泡沫瀝青發泡效果評級及混合料性能研究

尉北蘭

（烏海市公路養護中心，內蒙古 烏海 016000）

1 引言

瀝青路面由于其平整無接縫、行駛噪音小、養護維修方便等優點成為我國等級道路的主要路面結構形式。我國公路事業已步入建養并重的階段，如何綠色環保、經濟高效地進行瀝青路面養護成為目前研究的熱點。瀝青路面材料的循環利用主要有熱再生和冷再生兩種技術。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，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、節能減排以及良好的工程經濟性等優勢，在國內高速公路、城鎮主干線公路和地方道路都得到了廣泛的應用[1]。

國內外的學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50年代美國艾奧瓦州立大學的Csanyi L H教授，利用高溫水蒸氣對瀝青進行了發泡試驗[2]。Bowering等[3，4]利用室內養生方式模擬早期泡沫瀝青混合料現場的養生情況，并分析了不同養生溫度、濕度等多種條件下混合料的力學性能。國內的學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]研究發現，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。黃衛東等[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 試驗發現，該試驗能真實反映吉林地區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更為合理。

國內外的學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，泡沫瀝青的發泡效果受瀝青品質、發泡設備、發泡溫度、含水率的影響，在施工前均應進行試驗驗證；再生混合料的性能也需要根據再生料的不同、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 號基質石油瀝青，基本性能指標見表1。

表1 試驗用70號基質瀝青檢測指標

2.2 水泥

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

表2 水泥檢測指標

2.3 RAP料

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

表3 RAP檢測指標

表4 RAP級配檢測結果

2.4 礦料

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

表5 粗集料檢測結果

表6 細集料檢測結果

3 泡沫瀝青發泡性能分析

3.1 溫度對瀝青發泡效果的影響

瀝青發泡效果是影響泡沫瀝青冷再生混合料性能的重要因素，而用水量和發泡溫度又影響瀝青發泡效果。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泡溫度。試驗選用1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的用水量，發泡溫度分別控制在145℃、155℃、165℃、175℃，開展發泡后瀝青半衰期和膨脹率的檢測，具體指標檢測結果見表7和圖1、圖2。

圖1 不同發泡溫度和用水量下瀝青半衰期變化圖

圖2 不同發泡溫度和用水量下瀝青膨脹率變化圖

表7 瀝青發泡結果表

通過對表7和圖1、圖2的分析可知，在發泡溫度相同條件下，隨著用水量的增加，泡沫瀝青膨脹率呈上升狀態，產出的泡沫瀝青體積增大，質地更為均勻，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泡效果，但在175℃時，其半衰期會降低，故瀝青應選擇合適的發泡溫度區間。

3.2 最佳發泡效果的確定

為確定項目應用中瀝青的最優發泡溫度和用水量，以用水量為橫坐標，膨脹率與半衰期為縱坐標，繪制瀝青發泡特性圖，綜合分析膨脹率和半衰期。最佳發泡條件是確定能取得最優發泡效果的發泡溫度和用水量。通過發泡溫度對發泡效果的影響分析，選擇最佳發泡溫度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規范》（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

根據圖4，確定混合料最佳含水率為6.7%。工程實踐中發現，在擊實試驗最大干密度對應含水率的基礎上折減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，預估泡沫瀝青用量為2.2%。以預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準試件（每面擊實75 次）。將試樣連同試模一起側放在60℃的鼓風烘箱中養生至恒重，養生時間一般不少于40h，試樣養生后直接側放冷卻12h后脫模；將養生后的試件進行干劈裂試驗和濕劈裂試驗。試驗結果見表10和圖5。

表10 劈裂強度變化表

圖5 劈裂強度變化圖

根據試驗結果可知，當泡沫瀝青用量為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范要求。因此，泡沫瀝青用量的設計值取為2.2%。

4.4 配合比性能驗證

按照《公路瀝青路面再生技術規范》（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℃鼓風烘箱中烘干至恒重（一般48h 左右），再進行動穩定度試驗。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溫度為60℃±0.5℃。讀取45min 和60min 時的變形量計算動穩定度。根據瀝青混合料動穩定度計算公式得出泡沫瀝青冷再生混合料車轍試驗結果，具體見表11。試驗結果表明，動穩定度滿足規范要求。

表11 車轍試驗結果表

5 結語

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

①瀝青發泡性能受含水率和發泡溫度的影響，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通過室內試驗確定，本項目使用的瀝青最佳發泡溫度為165℃，最佳含水量為2.5%。

③通過室內試驗確定，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%；混合料性能滿足規范要求，可以進行工程應用。