泡沫瀝青溫拌技術對混合料路用性能影響研究

李寶玉

(陜西高速公路工程咨詢有限公司， 陜西 西安 710064)

目前，公路建設瀝青路面普遍使用具有良好路用性能的熱拌瀝青混合料HMA(Hot Mixture Asphalt)。HMA的生產過程為：將瀝青從常溫加熱到140℃左右，礦料從常溫加熱到160℃～180℃，然后將瀝青和礦料在160℃高溫下進行拌合，拌合后溫度不低于150℃，攤鋪和碾壓時的溫度不低于120℃[1]。隨著“綠色”理念的不斷加深，熱拌瀝青混合料也暴露出許多自身不可調和的缺點[2]，主要體現為： ① 高溫加速瀝青老化過程，對瀝青結合料性能造成顯著降低；② 不利于“綠色”工程，釋放的SO2等氣體對人類和環(huán)境產生不利影響。

溫拌瀝青混合料WMA(Warm Mixture Asphalt)能有效降低熱拌瀝青混合料的不利影響。WMA是通過一定的技術措施，降低瀝青黏度，使瀝青在相對較低的溫度下全面覆蓋礦料，與礦料進行充分結合，形成穩(wěn)定均勻的結合料，并不降低其混合料的性能。目前，WMA的拌合溫度一般可以保持在100℃～120℃，攤鋪和碾壓時的溫度保持在80℃～90℃，比HMA溫度降低了30℃左右，且與HMA具有相同的路用性能[2，3]。因此，溫拌瀝青混合料因其降低生產能耗、減少廢氣和粉塵排放等優(yōu)點而成為一項十分具有應用前景的新興技術。本文采用發(fā)泡技術生產泡沫瀝青，使用溫拌技術制備WMA。通過室內試驗對WMA的路用性能進行測試，并與傳統的熱拌AC-13混合料進行對比，分析泡沫WMA性能優(yōu)劣。

1 原材料

1.1 集料及填料

制備混合料的集料不僅要有一定的強度與合適的形狀，同時還需要有良好的粘附性和耐磨性。本研究就近取材選用壓碎值、棱角性較高、表面紋理較好而針片狀含量較低的滿城石灰?guī)r作為混合料的礦質集料。石灰?guī)r具有一定的耐磨性，能夠增加路面的抗滑性，且屬于堿性集料，與瀝青能較好的粘結，提高混合料的水穩(wěn)定性。試驗采用粗集料、細集料和填料均為石灰?guī)r，且根據《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)和《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)，其常規(guī)性能指標均滿足規(guī)范要求。

1.2 瀝青結合料

WMA與HMA制備均采用克拉瑪依生產的70#基質石油瀝青，其各項性能指標見表1。

表1 70#瀝青技術指標檢測項目針入度(25 ℃, 5 s,100 g)/0.1 mm延度(5 cm/min, 10 ℃)/cm軟化點/(℃)密度(15 ℃)/(g·cm-3)溶解度/%旋轉薄膜老化試驗質量損失/%針入度比/%延度(10 ℃)/cm試驗值69.592.448.40.97398.6-0.15772.320.1規(guī)范值60～80≥20.0≥46.0實測≤99.0≤±1.000≤61.0≥6.0

2 WMA及HMA配合比設計研究

2.1 泡沫瀝青制備

試驗選用克拉瑪依石化公司生產的70#基質瀝青，發(fā)泡用水采用潔凈蒸餾水。最佳發(fā)泡條件的確定主要影響因素是瀝青加熱溫度和發(fā)泡用水量，評價指標為膨脹率和半衰期。為了確定最佳發(fā)泡條件，對所選70#基質瀝青進行發(fā)泡試驗分析。試驗存在一定的變異性，因此每一條件下進行3組平行試驗以確保參數的準確性。發(fā)泡試驗結果如表2所示。

表2 基質瀝青發(fā)泡試驗結果發(fā)泡溫度/℃用水量/%膨脹率半衰期/s1.08.9610.241451.510.2438.542.013.2226.691.012.1431.511551.514.1722.472.015.3819.081.012.9525.171651.514.5719.382.016.1212.99

為對表2中的數據進行分析，將膨脹率與半衰期指標結果繪制在圖1～3中。由圖可知： 溫度一定時，膨脹率隨著含水量增大而增大，半衰期隨著含水量增大而減小；含水量一定時，膨脹率隨著溫度升高而增大，半衰期隨著溫度的升高而減小。膨脹率的增大提高了泡沫瀝青與集料粘附性，半衰期的減小降低了泡沫瀝青穩(wěn)定性，減小了分散性，從而降低裹附能力。綜合指標確定155℃下，1.0%用水量為最佳發(fā)泡條件。

2.2 WMA與HMA制備

混合料的級配設計既要滿足混合料的高溫抗車轍能力，又要兼顧低溫抗裂和抗水損性能的要求。根據規(guī)范[1]對密級配瀝青混合料AC-13要求的級配范圍，形成良好的S型級配曲線，本次熱拌瀝青混合料的合成級配曲線如圖4所示。

圖1 基質瀝青145 ℃下發(fā)泡指標參數

圖2 基質瀝青155 ℃下發(fā)泡指標參數

圖3 基質瀝青165 ℃下發(fā)泡指標參數

圖4 AC-13瀝青混合料級配設計曲線

根據規(guī)范[1]附錄B中熱拌瀝青混合料馬歇爾配合比設計方法確定本次熱拌AC-13瀝青混合料的最佳油石比，同時根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中規(guī)定的相關試驗方法進行操作，最終確定AC-13的最佳瀝青用量為4.8%。WMA采用與HMA相同的合成級配進行對比，瀝青用量同樣為4.8%。

3 WMA與HMA路用性能試驗

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料是由粗集料、砂漿、空隙組成的三相體復雜結構，其中砂漿是由瀝青結合料和細集料組成的一種典型粘彈性材料。高溫性能是瀝青混合料的重要性能，夏季路面溫度可高達75℃，高溫下粘性性質顯著，流動性大。在車輛荷載作用下瀝青混合料承受車輛荷載和剪切作用，極易發(fā)生車轍，從而進一步降低路面使用質量，影響行車安全。本研究以動穩(wěn)定度作為評價指標分析2種混合料的高溫性能。試驗結果如表3所示。

由表3可知，泡沫WHA的高溫性能較HMA下降了60.2%，但仍然滿足規(guī)范要求≥800次/mm。這主要是因為泡沫瀝青中有水存在，水降低了瀝青與集料的粘附性，從而導致二者間的粘結力下降。當溫度升高后，熱穩(wěn)定性就會顯著降低。

表3 WMA與HMA高溫性能對比混合料類型動穩(wěn)定度/(次·mm-1)HMA2 253WMA897

3.2 低溫穩(wěn)定性

冬季氣溫降低，瀝青路面多發(fā)低溫開裂病害。瀝青混合料內部由于溫度下降導致溫度應力的產生，一般情況下，瀝青混合料具有應力松弛的能力，因此當溫度緩慢變化時，瀝青混合料不會輕易產生低溫開裂；但當氣溫出現急劇變化或面層材料的松弛性能不好時，瀝青結合料的脆性顯著，使得內部溫度應力來不及松弛就超過了抗拉強度極限，路面因此出現低溫開裂[4]。低溫開裂不僅破壞了路面的承載能力，還進一步將大氣降水通過裂縫引入路面帶入基層，產生更嚴重的病害。目前我國規(guī)范要求使用彎曲蠕變試驗來評價混合料的低溫性能，因此對泡沫WHA和HMA均進行低溫彎曲試驗，結果如表4所示。

表4 WMA與HMA最大破壞應變性能對比混合料類型最大破壞應變/μεHMA2 074WMA2 249

由表4可知，泡沫WHA的最大彎拉應變對比HMA提高了8.4%，表明泡沫WHA的低溫性能優(yōu)于HMA。這主要是因為WMA技術降低了拌和所需的溫度，減小了瀝青老化帶來的不利影響，從而提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。但瀝青發(fā)泡摻入微量的水分，在低溫條件下，殘留的微量水分會體積膨脹，導致瀝青產生低溫開裂，因此對混合料的低溫性能并不利。因此試驗研究證明泡沫瀝青對路用性能的正面影響大于負面影響，泡沫WHA具有較好的低溫性能。

3.3 水穩(wěn)定性

瀝青路面常見病害除了車轍變形和低溫開裂以外，瀝青混合料的水損害也是常見破壞之一，并且水損害的影響會隨著水作用的時間增長而增大。水的作用使瀝青膠結料本身粘聚力下降、瀝青膠結料與集料表面的粘結力降低，導致路面結構性破壞，路面使用性能降低，嚴重影響路面質量和使用壽命。路面早期破壞主要就是由水的作用產生，礦料間的粘結力受水的作用出現下降，致使在車輪碾壓作用石料被帶走混合料松散剝落，最終導致路面出現坑槽；路面在使用過程中，長期與大氣中的水分或降雨雨水接觸，而瀝青混合料存在空隙，水因此滲入路面結構，外部車輛荷載和溫度引起的熱脹冷縮作用使得路面內部的水動力沖刷瀝青混合料，導致混合料粘結力下降，并隨之出現剝落現象。

對泡沫WMA的水穩(wěn)性研究非常重要，因為瀝青加入水進行發(fā)泡再拌制混合料，導致混合料中內部含有少量的水，其內部水對混合料性能影響作用需要通過水穩(wěn)定性試驗來分析。目前國內外評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要相關試驗方法有浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、浸水車轍試驗、浸水抗壓強度試驗和浸水劈裂強度試驗等。本文采用浸水馬歇爾試驗與國外普遍采用的漢堡車轍試驗來評價泡沫WMA的水穩(wěn)定性能。

3.3.1浸水馬歇爾實驗

該試驗用來檢驗瀝青混合料受水侵蝕時的抗剝落能力。分別對HMA與泡沫WMA根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行浸水馬歇爾試驗，其試驗結果如表5所示。

表5 WMA與HMA水穩(wěn)定性能對比混合料類型殘留穩(wěn)定度比/%HMA97.22WMA97.52

由試驗結果可知，二者的殘留穩(wěn)定度基本相同，且泡沫WMA的殘留穩(wěn)定度高于HMA殘留穩(wěn)定度0.3%?？梢钥闯雠菽璚MA在降低拌合溫度的前提下，并沒有降低水穩(wěn)定性，且與HMA的水穩(wěn)定性能基本相同，均遠遠高于規(guī)范要求。

3.3.2漢堡車轍試驗

德國以此試驗作為規(guī)范要求，用來評估一些交通量較大的行車道路的車轍和抗剝落性能。使用旋轉壓實儀成型直徑150mm、高度(62±2)mm的圓柱形試件，并將2個試件均切去小弓形后組合成1組試件，以適應試驗模具，漢堡車轍試驗的溫度范圍為25℃～70℃，常用溫度為45℃或50℃[5]。將47mm寬的鋼輪施加705N荷載在試件上進行往復運動，運動速度約為52次/min，當鋼輪往復運動次數達到20000次或試件產生20mm的變形時，試驗停止，試驗得到的指標主要以剝落點作為水穩(wěn)定性評價標準。圖5為車轍試驗中車轍深度隨著碾壓次數增加而增大的情況。

圖5 漢堡車轍試驗曲線圖

根據圖5可知，泡沫WMA在50℃水浴下進行漢堡車轍試驗，在12076次碾壓時開始發(fā)生剝落，而HMA在14075次碾壓時發(fā)生剝落，因此泡沫WMA的水穩(wěn)定性相對較低，這主要是由于水的存在降低了泡沫瀝青與集料的粘附性能。漢堡車轍在水浴條件下不僅可以評價混合料的水穩(wěn)定性，也可以評價混合料的高溫性能[6]，試驗結果同時印證了高溫性能試驗中WMA性能較HMA差的結論。

綜合分析浸水馬歇爾與漢堡車轍試驗結果可知，泡沫WMA的水穩(wěn)定性能相比HMA并未出現明顯降低，且二者都滿足規(guī)范要求，因此泡沫WMA的抗水損能力能保證瀝青路面使用要求。

4 結論

通過對70#基質瀝青進行發(fā)泡試驗確定了最佳發(fā)泡條件。按照規(guī)范要求確定了級配相同的熱拌瀝青混合料與溫拌瀝青混合料最佳瀝青用量，并在此條件下制備混合料路用性能對比研究。將2種混合料分別進行車轍試驗、低溫小梁試驗、浸水馬歇爾實驗和漢堡車轍試驗，以普通熱拌瀝青混合料為基礎，研究泡沫溫拌瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能，得出如下結論：

1) 高溫穩(wěn)定性能方面：泡沫瀝青混合料的動穩(wěn)定度比普通熱拌瀝青混合料降低了60.2%，但二者均滿足規(guī)范要求(≥800次/mm)。這主要是因為泡沫瀝青中有水的存在降低了集料與結合料之間的粘附性，沒有形成強度，從而在高溫下抵抗荷載作用降低，容易產生車轍。漢堡車轍試驗佐證了車轍試驗的結果。

2) 低溫穩(wěn)定性能方面：溫拌瀝青混合料的低溫性能比普通熱拌瀝青混合料提高了8.4%。由于拌合溫度比傳統熱拌瀝青混合料溫度下降約30 ℃，溫拌瀝青混合料顯著降低了瀝青結合料的老化程度，從而保證瀝青結合料保持其本身的松弛能力，能較好的抵抗低溫下的破壞。

3) 水穩(wěn)定性方面：溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性基本與普通熱拌瀝青混合料性能接近，并未出現顯著降低。