不同RAP含量的泡沫瀝青混合料力學(xué)性能評(píng)估分析

作者簡(jiǎn)介：曾文彤（1984—），工程師，主要從事路橋項(xiàng)目施工管理工作。

文章對(duì)采用不同RAP含量的泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究分析。對(duì)原生瀝青的發(fā)泡特性進(jìn)行了評(píng)估，以優(yōu)化其最佳含水量和發(fā)泡溫度；進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，優(yōu)化了不同RAP含量的混合料中的泡沫瀝青含量，并對(duì)泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，瀝青的性質(zhì)、用量和RAP含量對(duì)泡沫瀝青和泡沫瀝青混合料的性能有顯著影響。在不同的混合料中，含50% RAP的泡沫瀝青混合料在彈性模量和抗?jié)駬p傷試驗(yàn)中表現(xiàn)最佳；含80%RAP的泡沫瀝青混合料也顯示出可接受的強(qiáng)度和抗水敏感性。

泡沫瀝青混合料；再生瀝青路面；混合料設(shè)計(jì)；力學(xué)性能

U416.217A030084

0?引言

目前，在鋪裝設(shè)計(jì)和施工中，將再生瀝青路面（RAP）材料應(yīng)用到瀝青混合料中是各國(guó)普遍采用的一種施工方法。在回收工藝中，就地冷再生由于其環(huán)保的工藝和能最大限度地利用RAP材料而具有廣闊的前景。就地冷再生是將現(xiàn)有的破損路面碾磨到預(yù)定深度，然后將這種材料與泡沫瀝青或乳膠混合。就地冷再生又分為瀝青層就地冷再生和全深式就地冷再生［1］。由于RAP是在常溫下使用的，含有泡沫瀝青的就地冷再生限制了RAP的進(jìn)一步降解，因此降低了建設(shè)成本和對(duì)用戶的交通干擾。具體施工時(shí)，不需要對(duì)瀝青進(jìn)行加熱處理，不會(huì)造成明顯的環(huán)境污染，施工也不會(huì)受到特殊氣候的干擾，保障了工程施工的普遍性［2］。盡管泡沫瀝青工藝的就地冷再生有很大的好處，但在使用時(shí)仍需要解決某些問(wèn)題，如RAP本身的異質(zhì)性導(dǎo)致泡沫瀝青混合料性能的差異顯著等。

泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能受到諸如拌和用水量、RAP含量、級(jí)配和水泥摻量等因素的影響［3-5］。其中，瀝青的物理性能和RAP的用量對(duì)泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能有顯著的影響。因此，本文研究泡沫瀝青混合料力學(xué)性能的試驗(yàn)分為4個(gè)階段進(jìn)行：（1）組成材料（RAP、原始集料和瀝青）的表征；（2）不同等級(jí)瀝青的發(fā)泡性能評(píng)價(jià)；（3）泡沫瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)；（4）采用不同比例RAP對(duì)泡沫瀝青混合料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)。

1?組成材料的表征

1.1?RAP材料與原始集料

試驗(yàn)中，RAP材料的瀝青含量為3.6%（按總混合物的重量計(jì)算），25 ℃的針入度和軟化點(diǎn)分別為3.7 mm和61.2 ℃。在60 ℃和135 ℃的溫度下，瀝青的表觀黏度分別為2 800 Pa·s和875 Pa·s。對(duì)回收集料和原始集料進(jìn)行了物理性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

為了測(cè)定綜合片狀指數(shù)和伸長(zhǎng)率指數(shù)，分離出具有代表性的片狀石材樣品，將片狀骨料的重量除以骨料樣品的總重量，計(jì)算出片狀指數(shù)。伸長(zhǎng)指數(shù)是伸長(zhǎng)骨料顆粒的重量與非片狀骨料顆粒的總重量的比值。片狀指數(shù)和伸長(zhǎng)指數(shù)（均以百分?jǐn)?shù)表示）相加得到片狀指數(shù)和伸長(zhǎng)率的綜合指數(shù)。

集料試樣通過(guò)12.5 mm篩，保留在10 mm篩上進(jìn)行集料沖擊試驗(yàn)?？箾_擊性是通過(guò)樣品經(jīng)受15次打擊或標(biāo)準(zhǔn)重量的沖擊來(lái)確定的，總沖擊值以形成的細(xì)粒占樣品總重量的百分比表示。粗骨料比重試驗(yàn)通過(guò)確定體積骨料的重量與等體積水的重量之比來(lái)計(jì)算粗骨料樣品的比重。將瀝青包覆骨料靜態(tài)浸入水中，測(cè)定骨料的剝落值。

1.2?原生瀝青

本研究使用了3種原始瀝青結(jié)合料（VG10、VG30和VG40，VG20由所需數(shù)量的VG10和VG30混合而成）。瀝青的物理性質(zhì)如表2所示。

1.3?泡沫瀝青

隨著含水率和瀝青溫度的升高，泡沫瀝青的膨脹比增大，半衰期減小。為了確定最佳發(fā)泡水含量和發(fā)泡溫度，研究了泡沫瀝青在一定溫度和含水量范圍內(nèi)的特性。將瀝青的溫度控制在120 ℃～180 ℃變化（以10 ℃為增量），選擇的發(fā)泡水含量分別為2%、4%、6%、8%、10%和11%，使用的氣壓和水壓分別為550 kPa和600 kPa。在每個(gè)發(fā)泡過(guò)程中，500 kg瀝青以50 g/s的速度進(jìn)入發(fā)泡室，確定最佳的水分和溫度，以滿足ER≥8次和HL≥6秒的最低標(biāo)準(zhǔn)。如表3所示，總結(jié)了所有等級(jí)瀝青的最佳含水率和發(fā)泡溫度以及相應(yīng)的發(fā)泡參數(shù)。

2?混合料的配合比設(shè)計(jì)

2.1?混合料級(jí)配

將從RAP中獲得的骨料在烘箱中干燥24 h，洗凈骨料后進(jìn)行篩分以確定骨料級(jí)配，如圖1所示。將RAP集料與原集料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，以滿足級(jí)配的要求。含有80% RAP材料和1%活性填料（43級(jí)水泥）的骨料混合料滿足回收泡沫瀝青混合料的級(jí)配要求，含0、50%和80% RAP的再生泡沫瀝青混合料粒徑分布及級(jí)配限值如圖1所示。

2.2?最佳含水量的測(cè)定

通過(guò)烘箱干燥，確定RAP的含水率為0.12%。根據(jù)水分和密度的關(guān)系，確定了未處理混合料的最佳含水量。通過(guò)加入不同數(shù)量的水，制備了不同含水量的松散混合料，這些混合料混合良好，使用Proctor壓實(shí)法進(jìn)行壓實(shí)。

2.3?混合料制備及其性能測(cè)試

確定最佳含水量后，對(duì)骨料混合料中的泡沫瀝青進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中，稱量滿足級(jí)配規(guī)格的10 kg骨料混合料，并加入泡沫瀝青，泡沫瀝青含量的百分比分別為1.8%、2.0%、2.2%、2.5%、3%。使用攪拌機(jī)混合，將混合料進(jìn)一步分割，以獲得混合料的重量，剛好填滿模具，使用壓實(shí)機(jī)將松散的混合料壓實(shí)，壓實(shí)后的混合料在24 h后脫模，隨后在40 ℃烤箱中固化72 h。

為了評(píng)估泡沫瀝青混合料的性能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基于性能的測(cè)試。采用間接拉伸強(qiáng)度法對(duì)泡沫瀝青混合料的拉伸性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。采用壓實(shí)圓柱試樣進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試，利用破壞載荷和試件尺寸，間接拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式如式（1）所示。

為了評(píng)估泡沫瀝青混合料的水分損傷敏感性，確定拉伸強(qiáng)度比（TSR），將6個(gè)樣品壓實(shí)，其中3個(gè)樣品用于在無(wú)約束條件下測(cè)定間接拉伸強(qiáng)度，其余3個(gè)樣品經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募s束處理后進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓袒?，?5 ℃下對(duì)其進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試。為了進(jìn)行調(diào)節(jié)，將樣品置于60 ℃的水中，水浴24 h，然后在25 ℃的環(huán)境室中靜置2 h，之后使用這3個(gè)樣品測(cè)定間接拉伸強(qiáng)度。試件的抗拉強(qiáng)度比計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：σt，約束[WB]——[ZK（]約束條件下試樣的平均間接拉伸強(qiáng)度；

σt，無(wú)約束[DW]——[ZK（]無(wú)約束條件下試樣的平均間接拉伸強(qiáng)度。

為了檢查泡沫瀝青混合料在動(dòng)態(tài)條件下的響應(yīng)，將試樣在環(huán)境箱中放置5 h，然后在泊松比為0.35、重復(fù)加載脈沖寬度為0.1 s、脈沖重復(fù)周期為1 s的條件下，測(cè)量彈性模量值。

3?結(jié)果與討論

3.1?壓實(shí)特性

如前所述，泡沫瀝青混合料的壓實(shí)特性用改進(jìn)的Proctor試驗(yàn)確定，其壓實(shí)混合料干密度隨含水率的變化情況如圖2所示。由圖2可以看出，隨著含水率的增加，壓實(shí)試樣的干密度先增加到一定程度后再降低。研究中評(píng)估的所有混合物都是如此，但3種混合料的最大干密度和相應(yīng)的含水率不同。RAP含量的增加導(dǎo)致所有混合料的干密度降低，最佳含水量相應(yīng)增加。將最大干密度對(duì)應(yīng)的含水率指定為預(yù)潤(rùn)濕水，用于后續(xù)試樣制作和測(cè)試。0 RAP含量和50%RAP、80% RAP含量混合料的最佳含水量分別為4.8%、5.0%和6.2%。在加入預(yù)潤(rùn)濕水時(shí)，扣除RAP中存在的水分含量。

由圖2可知，0 RAP含量混合物中＜4.75 mm篩分的顆粒較多，50%RAP含量混合物中＞4.75 mm篩分的顆粒較多，80%RAP含量混合物中較大顆粒產(chǎn)生的空隙被水填充。因此，RAP含量較高的混合物密度較低，需要較高的含水量才能達(dá)到最大密度。

3.2?間接拉伸強(qiáng)度

對(duì)于VG 10、VG 20、VG 30和VG 40等級(jí)的瀝青，間接拉伸強(qiáng)度隨RAP含量和瀝青含量的變化情況分別如圖3所示?？偟膩?lái)說(shuō)，除VG 30外，其他瀝青的干間接拉伸強(qiáng)度值都隨著RAP含量的增加而增加。

對(duì)于特定的泡沫瀝青含量和RAP含量，黏度等級(jí)越高的混合料間接拉伸強(qiáng)度越高，這是由于瀝青提供了更高的剛度。對(duì)于特定等級(jí)的瀝青和RAP含量，隨著泡沫瀝青含量的增加，間接拉伸強(qiáng)度值先增加到一定值后再下降。當(dāng)泡沫瀝青含量較低時(shí)，瀝青不足以在壓實(shí)過(guò)程中提供適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑；當(dāng)泡沫瀝青含量越高，瀝青厚度越大，間接拉伸強(qiáng)度值越低。

3.3?強(qiáng)度比

對(duì)于VG 10、VG 20、VG 30和VG 40等級(jí)的瀝青，抗拉強(qiáng)度比隨RAP百分比和泡沫瀝青含量的變化情況如圖4所示。由圖4可知，大多數(shù)混合料（除0 RAP含量，1.8%含水率外）抗拉強(qiáng)度比值均高于70%，而抗拉強(qiáng)度比較高的原因之一是硅酸鹽水泥的固化。對(duì)于特定等級(jí)的瀝青和泡沫瀝青含量，大多數(shù)混合料（除了1.8%、2.0%泡沫瀝青和VG 10、VG 40）在50% RAP含量時(shí)表現(xiàn)出了最大抗拉強(qiáng)度比，用VG 10級(jí)和VG 40級(jí)瀝青、1.8%和2.0%泡沫瀝青配制的4種混合料在RAP含量為80%時(shí)的抗拉強(qiáng)度比最大。對(duì)于特定的瀝青等級(jí)和RAP含量，隨著泡沫瀝青含量的增加，抗拉強(qiáng)度比也隨之增加。這是因?yàn)榘l(fā)泡瀝青改善了骨料表面的涂層或骨料界面的均勻點(diǎn)焊，反過(guò)來(lái)又增加了混合料的防潮性和隨后的抗拉強(qiáng)度比。

3.4?彈性模量

如圖5和圖6所示分別為25 ℃和35 ℃下泡沫瀝青混合料（不同RAP含量和泡沫瀝青含量）的彈性模量。在其他參數(shù)不變的情況下，所有混合物在25 ℃時(shí)的彈性模量均高于35 ℃時(shí)的彈性模量。對(duì)于給定的瀝青等級(jí)、泡沫瀝青含量和測(cè)試溫度，所有混合物在50% RAP含量時(shí)（VG 10和3%瀝青含量的混合物除外）都觀察到最大彈性模量，這是由于與含有0和80% RAP的混合物相比，50% RAP混合物中老化瀝青的骨料聯(lián)鎖性更好。對(duì)于特定等級(jí)的瀝青，隨著泡沫瀝青含量的增加，所有0 RAP含量的混合物都表現(xiàn)出彈性模量的增加，50%和80% RAP混合料的彈性模量隨泡沫瀝青含量的增加先增加后降低。RAP含量為50%和80%時(shí)制備的混合料，在25 ℃和35 ℃時(shí)，泡沫瀝青含量分別為3%和2.5%時(shí)，彈性模量最大。

4?結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同RAP含量的泡沫瀝青混合料力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估，研究了原始瀝青的發(fā)泡特性，以優(yōu)化其最佳含水量和發(fā)泡溫度；進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，以優(yōu)化泡沫瀝青的含量；制備了含不同RAP含量的泡沫瀝青混合料，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)論如下：

（1）在混合料設(shè)計(jì)中，RAP含量越高，泡沫瀝青混合料的最佳含水率越高，干密度越低。

（2）泡沫瀝青混合料的最佳含水率取決于RAP的含量。對(duì)于泡沫瀝青和RAP，瀝青黏度等級(jí)越高，間接抗拉強(qiáng)度越高。此外，RAP含量的增加會(huì)導(dǎo)致間接抗拉強(qiáng)度的相應(yīng)增加。

（3）與其他混合料相比，含有50%RAP的泡沫瀝青混合料具有更高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度比值。一般來(lái)說(shuō)，泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能主要取決于瀝青的物理性能、RAP含量和瀝青含量。

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