泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性研究

張 航 ，胡建新，劉大洋

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性研究

張 航1,2，胡建新1，劉大洋1

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

采用60 ℃車轍試驗，分析瀝青標號、水泥摻量、泡沫瀝青用量和養(yǎng)生時間對泡沫瀝青冷再生混合料高溫性能的影響?；跇颖狙芯?，得出如下結論：采用低標號瀝青、增加水泥用量、延長養(yǎng)生時間均能夠提高泡沫瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性；增加泡沫瀝青用量會降低泡沫瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性。

道路工程；泡沫瀝青；冷再生混合料；高溫穩(wěn)定性；動穩(wěn)定度

截至2015年底，我國公路網總里程已突破457.7萬km，其中高速公路總里程達到12.4萬km，與此同時，我國高速公路建設程度整體進一步放緩，而我國早年建成的高速公路陸續(xù)進入大、中修時期，路面銑刨、重建的任務也越來越重。路面翻修銑刨后，舊料若被廢棄，則在舊料運輸、處理過程中會造成資源浪費和環(huán)境污染；若全采用新集料，則代表著開山取石，會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。交通運輸部在“十三五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要中明確提出，應踐行綠色發(fā)展理念，實現公路養(yǎng)護與生態(tài)環(huán)境和諧共促，高速公路，普通國道、省道廢舊路面材料回收率應分別達到100%、98%，較“十二五”期間提出了更高的要求。另外，美國聯邦公路局調查也表明，瀝青路面再生利用可節(jié)約材料費超過50%，路面造價降低約25%，瀝青節(jié)省約50%。

因此，采用瀝青路面再生方案對舊料加以利用，既是公路養(yǎng)護管理發(fā)展的要求，又能節(jié)約成本、保護環(huán)境。而以泡沫瀝青作為穩(wěn)定劑的路面再生技術由于環(huán)保、經濟、實用等優(yōu)勢，近年來在世界各國路面養(yǎng)護維修中得到了廣泛應用。泡沫瀝青冷再生混合料可用于高速公路和1、2級公路瀝青路面的下面層，3、4級公路瀝青路面的面層。長期的工程驗證表明，泡沫瀝青冷再生路面雖然取得了良好的應用效果，但也出現了不少永久變形病害。南非的泡沫瀝青混合料設計與使用指南對混合料性能進行了歸納，如圖1所示。由圖1可見，泡沫瀝青穩(wěn)定材料兼具有剛性、柔性和未處治材料的特點，且隨著泡沫瀝青和水泥用量的改變，混合料也會顯示出不同的使用性能[1-3]。本文主要采用車轍試驗來分析泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響因素，包括瀝青標號、水泥用量、泡沫瀝青用量以及養(yǎng)生時間，以期為相關工程提供有益指導。

圖1 冷再生混合料材料特性

1 泡沫瀝青冷再生混合料組成

1) RAP料。瀝青路面在經過長時間的荷載及自然條件作用下，礦料及其裹覆的瀝青膠結料的物理和化學特性均會發(fā)生一定程度的變化。已有研究表明，在泡沫瀝青冷再生混合料中，不能僅僅將RAP當作集料考慮，因為隨著RAP摻量的增加，最佳泡沫瀝青用量是減少的，且在一定范圍內，RAP中舊瀝青含量越多，最佳泡沫瀝青用量就越少[4]。本文采用的RAP料為重慶市某條高速公路中上面層的銑刨料。

2) 泡沫瀝青。普通針入度級瀝青在高溫下加入少量冷水，水的急速氣化使瀝青形成爆炸性泡沫，并在很短時間內破裂，這種瀝青材料稱為泡沫瀝青。當泡沫瀝青與集料接觸時，泡沫瀝青瞬間破裂，并與細集料粘結形成瀝青膠漿顆粒，通過機械攪拌和壓實，膠漿顆粒以“點焊”的形式填充在粗骨料之間，達到穩(wěn)定再生料的目的[5]。本文采用SK90#和雙龍70#基質瀝青通過發(fā)泡機制作的泡沫瀝青，其技術指標如表1所示。

表1 基質瀝青技術指標

3) 水泥。由于泡沫瀝青是通過“點焊”的形式來穩(wěn)定材料，并非普通瀝青的裹覆粘結，因此泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性和疲勞性能較差[6]。為改善其力學性能，需在其中加入少量水泥。本文使用42.5普通硅酸鹽水泥，其各項指標檢測結果均合格。

4) 新集料。由于RAP集料由舊路面銑刨而來，細集料和瀝青裹覆在粗集料上，導致RAP中細集料偏少，因此，考慮到合成級配，一般需要補充石屑或機制砂。同時，因考慮到再生混合料結構強度及合成級配，有時也會補充碎石。本文采用的碎石和機制砂為石灰?guī)r。

5) 水。冷再生混合料在拌和時需要加入一定的水，合適的用水量可以促進結團集料的分解，有利于泡沫瀝青的擴散和混合料施工和易性的提高。本文采用的水為當地的自來水。

2 配合比設計

2.1 級配確定

參照JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》，結合中上面層銑刨料的級配，選擇中粒式級配。本文采用RAP摻量為78.5%，機制砂和碎石摻量為21.5%。合成級配如圖2所示。

圖2 合成級配

2.2 瀝青發(fā)泡條件確定

室內采用維特根WLB 10 S發(fā)泡機對SK90#和雙龍70#瀝青進行發(fā)泡試驗，結果分別如圖3和圖4所示。我國規(guī)范要求膨脹率不小于10(倍)，半衰期不小于8 s。本文兼顧二者指標，根據發(fā)泡試驗確定發(fā)泡條件：90#瀝青，2.0%最佳發(fā)泡用水量，150 ℃的發(fā)泡溫度；70#瀝青，2.0%最佳發(fā)泡用水量，160 ℃的發(fā)泡溫度。

2.3 最佳拌和用水量和水泥劑量確定

已有研究表明，泡沫瀝青冷再生混合料最佳拌和用水量不同于混合料的最佳含水率，且與混合料中填料所占比例相關[7-8]。本次試驗填料含量為8.5%，在5%～10%之間，適宜的拌和用水量范圍為最佳擊實含水量(OMC)的70%～80%。采用重型擊實確定混合料最佳含水率為5.9%，取75%OMC，得最佳拌和用水量為4.4%。根據規(guī)范及已有工程經驗，確定水泥劑量為外摻1.5%。

圖3 90#瀝青發(fā)泡結果

圖4 70#瀝青發(fā)泡結果

2.4 最佳泡沫瀝青用量確定

采用90#瀝青，預估最佳泡沫瀝青用量為2.5%。采用馬歇爾擊實儀，雙面各擊實75次，在1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫瀝青用量下成型試件，并將其置于40 ℃鼓風烘箱內養(yǎng)生72 h。通過劈裂強度試驗，確定最佳泡沫瀝青用量為2.8%，如圖5所示。

圖5 最佳泡沫瀝青用量確定

由圖5可以看出，最佳泡沫瀝青用量下的干劈裂強度(干ITS)為0.70 MPa，濕劈裂強度(濕ITS)為0.62 MPa，干濕劈裂強度比(TSR)為88.5%，滿足TSR≥70%的規(guī)范要求。

3 泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性影響因素分析

本文采用車轍試驗的動穩(wěn)定度和車轍深度作為評價泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的指標。根據近幾年的觀測，夏季重慶地區(qū)瀝青路面路表溫度可達70 ℃，而泡沫瀝青冷再生混合料一般用于高等級公路下面層，而下面層表面的溫度不便直接測量，故在精度要求不高的情況下可根據SHRP提出的公式(1)進行估算[9]。

Td=Tsurf(1-0.063d+0.007d2-0.000 4d3)

(1)

式中：Tsurf為路表面溫度，℃；d為路面縱向深度，in；Td為路表以下d英寸處的溫度，℃。

重慶地區(qū)高速公路中上面層厚度一般為10 cm，經計算得到下面層表面溫度為58.5 ℃，因此確定車轍試驗溫度為60 ℃。

3.1 瀝青標號對泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響

對于泡沫瀝青，因受到瀝青發(fā)泡特性的限制一般僅選擇90#或者70#瀝青。對于熱拌瀝青混合料，選擇70#瀝青往往具有更優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。而對于泡沫瀝青冷再生混合料，其強度形成機理則完全不同于熱拌瀝青混合料。因此，研究瀝青標號對于泡沫瀝青冷再生混合料的影響具有重要意義。

針對90#和70#兩種瀝青，分別進行60 ℃車轍試驗。試驗時，采用圖2所示合成級配，泡沫瀝青用量為2.8%，最佳拌和用水量為4.4%，水泥摻量為外摻1.5%，分別拌和混合料，并按照馬歇爾試件毛體積密度反算混合料用量，成型車轍板試件，且每組瀝青成型3塊車轍板。為了保證2種瀝青的試驗具有可比性，2種瀝青冷再生混合料除瀝青標號和發(fā)泡條件不同外，其余條件均相同。采用2.4節(jié)所述養(yǎng)生方法養(yǎng)生試件，養(yǎng)生結束后進行60 ℃車轍試驗。試驗結果如表2所示。

表2 不同瀝青標號的泡沫瀝青冷再生混合料車轍試驗結果

由表2可知，70#瀝青比90#瀝青有更高的動穩(wěn)定度(DS)，其車轍深度也比90#瀝青小，但是2種瀝青的試驗數據差距并不大，數值間相對差距僅在10%以內。試驗結果表明，不同于熱拌瀝青混合料，泡沫瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性對瀝青標號并不敏感，在混合料條件都相同的情況下，僅改變?yōu)r青標號則不能顯著提高混合料高溫性能。其原因主要是由于水泥和水的加入所致，因為水泥的水化反應與混合料中的細集料結合，減少了瀝青膠漿在高溫下的流動，并對粗集料起到加筋作用。因此，由瀝青膠漿軟化導致的失穩(wěn)變形已不是影響泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的主要原因。

3.2 水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響

通常，為了提高泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性和早期強度，會在混合料中加入水泥，且為防止混合料早期開裂，水泥劑量一般較小。不同水泥劑量對泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響同樣可通過車轍試驗予以確定。

試驗時，瀝青采用90#，水泥摻量分別采用外摻0%、0.5%、1%、1.5%和2%，其余試驗條件與3.1節(jié)一致，成型不同水泥摻量的車轍試件。采用2.4節(jié)所述養(yǎng)生方法養(yǎng)生試件，養(yǎng)生結束后進行60 ℃車轍試驗，試驗結果如圖6所示。

由圖6可知，不摻加水泥的泡沫瀝青冷再生試件在車轍試驗后產生了很大的變形，添加0.5%的水泥后，其高溫穩(wěn)定性得到顯著提高，變形顯著減?。浑S著水泥劑量的不斷增加，試件車轍深度不斷減小，動穩(wěn)定度也不斷增加。試驗結果表明，不摻加水泥，僅以泡沫瀝青來穩(wěn)定混合料則混合料高溫穩(wěn)定性極差。由于冷再生混合料細集料較多，故在混合料拌和過程中，通過少量泡沫瀝青裹覆細集料對粗集料進行“點焊”，而60 ℃的車轍試驗溫度已超過瀝青軟化點，在高溫下，這種單純“點焊”的瀝青膠漿會迅速流動，最終導致混合料產生失穩(wěn)型車轍；摻加了水泥后，冷再生混合料在高溫下的流動變形迅速減小，且隨著水泥劑量的增加，其變形不斷減小，所表現出來的抗車轍能力就越好。因此，為了保證泡沫瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性，并兼顧其防開裂，配合比設計時應摻加少量水泥。

圖6 不同水泥摻量泡沫瀝青冷再生混合料的車轍試驗結果

3.3 泡沫瀝青用量對泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響

對于普通熱拌瀝青混合料，瀝青膠漿均勻裹覆在集料表面并將不同的粗集料粘結，其高溫穩(wěn)定性隨著瀝青用量的變化而變化，并存在一個最佳瀝青用量，在最佳瀝青用量下，混合料具有相對較好的高溫穩(wěn)定性。而對于泡沫瀝青冷再生混合料，其屬于舊料、新料、水、水泥、泡沫瀝青的多相體系，泡沫瀝青通過特殊的“點焊”方式穩(wěn)定混合料，同時水泥和水的摻加也會影響其高溫穩(wěn)定性。因此，泡沫瀝青用量的變化對冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響需要進行試驗研究。

試驗時，瀝青采用90#，泡沫瀝青用量采用0%、1.5%、3%和4%，其余條件與3.1節(jié)一致，成型不同泡沫瀝青用量的車轍試件。采用2.4節(jié)所述養(yǎng)生方法養(yǎng)生試件，養(yǎng)生結束后進行60 ℃車轍試驗，試驗結果如圖7所示。

由圖7可知，在泡沫瀝青用量為0的情況下，冷再生混合料具有較高的動穩(wěn)定度和較小的車轍深度，且高溫穩(wěn)定性最好。此時由于混合料中沒有泡沫瀝青，僅摻加水泥和水，因此混合料性能偏向低劑量水泥穩(wěn)定材料，且混合料內摩擦角相對較大，不受環(huán)境溫度的影響，具有較好的抗車轍性能；但由于其僅摻加低劑量水泥，缺少膠結料，導致混合料粘聚力不足，容易導致表面松散，抗水損害能力較差。加入泡沫瀝青后，混合料高溫性能有所降低，并隨著泡沫瀝青用量的增加而逐步降低，表明隨著泡沫瀝青用量的增多，不利于冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性。因此，進行冷再生混合料設計時，為了保證其高溫穩(wěn)定性，應避免采用過多的泡沫瀝青。

圖7 不同泡沫瀝青用量冷再生混合料的車轍試驗結果

3.4 養(yǎng)生時間對泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響

熱拌瀝青混合料路面鋪筑完成待溫度降至常溫即可開放交通，而泡沫瀝青冷再生混合料由于水泥和水的加入，需經過一段時間養(yǎng)生才能開放交通?，F行JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》中規(guī)定，進行配合比設計時，需將試樣連同試模一起側放在60 ℃鼓風烘箱中養(yǎng)生至恒重，養(yǎng)生時間一般不少于40 h。但是，在自然環(huán)境下，很難達到60 ℃的條件，且在60 ℃高溫下瀝青容易軟化。因此，室內試驗通常采用在40 ℃下養(yǎng)生72 h以上，其既符合自然條件且又不會造成瀝青軟化。同時，該規(guī)范還規(guī)定若在開放交通條件下進行養(yǎng)生，則應在完成壓實至少24 h后才能開放交通，這就對泡沫瀝青冷再生混合料早期強度提出了更高要求。因此，養(yǎng)生時間對泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響也有必要進行試驗研究。

試驗時，瀝青采用90#，其余試驗條件與3.1節(jié)一樣，成型車轍試件后，將試件置于40 ℃鼓風烘箱中分別養(yǎng)生12、24、48、72和96 h。試件養(yǎng)生完畢后，分別進行60 ℃車轍試驗。試驗完成后，對車轍試件取樣測其含水率，試驗結果如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，養(yǎng)生12 h的混合料，試驗后其含水率達到1.723%，水泥水化未完全反應，水分存留較多，導致混合料變形較大，高溫穩(wěn)定性不好；養(yǎng)生超過24h后，混合料含水率明顯減少，動穩(wěn)定度逐漸增大，車轍深度逐漸減小，其高溫穩(wěn)定性不斷提高；超過72 h后，混合料高溫穩(wěn)定性提高幅度有所減緩。因此，為保證泡沫瀝青冷再生混合料中水泥充分反應并形成足夠的強度，泡沫瀝青冷再生混合料必須在一定溫度下養(yǎng)生一段時間，緊急情況下也至少應保證養(yǎng)生24 h，否則混合料會因早期強度不足而產生大量變形。

圖8 不同養(yǎng)生條件下泡沫瀝青冷再生混合料的車轍試驗結果

圖9 不同養(yǎng)生條件下混合料試驗后含水率

4 結論

本文對泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響因素進行了試驗分析和研究，得到以下結論：

1) 在最佳發(fā)泡條件下，采用低標號瀝青能夠提高泡沫瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性，但提高效果并不顯著。

2) 為了保證泡沫瀝青冷再生混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，必須摻加一定的水泥，且摻量最好在1.0%以上；但為了避免開裂，應限制水泥劑量的上限。

3) 泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性隨著泡沫瀝青用量的增加而降低，在確定最佳泡沫瀝青用量時，應同時考慮其高溫穩(wěn)定性和抗松散性、水穩(wěn)定性。

4) 為保證泡沫瀝青冷再生混合料的使用性能，在開放交通或鋪筑中上面層前，應保證足夠的養(yǎng)生時間。

[1]李秀君，朱洪哥，陳國強，等.泡沫瀝青再生混合料物理力學性能影響分析[J].公路，2009(10)： 211-215.

[2]李 明，馬在亮，張曉淑.泡沫瀝青冷再生混合料性能研究[J].公路交通技術，2007(3)： 60-62.

[3]徐金枝，郝培文，劉 麗.泡沫瀝青冷再生混合料力學特性試驗[J].公路交通科技，2011，28(12)： 10-15.

[4]權登州，郝培文，吳 穎.泡沫瀝青冷再生混合料技術特性研究[J].中外公路，2008，28(6)：254-256.

[5]喬衛(wèi)華.泡沫瀝青發(fā)泡機理及其混合料性能的研究[D].重慶：重慶交通大學，2008.

[6]張茂峰，黃維蓉，劉志前.摻加水泥對泡沫瀝青混合料水穩(wěn)定的影響[J].鹽城工學院學報(自然科學版)，2008，21(2)：58-61.

[7]歐陽楊，夏選朋，徐金枝，等.泡沫瀝青穩(wěn)定材料力學特性研究[J].中外公路，2007，27(3)： 187-190.

[8]徐金枝.泡沫瀝青及泡沫瀝青冷再生混合料技術性能研究[D].西安：長安大學，2007.

[9]HUBER，GERALD A. Weather database for the SUPERPAVE mix design system [C]. Washington， D.C.：National Research Council，1994.

Study on High Temperature Stability of Cold Recycled Foamed Asphalt Mixture

ZHANG Hang1,2,HU Jianxin1,LIU Dayang1

In this paper,60 ℃ rutting test is carried out to analyze influence to high temperature performance of cold recycled asphalt mixture by asphalt grade,cement content,foamed asphalt dosage and curing time. Based on sample study,it was concluded that using low grade asphalt,increasing cement content,prolonging the curing time can improve the high temperature stability of the foamed asphalt cold recycled mixture; increasing the amount of foamed asphalt will reduce the high temperature stability of the foamed asphalt cold recycled mixture.

road project; foamed asphalt; cold recycled mixture; high temperature stability; dynamic stability

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.005

浙江省交通運輸廳科技項目(2014H26)

2016-08-29

張 航(1990-)，男，陜西省銅川市人，博士研究生，助工。

1009-6477(2016)06-0017-06

U416.217

A