基于泡沫瀝青溫拌再生瀝青混合料基體的半柔性路面路用性能研究

竇志榮

公路在進行維修和改擴建的過程中產(chǎn)生了較多的廢舊瀝青混合料，此類混合料會對環(huán)境造成污染，導(dǎo)致資源的浪費。如何對該類混合料進行高效利用是非常關(guān)鍵的問題，因此本文提出了對瀝青混合料進行再生的理念。針對該理念本文進行了如下研究：泡沫瀝青特性分析，基體混合料、溫拌基體混合料的設(shè)計，最后對該類混合料進行了路面性能分析。通過以上內(nèi)容研究說明：基于泡沫瀝青的溫拌再生混合料能有效解決舊混合料浪費，污染環(huán)境的問題，達到節(jié)約資源的目的。因此本文對混合料的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

我國最常使用的路面材料大致分為兩類，一類是水泥路面，一類是瀝青混凝土路面。水泥路面剛度大，壽命長，但路面平整度較低，維修養(yǎng)護費用高。瀝青混凝土路面能滿足平整度要求，但高低溫性能較差，針對該現(xiàn)象我國進行了半柔性路面的研究。郝培文等人通過對半柔性路面進行設(shè)計，表明該材料的路用性能良好，但低溫性能較差。王偉明通過半柔性路面材料的研究表明：該結(jié)構(gòu)的基體瀝青混合料進行配合比設(shè)計時，空隙率為25%左右時最佳。肖天佑對半柔性材料的自愈合能力進行分析，加入砂漿后能改善路面的開裂性能。通過以上內(nèi)容的分析說明傳統(tǒng)的路面材料限制了我國可持續(xù)發(fā)展的進程，再生技術(shù)和溫拌技術(shù)具有保護環(huán)境和節(jié)約能源的作用。但我國對半柔性路面的研究目前還較少，因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上進行進一步探索，因此具有一定的實際意義。

一、泡沫瀝青特性分析

1.瀝青發(fā)泡原理

瀝青發(fā)泡主要原理是在膨脹室內(nèi)熱瀝青與冷水接觸后，發(fā)生連鎖反應(yīng)，主要過程如下：

（1）在熱瀝青表面滴入冷水滴，使二者發(fā)生熱交換現(xiàn)象，使水滴的溫度升高，瀝青的溫度降低，并逐漸擴散出去。

（2）溫度高于100℃時瀝青傳遞給水的熱能使冷水開始由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，形成蒸汽。

（3）冷水形成蒸汽的過程，發(fā)泡腔內(nèi)會產(chǎn)生大量氣體，同時使體積增大，壓力增強。在壓力作用下，蒸汽泡持續(xù)壓入瀝青內(nèi)，瀝青在壓力和蒸汽泡作用下，會從噴嘴噴出。

（4）發(fā)泡過程中瀝青表層會形成一層瀝青膜，由于瀝青膜表面張力的作用，使水蒸氣被包裹在瀝青膜里面。蒸汽壓力與表面張力之間會形成平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)持續(xù)時間較短，隨即發(fā)生的現(xiàn)象為泡沫破滅。

對于泡沫破滅現(xiàn)象存在兩種理論分析：一種是當(dāng)多個氣泡聚于一起時，液膜會凹向氣室，形成普萊特邊界。這種解釋適用的范圍為氣泡體積較大的情況。另一種原理解釋為：噴嘴噴出的泡沫瀝青在冷空氣的作用下，發(fā)生破滅，水蒸氣進行液化，殘留在瀝青內(nèi)部，形成水飽和瀝青。

2.瀝青發(fā)泡影響因素

（1）發(fā)泡用水量

瀝青在進行發(fā)泡時，用水量的多少會直接影響瀝青的發(fā)泡體積。用水量增加時，瀝青產(chǎn)生的泡沫較多，從而使反應(yīng)過程中的膨脹率增加。當(dāng)瀝青單個泡沫的體積增大時，會使瀝青膜變薄，這樣會導(dǎo)致半衰期縮短。半衰期的變化規(guī)律與發(fā)泡用水量之間成反比變化，因此用水量?？刂圃?%~3%。

（2）瀝青發(fā)泡溫度

瀝青的發(fā)泡過程中對三大指標(biāo)以及水蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量影響較大的是溫度。當(dāng)用水量一定時，溫度升高，反應(yīng)的膨脹率也會增加，半衰期會減短。當(dāng)溫度高于140℃時，發(fā)泡效果較好。

（3）瀝青來源和類型

瀝青的組分和成分不同，產(chǎn)生的發(fā)泡效果也不相同，瀝青的成分以及瀝青含量對發(fā)泡效果影響較大。當(dāng)瀝青中蠟的含量較高時，膨脹率減小，半衰期減短；蠟含量適中時，發(fā)泡效果較好，當(dāng)采用低標(biāo)號的瀝青時，由于針入度小，因此發(fā)泡效果也不理想。研究發(fā)泡效果通常選用針入度80mm~150mm的瀝青。

二、混合料設(shè)計

1.基體瀝青混合料

通過經(jīng)驗分析以及相關(guān)資料查詢可知：基體瀝青混合料能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的空隙率25%，此時灌漿會有較好的效果，半柔性材料具有較好的性能。因此本文的目標(biāo)空隙率設(shè)定為25%，基體瀝青混合料的配合比設(shè)計采用CAVF的方法進行。油石比通過工程經(jīng)驗等差值間距取值為2.6%、3.1%、3.6%、4.1%、4.6%。通過計算最終可得最佳瀝青用量為3.5%。

2.溫拌基體瀝青混合料

依據(jù)前文中確定的目標(biāo)空隙比進行再生料RAP摻量的確定，本節(jié)再生料產(chǎn)量分別設(shè)計為15%、30%、45%、60%。不同摻量的基體瀝青混合料指標(biāo)如表1所示。

表1 指標(biāo)變化表

通過表1的數(shù)值變化可知基于最佳瀝青用量的基體瀝青混合料指標(biāo)均滿足要求。

三、路用性能分析

1.高溫性能分析

本文研究高溫性能主要通過的試驗方法是車轍試驗，具體試驗條件設(shè)定如下所示：碾壓0.7MPa，（一小時來回）；通過獲取t1和t2時間的車轍數(shù)據(jù)來計算混合料的評價指標(biāo)，即動穩(wěn)定度。

上式中DS指評價指標(biāo)動穩(wěn)定度；t1和t2表示獲取車轍數(shù)據(jù)的時刻；d1和d2表示該時刻的車轍深度。C1和C2表示試驗常數(shù)；N=42 次/min。

通過對試驗結(jié)果進行分析可知：再生摻量RAP為60%時，材料的DS不滿足規(guī)定要求，當(dāng)齡期增大時，半柔性材料的動穩(wěn)定度也增大，當(dāng)RAP摻量為30%、45%、60%時，DS的增長值較小，該現(xiàn)象說明試驗過程中瀝青膠漿的影響程度較大，齡期增長主要表現(xiàn)為砂漿強度增加。因此通過對材料高溫性能研究得到結(jié)論：該材料具有較好的高溫性能，再生料的摻量應(yīng)在45%以內(nèi)。

2.低溫性能分析

低溫性能的試驗方法有很多種，但是試驗之間的關(guān)聯(lián)性并不理想，本文選取的試驗方法是低溫彎曲蠕變試驗，該方法是低溫試驗方法中最能反映低溫破壞狀態(tài)的試驗方法，具體如下：試件尺寸為250mm×30mm×35mm；彎曲蠕變試驗過程中環(huán)境溫度為-10℃，加載速率為50mm/min。該試驗選取的評價指標(biāo)為最大彎拉應(yīng)變和勁度模量。計算公式如下所示：

上式中：L、b和h分別表示試件的長度、高度以及寬度；Rb表示極限彎拉強度；εb表示最大彎拉應(yīng)變；Sb表示試件的勁度模量。

通過對試驗結(jié)果進行分析可知：溫拌再生半柔性路面的低溫性能表現(xiàn)較差，摻加0%～30%的再生料時，再生料增加，半柔性材料的彎拉應(yīng)變降低；摻加30%～60%的再生料時，再生料增加，半柔性材料的彎拉應(yīng)變有所提高，但提高程度較低。

3.水穩(wěn)定性能分析

我國主要采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗進行水穩(wěn)定性研究。浸水馬歇爾方法能較好地反映路面的抗水毀能力，而且試驗方法簡單，試件制作方便。凍融劈裂試驗?zāi)軌蜉^好地反映水對瀝青混合料的作用，而且能夠反映低溫環(huán)境下瀝青與集料產(chǎn)生分離和破壞的狀況。

通過對試驗結(jié)果進行分析可知：5種不同摻量的瀝青混合料經(jīng)過凍融循環(huán)和未經(jīng)過凍融循環(huán)時的劈裂抗拉強度均大于SMA-13，該現(xiàn)象表明溫拌再生半柔性材料具有較好的水穩(wěn)定性。

四、結(jié)語

本文通過對溫拌再生半柔性材料進行相應(yīng)地性能分析得出以下結(jié)論：

（1）瀝青發(fā)泡過程主要表現(xiàn)為瀝青與冷水滴之間的熱交換過程，瀝青發(fā)泡的影響因素主要有：發(fā)泡用水量、瀝青發(fā)泡溫度、瀝青的類型。

（2）通過對瀝青混合料進行設(shè)計可以得到最佳瀝青用量為3.5%，該值下對應(yīng)的不同RAP摻量下材料的指標(biāo)性能均符合要求規(guī)定。

（3）通過對半柔性路面的路用性能分析可知：該材料具有較好的高溫性能，再生料的摻量應(yīng)在45%以內(nèi)；摻加再生料后，半柔性材料的低溫性能并未得到較好的改善；經(jīng)過凍融循環(huán)后，該材料扔具有較好的水穩(wěn)定性。