泡沫瀝青及其再生混合料老化性能分析

劉小春，凌俊強(qiáng)，邱業(yè)績，李 艷，郭 平

(1. 中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119；2. 陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710075；3. 西安公路研究院，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)路網(wǎng)逐漸完善，工作重心已由新建公路轉(zhuǎn)向道路養(yǎng)護(hù)[1-2]，發(fā)泡瀝青等養(yǎng)護(hù)、再生材料開始受到更多關(guān)注。發(fā)泡瀝青冷再生技術(shù)是一種將瀝青路面銑刨后回收的舊料(RAP)進(jìn)行破碎與篩分，并加入一定比例新集料、活性填料及水等，噴入發(fā)泡瀝青，在常溫下拌合之后進(jìn)行攤鋪及碾壓的技術(shù)，具有節(jié)能環(huán)保、便捷、高效等優(yōu)勢。但是，由于新舊集料均未加熱，舊集料表面殘留不同老化程度的瀝青等諸多原因，發(fā)泡瀝青與集料的黏附性受到質(zhì)疑。此外，發(fā)泡瀝青及其再生混合料的老化特性也并不明晰。

本研究基于TFOT、PAV老化試驗(yàn)，結(jié)合瀝青拉拔試驗(yàn)及混合料凍融劈裂試驗(yàn)，從發(fā)泡瀝青、發(fā)泡瀝青膠漿以及再生混合料3個(gè)層面，針對熱氧老化下的發(fā)泡瀝青工程性能及黏附性能進(jìn)行研究。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1.1.1 泡沫瀝青

以SK90號瀝青為基質(zhì)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，該瀝青的主要指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。采用維特根發(fā)泡機(jī)WLB-10S進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，按《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)的相關(guān)限定，最佳發(fā)泡溫度為160 ℃，用水量為2.0%，此時(shí)膨脹率為12，半衰期為10 s。

表1 原材料技術(shù)參數(shù)

1.1.2 集料及級配

本研究涉及RAP回收集料及新拌石灰?guī)r集料，其中RAP集料為公路中修工程現(xiàn)場取樣的銑刨料，按JTG/T 5521—2019中的測試方法，確定RAP的級配及其他技術(shù)指標(biāo)[3-5]。RAP的技術(shù)指標(biāo)如表2所示，混合料級配為AC-13，采用了分檔添加的方法，保證在40%、50%、60%RAP摻量下各混合料級配曲線不變，RAP級配、各檔礦料添加量及總體級配如表3所示。

表2 集料與填料的基本技術(shù)指標(biāo)

表3 再生混合料級配

1.2 樣品制備

1.2.1 泡沫瀝青膠漿

研究表明，瀝青膠漿中的礦粉對熱氧老化具有屏蔽作用[6-7]，因此采用1∶1、2∶1、3∶1的粉膠比制作泡沫瀝青膠漿，進(jìn)行老化特性研究。制備過程遵循如下步驟：加熱SK90號瀝青至140 ℃后，將其加入發(fā)泡設(shè)備中；當(dāng)溫度達(dá)到160 ℃時(shí)，以2.0%用水量進(jìn)行發(fā)泡，得到泡沫瀝青；加熱礦粉至140 ℃，按照預(yù)定的3檔粉膠比，將發(fā)泡瀝青與礦粉混合，并迅速攪拌，獲得泡沫瀝青膠漿。

1.2.2 泡沫瀝青再生混合料

如前文所述，采用40%、50%、60%RAP摻量，配合新集料拌合，獲得同樣的級配曲線。采用擊實(shí)試驗(yàn)確定2∶1粉膠比的再生混合料最佳用水量為3.8%。按照J(rèn)TG/T 5521—2019的方法確定該條件下的最佳泡沫瀝青用量為2.4%。為控制單一變量，其他粉膠比混合料均采用同樣的用水量及泡沫瀝青用量。

1.3 試驗(yàn)方法

按照J(rèn)TG E20—2011，對泡沫瀝青進(jìn)行TFOT老化及PAV老化，老化條件分別為163 ℃、5 h以及100 ℃、20 h、2.1 MPa。同樣以規(guī)程中的限定方法，測定老化前后的針入度、軟化點(diǎn)以及延度。

老化過程將導(dǎo)致瀝青中的輕質(zhì)組分喪失，瀝青脆性增加，黏結(jié)性能下降[8-10]。為探索老化對泡沫瀝青膠漿與集料黏結(jié)強(qiáng)度的影響，采用3種粉膠比制得泡沫瀝青膠漿，在140 ℃下平鋪在平整石灰?guī)r集料表面，在100 ℃下保溫2 h，促進(jìn)膠漿與集料黏結(jié)。而后同樣采用TFOT及PAV的試驗(yàn)方法，對黏結(jié)體系進(jìn)行老化。對老化前后的黏結(jié)試件，用PosiTest AT-A黏附力測試儀表征25 ℃下的黏結(jié)強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 瀝青膠漿黏附力測試

針對制備的泡沫瀝青再生混合料，在120 ℃下保溫2 h，采用金屬鏟破碎成松散的瀝青混合料，在金屬盤中攤鋪成1 cm的松鋪層，在烘箱中進(jìn)行類似TFOT及PAV的老化，而后按JTG E20—2011中的要求進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 老化前后泡沫瀝青指標(biāo)的變化

圖2呈現(xiàn)了基質(zhì)瀝青、發(fā)泡瀝青以及通過TFOT和PAV老化后的發(fā)泡瀝青指標(biāo)變化情況。TFOT和PAV老化導(dǎo)致的瀝青指標(biāo)變化幅度相近，一方面是由于TFOT采用了更高的老化溫度，另一方面是由于瀝青老化程度越高，其老化速度越慢。

圖2 發(fā)泡瀝青的三大指標(biāo)

2.2 老化前后泡沫瀝青膠漿-集料黏結(jié)性能的變化

圖3顯示了老化前后不同粉膠比泡沫瀝青膠漿與集料的拉拔強(qiáng)度。隨著老化程度加劇，瀝青-集料拉拔強(qiáng)度隨之下降；而隨著泡沫瀝青粉膠比增大，瀝青-集料拉拔強(qiáng)度也迅速降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粉膠比增大時(shí)，黏結(jié)體系抗拉強(qiáng)度降低，說明增加礦粉對瀝青-集料的拉拔強(qiáng)度起較明顯的負(fù)面作用。

圖3 發(fā)泡瀝青-集料黏結(jié)拉拔力

隨著老化程度加劇，界面黏結(jié)力逐步減小，速度與礦粉摻量相關(guān)。由圖3可知，隨著礦粉摻量增多，發(fā)泡瀝青膠漿與集料黏結(jié)強(qiáng)度隨老化降低的幅度逐步下降，且該現(xiàn)象在瀝青膠漿的TFOT老化過程中最明顯。這是因?yàn)閷τ谙嗤勰z比的黏結(jié)體系，礦粉對瀝青膠漿脆性的影響恒定，對老化的屏蔽效果卻持續(xù)發(fā)揮作用[11-13]。因此可知，發(fā)泡瀝青膠漿中的礦粉摻量增加，會對其與集料黏結(jié)的強(qiáng)度起不利影響，卻對瀝青膠漿的耐老化性能具有改善作用。

2.3 老化前后泡沫瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的變化

測定不同粉膠比泡沫瀝青再生混合料老化前后的劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂強(qiáng)度比，結(jié)果如圖4所示。瀝青老化及粉膠比過大均可能使再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低，這與瀝青膠漿-集料拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。同時(shí)也可看出，在粉膠比較大時(shí)，同樣老化條件導(dǎo)致的瀝青混合料性能衰變亦與礦粉摻量呈反比。因此，對于發(fā)泡瀝青再生混合料而言，礦粉摻量的選擇應(yīng)綜合考慮混合料路用性能以及老化特性。

圖4 發(fā)泡瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度

3 結(jié) 語

本文結(jié)合瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)、集料黏附強(qiáng)度以及混合料凍融劈裂強(qiáng)度指標(biāo)，分析了老化對發(fā)泡瀝青及再生混合料性能的影響，得到以下結(jié)論。

(1)由于老化過程瀝青輕質(zhì)組分喪失、黏度增加，導(dǎo)致發(fā)泡瀝青針入度下降，軟化點(diǎn)上升至70 ℃以上，延度下降至30 cm以下；發(fā)泡瀝青的三大指標(biāo)與原基質(zhì)瀝青相近，針入度輕微上升，而軟化點(diǎn)、延度少量下降，變化幅度小于15%。

(2)當(dāng)粉膠比增大時(shí)，黏結(jié)體系抗拉強(qiáng)度降低，但是老化后抗拉強(qiáng)度下降幅度減小，說明礦粉增加對瀝青-集料的拉拔強(qiáng)度起較明顯的負(fù)面作用，同時(shí)對老化影響具有屏蔽作用。

(3)隨著老化程度加劇，發(fā)泡瀝青再生混合料老化前后的劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂強(qiáng)度比隨之下降；隨著粉膠比增大，凍融劈裂指標(biāo)隨之劣化，但是老化作用影響減?。粚τ诎l(fā)泡瀝青再生混合料而言，礦粉摻量的選擇應(yīng)綜合考慮混合料路用性能以及老化特性。