泡沫瀝青發(fā)泡效果評級及混合料性能研究

尉北蘭

（烏海市公路養(yǎng)護中心，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 引言

瀝青路面由于其平整無接縫、行駛噪音小、養(yǎng)護維修方便等優(yōu)點成為我國等級道路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。我國公路事業(yè)已步入建養(yǎng)并重的階段，如何綠色環(huán)保、經(jīng)濟高效地進行瀝青路面養(yǎng)護成為目前研究的熱點。瀝青路面材料的循環(huán)利用主要有熱再生和冷再生兩種技術(shù)。瀝青路面冷再生不會對瀝青路面造成二次老化，同時強度也能夠滿足基層或者下面層的要求，成為一些低等級道路再生的重要手段。相較于乳化瀝青半柔性再生技術(shù)，泡沫瀝青冷再生路面具備良好的抗變形、抗疲勞性能和較高的早期強度，且施工速度快、節(jié)能減排以及良好的工程經(jīng)濟性等優(yōu)勢，在國內(nèi)高速公路、城鎮(zhèn)主干線公路和地方道路都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

國內(nèi)外的學(xué)者圍繞泡沫瀝青再生混合料開展了大量的研究工作。國外最早在20世紀(jì)初對泡沫瀝青處理道路表層材料進行了一系列研究。20世紀(jì)50年代美國艾奧瓦州立大學(xué)的Csanyi L H教授，利用高溫水蒸氣對瀝青進行了發(fā)泡試驗[2]。Bowering等[3，4]利用室內(nèi)養(yǎng)生方式模擬早期泡沫瀝青混合料現(xiàn)場的養(yǎng)生情況，并分析了不同養(yǎng)生溫度、濕度等多種條件下混合料的力學(xué)性能。國內(nèi)的學(xué)者圍繞泡沫瀝青混合料的強度成型機理、成型方法、耐久性也開展了大量的研究。Li Z等[5]利用掃描電鏡觀察了摻入水泥前后的RAP和泡沫瀝青膠漿的微觀形貌，揭示了水泥能提升再生混合料強度的機理。水泥的水化作用消耗了泡沫瀝青中的水分，當(dāng)水泥含量過高時會提高混合料的脆性，通?；旌狭现兴嗪勘幌拗圃?.5%～2.5%[6]。薄雪峰等[7-9]研究發(fā)現(xiàn)，泡沫瀝青混合料具有良好的抗裂性，可有效緩解瀝青層反射裂縫的出現(xiàn)。黃衛(wèi)東等[10]通過間接拉伸開裂方法評價了超薄磨耗層混合料抗裂性能。馮德成等[11]通過改進后的SCB 試驗發(fā)現(xiàn)，該試驗?zāi)苷鎸嵎从臣值貐^(qū)瀝青路面實際低溫開裂狀況，并通過斷裂能及斷裂韌性等指標(biāo)的對比分析，得出采用斷裂能作為混合料低溫性能的評價指標(biāo)更為合理。

國內(nèi)外的學(xué)者不僅對泡沫瀝青開展了大量的研究，對泡沫瀝青混合料的強度形成機理、路用性能和耐久性等也進行了大量的研究。但是，泡沫瀝青的發(fā)泡效果受瀝青品質(zhì)、發(fā)泡設(shè)備、發(fā)泡溫度、含水率的影響，在施工前均應(yīng)進行試驗驗證；再生混合料的性能也需要根據(jù)再生料的不同、水泥摻量、集料的種類等進行實地試驗驗證?；诖?，本文開展泡沫瀝青及泡沫瀝青混合料相關(guān)性能的研究，以為同類研究提供參考。

2 材料與方法

2.1 瀝青

本研究使用70 號基質(zhì)石油瀝青，基本性能指標(biāo)見表1。

表1 試驗用70號基質(zhì)瀝青檢測指標(biāo)

2.2 水泥

試驗采用強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，主要檢測指標(biāo)見表2，檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表2 水泥檢測指標(biāo)

2.3 RAP料

選用內(nèi)蒙古某項目瀝青路面的銑刨材料，主要檢測指標(biāo)見表3 和表4。通過對檢測結(jié)果分析可知，路面的銑刨材料性能基本滿足規(guī)范要求，可用于泡沫瀝青冷再生工程的應(yīng)用。

表3 RAP檢測指標(biāo)

表4 RAP級配檢測結(jié)果

2.4 礦料

工程上需要添加適當(dāng)比例的新集料來調(diào)整級配，使礦料級配在規(guī)范推薦的級配范圍內(nèi)。同時，礦料性能也應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。試驗選用的粗集料和細集料檢測結(jié)果見表5和表6，檢測結(jié)果滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）中對粗集料和細集料的要求。

表5 粗集料檢測結(jié)果

表6 細集料檢測結(jié)果

3 泡沫瀝青發(fā)泡性能分析

3.1 溫度對瀝青發(fā)泡效果的影響

瀝青發(fā)泡效果是影響泡沫瀝青冷再生混合料性能的重要因素，而用水量和發(fā)泡溫度又影響瀝青發(fā)泡效果。本文通過試驗分析用水量和溫度對泡沫瀝青半衰期和膨脹率的影響，確定最佳用水量和發(fā)泡溫度。試驗選用1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的用水量，發(fā)泡溫度分別控制在145℃、155℃、165℃、175℃，開展發(fā)泡后瀝青半衰期和膨脹率的檢測，具體指標(biāo)檢測結(jié)果見表7和圖1、圖2。

圖1 不同發(fā)泡溫度和用水量下瀝青半衰期變化圖

圖2 不同發(fā)泡溫度和用水量下瀝青膨脹率變化圖

表7 瀝青發(fā)泡結(jié)果表

通過對表7和圖1、圖2的分析可知，在發(fā)泡溫度相同條件下，隨著用水量的增加，泡沫瀝青膨脹率呈上升狀態(tài)，產(chǎn)出的泡沫瀝青體積增大，質(zhì)地更為均勻，包裹性也增強，但是其半衰期呈下降趨勢，即泡沫瀝青的體積衰減更快，影響泡沫瀝青的使用；當(dāng)含水量不變的時候，隨著溫度的升高，瀝青半衰期和膨脹率均會升高，即升高溫度會提升瀝青的發(fā)泡效果，但在175℃時，其半衰期會降低，故瀝青應(yīng)選擇合適的發(fā)泡溫度區(qū)間。

3.2 最佳發(fā)泡效果的確定

為確定項目應(yīng)用中瀝青的最優(yōu)發(fā)泡溫度和用水量，以用水量為橫坐標(biāo)，膨脹率與半衰期為縱坐標(biāo)，繪制瀝青發(fā)泡特性圖，綜合分析膨脹率和半衰期。最佳發(fā)泡條件是確定能取得最優(yōu)發(fā)泡效果的發(fā)泡溫度和用水量。通過發(fā)泡溫度對發(fā)泡效果的影響分析，選擇最佳發(fā)泡溫度165℃，繪制瀝青不同含水量的膨脹率和半衰期變化圖，如圖3所示。

圖3 最佳含水率確定圖

由圖3 可知，最佳含水率為2.5%，即該瀝青的最佳發(fā)泡條件為165℃，含水率為2.5%，半衰期為29.4s，膨脹率為14.6倍。

4 泡沫瀝青再生混合料配合比設(shè)計

4.1 礦料合成級配

通過對銑刨料、碎石、石屑和水泥的級配進行充分分析和不斷試配，最終確定混合料的礦料組成為70%銑刨料+15%細集料（0～3mm）+13.5%粗集料（4.75mm～26.5mm）+1.5%水泥，具體合成級配見表8，合成級配各篩孔的通過率符合《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）的要求。

表8 合成級配表

4.2 最佳含水率的確定

參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40）T 0131 的方法，對合成礦料進行擊實試驗，確定混合料最大干密度與最佳含水量。擊實試驗結(jié)果見表9和圖4。

表9 干密度和濕密度變化表

圖4 干密度變化圖

根據(jù)圖4，確定混合料最佳含水率為6.7%。工程實踐中發(fā)現(xiàn)，在擊實試驗最大干密度對應(yīng)含水率的基礎(chǔ)上折減20%左右的含水率，可能更有利于泡沫瀝青分散及保證混合料性能。因此取用水量為5.4%，最大干密度為2.073g/cm3。

4.3 最佳泡沫瀝青用量的確定

根據(jù)泡沫瀝青冷再生混合料的合成級配范圍和RAP 中瀝青含量，預(yù)估泡沫瀝青用量為2.2%。以預(yù)估的泡沫瀝青用量為中值，以0.3%為間隔拌和5 組混合料，然后將泡沫瀝青混合料成型馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件（每面擊實75 次）。將試樣連同試模一起側(cè)放在60℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生至恒重，養(yǎng)生時間一般不少于40h，試樣養(yǎng)生后直接側(cè)放冷卻12h后脫模；將養(yǎng)生后的試件進行干劈裂試驗和濕劈裂試驗。試驗結(jié)果見表10和圖5。

表10 劈裂強度變化表

圖5 劈裂強度變化圖

根據(jù)試驗結(jié)果可知，當(dāng)泡沫瀝青用量為2.2%時，其濕劈裂強度獲得最大值，此時，干濕劈裂強度比也滿足規(guī)范要求。因此，泡沫瀝青用量的設(shè)計值取為2.2%。

4.4 配合比性能驗證

按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）要求，需要對泡沫瀝青混合料試件的車轍性能進行驗證。采用2.2%的泡沫瀝青、5.4%的含水率、1.5%的水泥，按照規(guī)范要求通過輪碾法成型50mm厚的冷再生混合料車轍板試件，碾壓完成后迅速將試件放置到60℃鼓風(fēng)烘箱中烘干至恒重（一般48h 左右），再進行動穩(wěn)定度試驗。試驗前試件保溫時間為8h～10h。開啟試驗機，保證試驗機工作室內(nèi)溫度為60℃±0.5℃。讀取45min 和60min 時的變形量計算動穩(wěn)定度。根據(jù)瀝青混合料動穩(wěn)定度計算公式得出泡沫瀝青冷再生混合料車轍試驗結(jié)果，具體見表11。試驗結(jié)果表明，動穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求。

表11 車轍試驗結(jié)果表

5 結(jié)語

通過對泡沫瀝青發(fā)泡性能進行分析和泡沫再生瀝青混合料配合比設(shè)計和性能驗證，可以得到如下結(jié)論：

①瀝青發(fā)泡性能受含水率和發(fā)泡溫度的影響，含水率越高，膨脹率越高，半衰期則越短；溫度越高，膨脹率和半衰期均會升高，但是超過一定溫度后，半衰期會減小。

②通過室內(nèi)試驗確定，本項目使用的瀝青最佳發(fā)泡溫度為165℃，最佳含水量為2.5%。

③通過室內(nèi)試驗確定，泡沫再生混合料的礦料組成為70%銑刨料+15%細集料（0～3mm）+13.5% 粗集料（4.75mm～26.5mm）+1.5%水泥，瀝青用量為2.2%，含水率為5.4%；混合料性能滿足規(guī)范要求，可以進行工程應(yīng)用。