發(fā)泡劑對冷再生瀝青混合料強度特性的影響

李 強 王銳軍 李 斌 許 傲 商健林 趙 曜

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210037)(2江蘇北極星交通產(chǎn)業(yè)集團有限公司, 南通 226010)(3中交第一航務(wù)工程局有限公司, 天津 300461)

泡沫瀝青冷再生技術(shù)是通過回收舊瀝青路面材料,在其中添加部分新集料、水泥及礦粉,利用發(fā)泡瀝青作為穩(wěn)定劑,將其黏結(jié)成整體并壓實成型的一種路面再生技術(shù)[1],具有舊料利用率高、施工期短、適用范圍廣泛、路用性能穩(wěn)定、成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點[2].泡沫瀝青從膨脹到衰減破滅一般在幾秒到十幾秒之間,發(fā)泡效果是泡沫瀝青冷再生混合料強度的關(guān)鍵影響因素之一[3-4].雖然該技術(shù)相對成熟,但是由于原材料和發(fā)泡設(shè)備等原因,目前還存在瀝青發(fā)泡效果提升困難的問題.在瀝青中摻加表面活性類發(fā)泡劑可以改善其發(fā)泡性能.文獻[5-8]指出添加發(fā)泡劑可以提高瀝青的發(fā)泡穩(wěn)定性,改善再生混合料密實度、水穩(wěn)定性及高溫性能.然而,目前關(guān)于發(fā)泡劑種類和質(zhì)量分數(shù)對泡沫瀝青冷再生混合料強度的影響方面還缺乏認知,發(fā)泡劑在再生混合料中的作用機理也尚不明晰.

本文通過室內(nèi)試驗對瀝青的發(fā)泡性能和不同受力條件下泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)強度進行了研究,分析了發(fā)泡劑種類和質(zhì)量分數(shù)的影響規(guī)律.通過掃描電鏡和紅外光譜試驗,對發(fā)泡劑在瀝青及再生混合料中的作用機理進行了探討.

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

本試驗采用江陰產(chǎn)70#瀝青,其技術(shù)性能見表1.集料采用溧陽產(chǎn)石灰?guī)r細集料和湖州產(chǎn)石灰?guī)r礦粉,其技術(shù)性能符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求.水泥采用海螺牌P.O 42.5型普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)性能符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求.綜合瀝青材料的離子結(jié)構(gòu)組成特征和熱敏感性,分別選用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基硫酸鈉(K12)和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)三種常用發(fā)泡劑.其中,CTAB屬于陽離子型表面活性劑,為白色微晶形粉末,可與瀝青中含有的大量陰離子酸根吸附,有利于瀝青發(fā)泡并起到抗剝離作用;K12屬于陰離子型表面活性劑,為白色或乳白色片狀結(jié)晶或粉末;SDBS也屬于陰離子型表面活性劑,為白色或淺黃色粉末或顆粒,熱敏感性小,與熱瀝青混合使用效果好.3種發(fā)泡劑都具有較好的表面活性和較強的親水性,有助于瀝青發(fā)泡及提升泡沫穩(wěn)定性.

表1 瀝青技術(shù)性能

1.2 瀝青發(fā)泡試驗

采用德國Wirtgen公司生產(chǎn)的WLM30型瀝青發(fā)泡試驗機進行發(fā)泡試驗.首先,在3個瀝青溫度(145、155、165 ℃)和4個發(fā)泡用水量水平(1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)下對未摻加發(fā)泡劑的基質(zhì)瀝青進行測試,根據(jù)最大膨脹率、半衰期和發(fā)泡指數(shù)[9]確定最佳發(fā)泡條件,即瀝青溫度為165 ℃,發(fā)泡用水量為2.5%[10].基質(zhì)瀝青加熱后,將質(zhì)量分數(shù)為0.25%、0.50%、0.75%的發(fā)泡劑分別加入瀝青罐中,玻璃棒攪拌,在循環(huán)泵的帶動下流動5 min以保證混合均勻.然后,在最佳發(fā)泡條件下對摻加不同類型發(fā)泡劑的瀝青進行發(fā)泡性能測試.

1.3 配合質(zhì)量比設(shè)計

將現(xiàn)場取回的瀝青路面銑刨料進行篩分,根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)中粒式級配范圍要求,銑刨料通過直徑d<4.75 mm篩孔的質(zhì)量分數(shù)偏小,需要加入新細集料和礦粉來進行級配優(yōu)化.根據(jù)工程實踐經(jīng)驗,確定再生混合料中銑刨料、0～4.75 mm粒徑新細集料、新礦粉和水泥的質(zhì)量比為70∶25∶3.5∶1.5,級配組成見表2.采用重型擊實試驗和干濕劈裂強度試驗確定再生混合料的最佳含水率為5.9%,最大干密度為2.154 g/cm3,最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)為3.5%.

表2 級配組成(質(zhì)量分數(shù)) %

1.4 混合料性能試驗

采用20 ℃無側(cè)限抗壓強度、15 ℃干濕劈裂強度試驗以及-10 ℃半圓彎曲試驗,評價不同受力條件下泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)強度.其中,在半圓彎曲試驗中可以采用多種形式試件(如馬歇爾、旋轉(zhuǎn)壓實、車轍板芯樣和現(xiàn)場芯樣等),試驗結(jié)果變異性相對較小,因此選用該試驗評價再生混合料低溫彎拉性能.所用試件為無缺口半圓試件,支點間距為試件直徑的0.8倍,試件厚度為50 mm,試驗溫度為-10 ℃,加載速度為50 mm/min.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡性能

瀝青發(fā)泡試驗結(jié)果見圖1.由圖可知,當(dāng)3種發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)較少時,泡沫瀝青的膨脹率均較低,這與文獻[5]結(jié)果一致,可能是由于發(fā)泡劑在高溫下產(chǎn)生部分降解所致[11].隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加,摻加CTAB和K12的泡沫瀝青膨脹率先增大后減小,在發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)為0.5%時均出現(xiàn)峰值;而摻加SDBS的泡沫瀝青膨脹率持續(xù)增加.對于任何一種發(fā)泡劑來說,泡沫瀝青半衰期和發(fā)泡指數(shù)均隨發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,最佳發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)也均為0.5%;這主要是因為發(fā)泡劑可以在瀝青表面形成一層膜結(jié)構(gòu),從而降低了瀝青的表面張力.表面膜厚度和強度逐漸增大,當(dāng)其厚度超過吸附分子間的作用范圍時,多余的發(fā)泡劑會對瀝青表面活性產(chǎn)生不利影響[12].總體上看,摻加質(zhì)量分數(shù)0.5%的CTAB發(fā)泡劑對于泡沫瀝青發(fā)泡性能的提升作用最為顯著,其膨脹率增大21.4%,半衰期延長1.1倍,達到24.8 s;究其原因在于,CTAB是一種強極性陽離子發(fā)泡劑,與含有大量陰離子酸根的瀝青發(fā)生反應(yīng),可以提高瀝青膜表面張力和泡沫瀝青穩(wěn)定性,且摻加CTAB的瀝青產(chǎn)生的泡沫更加均勻和豐富,瀝青泡沫比表面積的增加有助于提高其膨脹率[8].

(a)膨脹率

2.2 無側(cè)限抗壓強度

3 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖2.由圖可知,摻加不同發(fā)泡劑后泡沫瀝青冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強度均有一定程度的增加;這是因為發(fā)泡劑中的極性基團與舊集料表面活性基團發(fā)生鍵合作用,而發(fā)泡劑中的非極性基團與瀝青中的烷基黏結(jié)較好,因此結(jié)構(gòu)瀝青層與集料之間的黏結(jié)強度增強,再生料力學(xué)強度也隨之提升[6].隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加,無側(cè)限抗壓強度均先增加后減小;這是因為摻加適量的發(fā)泡劑有利于瀝青與氣體之間的水膜在瀝青表面均勻分布與定向排列,使得瀝青泡沫更加穩(wěn)定,從而在瀝青與集料界面形成更大的黏附強度[13].添加CTAB的再生混合料表現(xiàn)出最優(yōu)的強度提升效果,最佳質(zhì)量分數(shù)(0.5%)下的無側(cè)限抗壓強度比未摻加發(fā)泡劑時增大了14.7%;摻加SDBS的效果次之;摻加K12的效果最不明顯.

圖2 再生混合料無側(cè)限抗壓強度

2.3 劈裂強度

干濕劈裂強度試驗結(jié)果見表3.由表可知,泡沫瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強度及其強度比均隨發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律.盡管未摻加發(fā)泡劑時其劈裂強度和干濕劈裂強度比已略高于《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中提出的針對重交通和特重交通等級瀝青面層的技術(shù)要求(劈裂強度不小于0.6 MPa,干濕劈裂強度比不小于80%),摻加發(fā)泡劑后仍然可以進一步改善其抗拉性能和水穩(wěn)定性.不同發(fā)泡劑的改善作用從大到小依次為CTAB、SDBS、K12.摻加發(fā)泡劑對于濕劈裂強度的提升效果顯著大于干劈裂強度.以最優(yōu)方案為例,摻加質(zhì)量分數(shù)0.5%的CTAB發(fā)泡劑后泡沫瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強度分別提高了13.9%和29.0%;這是因為CTAB中的陽離子與舊集料發(fā)生靜電作用并在其表面生成離子鍵,可以同時起到抗剝離作用,從而提升其水穩(wěn)定性[7].

表3 干濕劈裂強度試驗結(jié)果

2.4 低溫彎拉性能

半圓彎曲試驗結(jié)果見表4.摻加發(fā)泡劑有益于提升泡沫瀝青冷再生混合料的低溫力學(xué)性能.隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加,抗彎拉強度、破壞應(yīng)變和破壞應(yīng)變能密度均先增大后減小,最佳發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)均為0.5%.摻加CTAB的提升效果明顯優(yōu)于摻加SDBS和K12.摻加發(fā)泡劑對于破壞應(yīng)變的改善作用普遍大于其對于抗彎拉強度的改善作用.采用最優(yōu)方案(摻加質(zhì)量分數(shù)0.5%的CTAB發(fā)泡劑)后泡沫瀝青冷再生混合料的抗彎拉強度、破壞應(yīng)變和破壞應(yīng)變能密度分別提高了27.8%、31.4%和34.1%;這是因為摻加發(fā)泡劑可以改善冷再生混合料中瀝青與集料的裹覆和黏結(jié)性能,從而提升其低溫彎拉性能.冷再生混合料各項力學(xué)強度均受瀝青發(fā)泡效果的直接影響.考慮到陽離子型發(fā)泡劑可以與新瀝青和舊料中大量陰離子酸根發(fā)生發(fā)應(yīng),提升泡沫瀝青的穩(wěn)定性和再生料的力學(xué)性能,在進行泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計時建議摻加質(zhì)量分數(shù)0.5%的CTAB發(fā)泡劑.

表4 半圓彎曲試驗結(jié)果

2.5 顯著性分析

采用SPSS軟件在95%置信水平下對再生混合料力學(xué)強度試驗結(jié)果進行方差分析,結(jié)果見表5.由表可知,發(fā)泡劑種類和質(zhì)量分數(shù)均對泡沫瀝青發(fā)泡性能、再生混合料無側(cè)限抗壓強度、濕劈裂強度和干濕劈裂強度比有顯著影響.其中,發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的影響大都大于發(fā)泡劑種類.而對于低溫抗彎拉強度、破壞應(yīng)變和破壞應(yīng)變能密度來說,僅發(fā)泡劑種類有顯著影響.

表5 方差分析結(jié)果

3 發(fā)泡劑作用機理分析

選取試樣置于載玻片上進行鍍金處理,采用Quanta200型環(huán)境掃描電鏡對再生混合料瀝青膜及其與集料接觸界面的表觀形貌進行觀測,結(jié)果見圖3和圖4.由圖可知,在未摻加發(fā)泡劑的條件下,再生混合料表面紋理粗糙,集料顆粒清晰可見,呈峰巒狀凸起.新瀝青與舊料接觸界面的黏結(jié)也不緊密,瀝青膜產(chǎn)生明顯的褶皺結(jié)構(gòu),說明瀝青發(fā)泡效果不佳,造成裹覆在集料表面的瀝青膜厚度有限,分布也不均勻.而在摻加CTAB發(fā)泡劑后,瀝青膜變得較為平滑,呈輕微漣漪狀,無明顯可見的集料顆粒,瀝青膜對其裹覆作用充分,瀝青與舊料接觸界面過渡平順,黏結(jié)緊密.因此,通過摻加發(fā)泡劑來提升瀝青的發(fā)泡效果可以有效地改善冷再生混合料中瀝青與舊料的裹覆效果和接觸界面效應(yīng),從而提高再生混合料的各項路用性能.

(a)未摻加發(fā)泡劑

(a)未摻加發(fā)泡劑

采用布魯克VERTEX 80v型紅外光譜儀,在衰減全反射模式下對摻加發(fā)泡劑前后的瀝青進行測試.利用OPUS軟件進行數(shù)據(jù)處理,結(jié)果見圖5.由圖可知,雖然紅外光譜譜圖形狀基本一致,但是摻加CTAB后瀝青各特征吸收峰強度的變化幅度明顯大于另外2種發(fā)泡劑.在3 674 cm-1和1 250～1 230 cm-1波數(shù)處均出現(xiàn)新的特征吸收峰;前者表明瀝青中新生成了醇羥基或酚羥基,有助于增強瀝青與集料的黏附性能;后者說明發(fā)泡劑與瀝青在高溫相融的過程中發(fā)生了締合行為,可以提高瀝青泡沫的穩(wěn)定性[14].然而,在1 376 cm-1波數(shù)處的特征吸收峰消失,說明加入發(fā)泡劑后可能發(fā)生縮聚反應(yīng),削弱了瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的橋架作用,泡沫瀝青的流動性有所提高[15].此外,在2 987 cm-1和1 075～1 055 cm-1波數(shù)處的吸收峰強度明顯提高;前者主要是因為碳原子上的氫原子被其他原子所取代,在高溫下裂解生成化學(xué)性質(zhì)活潑的烷烴或烯烴,進而產(chǎn)生了加聚反應(yīng);后者是因為低分子量的酯可以改善有機化合物的流動性,二者均能提高泡沫瀝青的發(fā)泡特性[15].

圖5 摻加發(fā)泡劑前后瀝青紅外吸收光譜

4 結(jié)論

1)隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加,泡沫瀝青膨脹率、半衰期和發(fā)泡指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,表明摻加適量的發(fā)泡劑可以顯著提升瀝青發(fā)泡性能,尤其有利于延長半衰期.

2)發(fā)泡劑對于泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能有顯著影響,其無側(cè)限抗壓強度、干濕劈裂強度、低溫抗彎拉強度、破壞應(yīng)變和應(yīng)變能密度均隨發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小.

3)摻加CTAB發(fā)泡劑的瀝青和再生混合料分別表現(xiàn)出最優(yōu)的發(fā)泡性能和力學(xué)強度.

4)摻加發(fā)泡劑后,再生混合料表面瀝青膜變得更為平滑,對集料顆粒裹覆作用充分,與舊料接觸界面黏結(jié)緊密.新生成的醇羥基或酚羥基、芳香環(huán)或稠環(huán)化合物等化學(xué)物質(zhì),有助于提高瀝青泡沫的穩(wěn)定性,增強瀝青與集料的黏附性能.