隙率與間接抗拉強(qiáng)度之間存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系，空隙率變大時(shí)，干濕間接抗拉強(qiáng)度ITS均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，使得水穩(wěn)定性能不足，造成該現(xiàn)象的主要原因是空隙率較大時(shí)壓實(shí)度不足，導(dǎo)致水分進(jìn)入試件內(nèi)部，在凍融循環(huán)和荷載的雙重作用下，加速瀝青從集料表面剝落，造成水穩(wěn)定性能下降，反之亦然。最后通過線性回歸，得到了水穩(wěn)定性能與壓實(shí)特性空隙率之間的關(guān)系方程，從擬合效果來看，R2達(dá)到0.7以上，兩者具有良好的線性關(guān)系，可為半溫拌泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性能研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

圖6 AC-8混合料空隙率Vm-ITSd關(guān)系

圖7 AC-8混合料空隙率Vm-ITSw(A)關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 添加費(fèi)托合成蠟FT，可改變?yōu)r青的流變性質(zhì)，如針入度降低，軟化點(diǎn)提高，使得瀝青混合料的抗永久變形能力增強(qiáng)；改善泡沫瀝青的發(fā)泡性能，使得膨脹率和半衰期顯著提高。

圖8 AC-8混合料空隙率Vm-ITSw(B)關(guān)系

(2) 對(duì)于未使用溫拌劑的混合料而言，半溫拌泡沫瀝青混合料通過添加一定量的FT在一定程度上可改善其壓實(shí)特性及水穩(wěn)定性能，主要原因就是FT的使用降低了瀝青的黏度和提高了發(fā)泡性能，從而改善了工作和易性，使得空隙率下降，壓實(shí)度得到顯著提升。

(3) 在降低施工溫度45 ℃的條件下，僅通過發(fā)泡技術(shù)實(shí)現(xiàn)半溫拌水平效果不佳，可通過添加2.5%FT使半溫拌泡沫瀝青混合料的壓實(shí)特性及水穩(wěn)定性能等達(dá)到普通熱拌HMA的要求。

(4) 建立了半溫拌泡沫瀝青混合料水穩(wěn)定性能與壓實(shí)特性空隙率之間的關(guān)系方程，兩者具有良好的線性關(guān)系。