李 強(qiáng) 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(tuán)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(shí)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(diǎn)[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(qiáng)度的關(guān)鍵影響因素之一[3-4].雖然該技術(shù)相對(duì)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(xiàn)[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(shí)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?jǐn)?shù)對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的影響方面還缺乏認(rèn)知,發(fā)泡劑在再生混合料中的作用機(jī)理也尚不明晰.

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)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(qiáng)度進(jìn)行了研究,分析了發(fā)泡劑種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律.通過掃描電鏡和紅外光譜試驗(yàn),對(duì)發(fā)泡劑在瀝青及再生混合料中的作用機(jī)理進(jìn)行了探討.

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用江陰產(chǎn)70#瀝青,其技術(shù)性能見表1.集料采用溧陽(yáng)產(chǎn)石灰?guī)r細(xì)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(yáng)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(qiáng)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(yàn)

采用德國(guó)Wirtgen公司生產(chǎn)的WLM30型瀝青發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn).首先,在3個(gè)瀝青溫度(145、155、165 ℃)和4個(gè)發(fā)泡用水量水平(1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)下對(duì)未摻加發(fā)泡劑的基質(zhì)瀝青進(jìn)行測(cè)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?jǐn)?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(dòng)下流動(dòng)5 min以保證混合均勻.然后,在最佳發(fā)泡條件下對(duì)摻加不同類型發(fā)泡劑的瀝青進(jìn)行發(fā)泡性能測(cè)試.

1.3 配合質(zhì)量比設(shè)計(jì)

將現(xiàn)場(chǎng)取回的瀝青路面銑刨料進(jìn)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(jí)配范圍要求,銑刨料通過直徑d<4.75 mm篩孔的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏小,需要加入新細(xì)集料和礦粉來進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化.根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定再生混合料中銑刨料、0～4.75 mm粒徑新細(xì)集料、新礦粉和水泥的質(zhì)量比為70∶25∶3.5∶1.5,級(jí)配組成見表2.采用重型擊實(shí)試驗(yàn)和干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)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?jǐn)?shù)為3.5%.

表2 級(jí)配組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.4 混合料性能試驗(yàn)

采用20 ℃無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、15 ℃干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)以及-10 ℃半圓彎曲試驗(yàn),評(píng)價(jià)不同受力條件下泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度.其中,在半圓彎曲試驗(yàn)中可以采用多種形式試件(如馬歇爾、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、車轍板芯樣和現(xiàn)場(chǎng)芯樣等),試驗(yàn)結(jié)果變異性相對(duì)較小,因此選用該試驗(yàn)評(píng)價(jià)再生混合料低溫彎拉性能.所用試件為無(wú)缺口半圓試件,支點(diǎn)間距為試件直徑的0.8倍,試件厚度為50 mm,試驗(yàn)溫度為-10 ℃,加載速度為50 mm/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡性能

瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果見圖1.由圖可知,當(dāng)3種發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少時(shí),泡沫瀝青的膨脹率均較低,這與文獻(xiàn)[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?jǐn)?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?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)均出現(xiàn)峰值;而摻加SDBS的泡沫瀝青膨脹率持續(xù)增加.對(duì)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?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),最佳發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)也均為0.5%;這主要是因?yàn)榘l(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(qiáng)度逐漸增大,當(dāng)其厚度超過吸附分子間的作用范圍時(shí),多余的發(fā)泡劑會(huì)對(duì)瀝青表面活性產(chǎn)生不利影響[12].總體上看,摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的CTAB發(fā)泡劑對(duì)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(zhǎng)1.1倍,達(dá)到24.8 s;究其原因在于,CTAB是一種強(qiáng)極性陽(yáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有一定程度的增加;這是因?yàn)榘l(fā)泡劑中的極性基團(tuán)與舊集料表面活性基團(tuán)發(fā)生鍵合作用,而發(fā)泡劑中的非極性基團(tuán)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(qiáng)度增強(qiáng),再生料力學(xué)強(qiáng)度也隨之提升[6].隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均先增加后減小;這是因?yàn)閾郊舆m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(qiáng)度[13].添加CTAB的再生混合料表現(xiàn)出最優(yōu)的強(qiáng)度提升效果,最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比未摻加發(fā)泡劑時(shí)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.3 劈裂強(qiáng)度

干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度及其強(qiáng)度比均隨發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)其劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)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(duì)重交通和特重交通等級(jí)瀝青面層的技術(shù)要求(劈裂強(qiáng)度不小于0.6 MPa,干濕劈裂強(qiáng)度比不小于80%),摻加發(fā)泡劑后仍然可以進(jìn)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(duì)于濕劈裂強(qiáng)度的提升效果顯著大于干劈裂強(qiáng)度.以最優(yōu)方案為例,摻加質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)度分別提高了13.9%和29.0%;這是因?yàn)镃TAB中的陽(yáng)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(shí)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 低溫彎拉性能

半圓彎曲試驗(yàn)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?jǐn)?shù)的增加,抗彎拉強(qiáng)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?jǐn)?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(duì)于破壞應(yīng)變的改善作用普遍大于其對(duì)于抗彎拉強(qiáng)度的改善作用.采用最優(yōu)方案(摻加質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)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?yàn)閾郊影l(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(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度均受瀝青發(fā)泡效果的直接影響.考慮到陽(yáng)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(jìn)行泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)建議摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的CTAB發(fā)泡劑.

表4 半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.5 顯著性分析

采用SPSS軟件在95%置信水平下對(duì)再生混合料力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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?jǐn)?shù)均對(duì)泡沫瀝青發(fā)泡性能、再生混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂強(qiáng)度比有顯著影響.其中,發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響大都大于發(fā)泡劑種類.而對(duì)于低溫抗彎拉強(qiáng)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(jī)理分析

選取試樣置于載玻片上進(jìn)行鍍金處理,采用Quanta200型環(huán)境掃描電鏡對(duì)再生混合料瀝青膜及其與集料接觸界面的表觀形貌進(jìn)行觀測(cè),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(wú)明顯可見的集料顆粒,瀝青膜對(duì)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(xiàng)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(duì)摻加發(fā)泡劑前后的瀝青進(jìn)行測(cè)試.利用OPUS軟件進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度明顯提高;前者主要是因?yàn)樘荚由系臍湓颖黄渌铀〈?在高溫下裂解生成化學(xué)性質(zhì)活潑的烷烴或烯烴,進(jìn)而產(chǎn)生了加聚反應(yīng);后者是因?yàn)榈头肿恿康孽タ梢愿纳朴袡C(jī)化合物的流動(dòng)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?jǐn)?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(shì),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(zhǎng)半衰期.

2)發(fā)泡劑對(duì)于泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能有顯著影響,其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度、低溫抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和應(yīng)變能密度均隨發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)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(duì)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(qiáng)瀝青與集料的黏附性能.