泡沫瀝青溫拌混合料與熱拌混合料性能對比研究*

周楹宇， 劉聶玚子， 吳艷朋

(1.中鐵七局集團 第三工程有限公司， 陜西 西安 710016；2.長安大學(xué) 運輸工程學(xué)院， 陜西 西安 710064)

溫拌瀝青混合料的施工溫度介于熱拌瀝青、常溫瀝青混合料之間，通常溫拌瀝青混合料的壓實溫度能降到120～130 ℃，半溫拌瀝青混合料的壓實溫度可低于100 ℃。根據(jù)不同降黏技術(shù)可將溫拌瀝青混合料分為四類：一是采用瀝青發(fā)泡技術(shù)降低瀝青黏度的泡沫溫拌瀝青混合料；二是將有機降黏劑加入瀝青中降低其黏度的溫拌瀝青混合料；三是采用表面活性劑作為溫拌劑降低瀝青施工黏度的溫拌瀝青混合料；四是采用礦物溫拌技術(shù)的溫拌瀝青混合料。溫拌瀝青混合料具有節(jié)能、減排和減少施工過程污染的優(yōu)點，其中泡沫瀝青混合料溫拌技術(shù)不用添加溫拌劑，具有更好的經(jīng)濟價值，能否得到廣泛應(yīng)用取決于其性能是否能達到熱拌瀝青混合料的同等水平。該文在研究瀝青最佳發(fā)泡特性和泡沫溫拌瀝青混合料合理壓實溫度的基礎(chǔ)上，通過試驗對未發(fā)泡瀝青與泡沫瀝青混合料的性能進行對比研究。

1 試驗材料

試驗采用為70#重交石油瀝青，其技術(shù)指標見表1。瀝青發(fā)泡水為生活用水，符合生活飲用水標準GB 5749—2006。

表1 重交石油瀝青的技術(shù)指標

2 瀝青發(fā)泡特性試驗

分別在溫度145、155、165 ℃和用水量1.5%、2.0%、2.5%下對70#重交瀝青進行發(fā)泡試驗，結(jié)果見表2和圖1。體積膨脹率是一定溫度和用水量下發(fā)泡瀝青最大體積與未發(fā)泡狀態(tài)下體積之比，用來表征泡沫黏度，并決定瀝青在礦料中的分散效果。為使泡沫瀝青與礦料裹附良好，體積膨脹率不宜過小。體積半衰期是瀝青發(fā)泡狀態(tài)下發(fā)泡瀝青達到最大體積之后衰減到一半時所用的時間，用來度量瀝青泡沫的穩(wěn)定性、表征泡沫的衰減速率。半衰期越長，泡沫的穩(wěn)定性越好，可有較充分的時間和礦料接觸與拌和，有利于保證混合料質(zhì)量。

表2 瀝青發(fā)泡試驗結(jié)果

圖1 瀝青發(fā)泡試驗曲線

對于瀝青溫拌施工，通常膨脹率不宜小于5倍，半衰期不宜小于10 s。由圖1可知：該瀝青的最佳發(fā)泡溫度在155 ℃左右。根據(jù)最佳發(fā)泡溫度曲線可確定符合膨脹率和半衰期要求的發(fā)泡用水量，膨脹率為5倍時對應(yīng)的發(fā)泡用水量為1.2%，半衰期為10 s時對應(yīng)的發(fā)泡用水量為1.7%，同時滿足要求的發(fā)泡用水量在以上2個用水量之間，取其中間值1.5%作為最佳發(fā)泡用水量。

3 泡沫溫拌瀝青混合料配合比和壓實溫度

3.1 配合比

相對于熱拌瀝青混合料，泡沫溫拌瀝青混合料只是改變了施工溫度，對瀝青混合料的配合比沒有影響，可直接采用相應(yīng)未發(fā)泡熱拌瀝青混合料的配合比。

溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計程序與熱拌瀝青混合料一樣，在對同類瀝青路面使用情況充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇符合要求的原材料進行配合比設(shè)計，級配范圍與熱拌瀝青混合料一致。設(shè)計程序如下：在同等條件下進行相應(yīng)熱拌瀝青混合料設(shè)計，以設(shè)計結(jié)果為依據(jù)在不同溫度下進行溫拌瀝青混合料拌和與成型，確定合適的成型溫度；在確定的成型溫度下拌制混合料進行檢驗。試件成型之前，將拌好的混合料在成型溫度下放置于烘箱中保溫2 h，以模擬現(xiàn)場施工壓實成型前的老化過程。

采用AC-13混合料，按熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計方法得到的礦料級配見表3，通過馬歇爾試驗得到最佳瀝青含量為4.8%。

表3 AC-13混合料的礦料級配

3.2 壓實溫度

非泡沫瀝青混合料的壓實溫度通過不同溫度下黏度試驗得到的黏度-溫度曲線確定，以與表觀黏度(0.28±0.03) Pa·s或運動黏度(280±30) mm2/s對應(yīng)的溫度作為壓實溫度。但對于泡沫瀝青，由于試驗過程中泡沫瀝青的體積在不斷變化，很難得到穩(wěn)定的黏度和溫度之間的關(guān)系曲線，黏度-溫度曲線法不適用于泡沫瀝青混合料壓實溫度確定。為此，采用等空隙率法確定泡沫瀝青溫拌混合料成型溫度。方法如下：通過擊實試驗，分別得到熱拌瀝青和泡沫瀝青混合料空隙率與溫度之間的關(guān)系，確定與熱拌瀝青混合料相同空隙率的泡沫瀝青溫拌瀝青混合料所對應(yīng)的溫度，以該溫度作為泡沫瀝青溫拌成型溫度。

按4.8%的最佳瀝青用量，對相同礦料級配(見表3)的非發(fā)泡熱瀝青和泡沫瀝青混合料在105、115、125、135、145、155、165 ℃溫度下成型，測定混合料最大理論相對密度和不同溫度下?lián)魧嵜w積相對密度，得到空隙率，繪制不同溫度下混合料空隙率與溫度之間的關(guān)系曲線，確定與熱拌瀝青混合料相同空隙率的泡沫瀝青混合料的擊實溫度。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 未發(fā)泡瀝青與泡沫瀝青混合料在不同溫度下的空隙率

由圖2可知：未發(fā)泡熱瀝青和泡沫瀝青混合料的空隙率都隨擊實溫度增加而減小。對于未發(fā)泡熱瀝青混合料，擊實溫度高于140 ℃時，空隙率趨于穩(wěn)定；對于泡沫瀝青混合料，擊實溫度升至115 ℃時，空隙率趨于穩(wěn)定。在相同空隙率(4%～5%)下，泡沫瀝青溫度比非發(fā)泡瀝青低20～25 ℃。混合料空隙率取為4.5%時，未發(fā)泡熱瀝青的擊實溫度不低于135 ℃，泡沫瀝青的擊實溫度不低于115 ℃。

4 泡沫瀝青與未發(fā)泡熱瀝青混合料的性能

4.1 馬歇爾試驗對比

通過馬歇爾試驗得到70#瀝青的最佳含量為4.8%。采用1.5%發(fā)泡用水量得到泡沫瀝青，在未發(fā)泡熱瀝青溫度不低于135 ℃、泡沫瀝青溫度不低于115 ℃的條件下進行熱拌和溫拌瀝青混合料馬歇爾試驗，結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

由表4可知：泡沫瀝青與未發(fā)泡熱瀝青混合料的各項指標相當，均滿足規(guī)范要求。

4.2 路用性能對比

4.2.1 高溫性能

采用車轍試驗評價瀝青混合料的高溫性能。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》制作300 mm×300 mm×50 mm車轍板試件，在溫度60 ℃、輪壓(0.7±0.05) MPa下進行車轍試驗，結(jié)果見表5。

表5 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

由表5可知：泡沫瀝青與未發(fā)泡熱瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性相當，均滿足夏季炎熱地區(qū)高溫穩(wěn)定性要求；與未發(fā)泡熱瀝青混合料相比，泡沫瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低約2%，主要是由試件成型和模擬現(xiàn)場施工壓實成型前放置于烘箱中保溫的溫度有差別，造成瀝青老化程度不同所致。

4.2.2 低溫性能

采用低溫彎曲試驗評價混合料的低溫性能。將成型車轍板切成30 mm×35 mm×250 mm小梁試件，采用單點加載，支點距離200 mm，加載速率50 mm/min。在-10 ℃條件下進行低溫彎曲試驗，結(jié)果見表6。

表6 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗結(jié)果

由表6可知：泡沫瀝青與未發(fā)泡熱瀝青混合料的低溫性能相當，均滿足規(guī)范要求；與未發(fā)泡熱瀝青混合料相比，泡沫瀝青混合料的彎曲勁度模量降低約4.2%，主要是由試件成型和模擬現(xiàn)場施工壓實成型前放置于烘箱中保溫的溫度有差別，造成瀝青老化程度不同所致。

4.2.3 水穩(wěn)定性能

采用凍融劈裂試驗評價混合料的水穩(wěn)定性。將雙面各擊實50次成型的馬歇爾試件隨機分成2組，一組在室溫下保存?zhèn)溆茫涣硪唤M真空保水，在(-18±2) ℃下保溫(16±1) h，然后在60 ℃水槽中保溫24 h。將2組試件浸入(25±0.15) ℃恒溫水槽中保溫2 h后取出，采用50 mm/min加載速率進行劈裂試驗，結(jié)果見表7。

表7 瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

由表7可知：泡沫瀝青與未發(fā)泡熱瀝青混合料的水穩(wěn)定性能相當，均滿足規(guī)范要求；與發(fā)泡熱拌瀝青混合料相比，泡沫瀝青混合料凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強度降低約4.2%，凍融循環(huán)劈裂強度比減小約1.1%。究其原因，一是試件成型和模擬現(xiàn)場施工壓實成型前放置于烘箱中保溫的溫度有差別，造成瀝青老化程度不同；二是泡沫瀝青混合料中殘存微量水的影響。

5 結(jié)論

(1) 在不同用水量和溫度下通過試驗得到膨脹率和半衰期曲線，最上方曲線所對應(yīng)的溫度即為最佳發(fā)泡溫度，在最佳發(fā)泡溫度下確定符合膨脹率和半衰期指標要求的最佳發(fā)泡用水量為1.5%。

(2) 很難采用黏度-溫度曲線確定泡沫瀝青混合料的壓實溫度，宜采用等空隙率法，通過擊實試驗確定未發(fā)泡熱瀝青和泡沫瀝青混合料空隙率與溫度之間的關(guān)系，與未發(fā)泡熱瀝青混合料相同空隙率的泡沫瀝青混合料所對應(yīng)的溫度即為泡沫瀝青溫拌成型溫度。

(3) 相對于熱拌瀝青混合料，泡沫溫拌瀝青混合料只是改變了施工溫度，對瀝青混合料級配沒有產(chǎn)生太大影響，可直接采用對應(yīng)未發(fā)泡熱拌瀝青混合料的級配組成。

(4) 對于AC-13混合料，未發(fā)泡瀝青和泡沫瀝青分別在不低于135、115 ℃條件下制備熱拌和溫拌瀝青混合料試件進行相關(guān)試驗，結(jié)果顯示2種混合料的馬歇爾試驗結(jié)果和高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性能相當，存在的微小差別主要是由兩者成型和成型前放置于烘箱中保溫的溫度有差別，泡沫瀝青老化程度略小所致。