尉北蘭

（烏海市公路養(yǎng)護(hù)中心，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 引言

瀝青路面由于其平整無(wú)接縫、行駛噪音小、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)成為我國(guó)等級(jí)道路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。我國(guó)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(jì)高效地進(jìn)行瀝青路面養(yǎng)護(hù)成為目前研究的熱點(diǎn)。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(huì)對(duì)瀝青路面造成二次老化，同時(shí)強(qiáng)度也能夠滿足基層或者下面層的要求，成為一些低等級(jí)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(qiáng)度，且施工速度快、節(jié)能減排以及良好的工程經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)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(guó)內(nèi)外的學(xué)者圍繞泡沫瀝青再生混合料開(kāi)展了大量的研究工作。國(guó)外最早在20世紀(jì)初對(duì)泡沫瀝青處理道路表層材料進(jìn)行了一系列研究。20世紀(jì)50年代美國(guó)艾奧瓦州立大學(xué)的Csanyi L H教授，利用高溫水蒸氣對(duì)瀝青進(jìn)行了發(fā)泡試驗(yàn)[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(chǎng)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(guó)內(nèi)的學(xué)者圍繞泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度成型機(jī)理、成型方法、耐久性也開(kāi)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(qiáng)度的機(jī)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(guò)高時(shí)會(huì)提高混合料的脆性，通常混合料中水泥含量被限制在1.5%～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(guò)間接拉伸開(kāi)裂方法評(píng)價(jià)了超薄磨耗層混合料抗裂性能。馮德成等[11]通過(guò)改進(jìn)后的SCB 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)反映吉林地區(qū)瀝青路面實(shí)際低溫開(kāi)裂狀況，并通過(guò)斷裂能及斷裂韌性等指標(biāo)的對(duì)比分析，得出采用斷裂能作為混合料低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)更為合理。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者不僅對(duì)泡沫瀝青開(kāi)展了大量的研究，對(duì)泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理、路用性能和耐久性等也進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證?；诖?，本文開(kāi)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(hào)基質(zhì)石油瀝青，基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用70號(hào)基質(zhì)瀝青檢測(cè)指標(biāo)

2.2 水泥

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 的普通硅酸鹽水泥，主要檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表2，檢測(cè)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表2 水泥檢測(cè)指標(biāo)

2.3 RAP料

選用內(nèi)蒙古某項(xiàng)目瀝青路面的銑刨材料，主要檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3 和表4。通過(guò)對(duì)檢測(cè)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(cè)指標(biāo)

表4 RAP級(jí)配檢測(cè)結(jié)果

2.4 礦料

工程上需要添加適當(dāng)比例的新集料來(lái)調(diào)整級(jí)配，使礦料級(jí)配在規(guī)范推薦的級(jí)配范圍內(nèi)。同時(shí)，礦料性能也應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。試驗(yàn)選用的粗集料和細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5和表6，檢測(cè)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(duì)粗集料和細(xì)集料的要求。

表5 粗集料檢測(cè)結(jié)果

表6 細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果

3 泡沫瀝青發(fā)泡性能分析

3.1 溫度對(duì)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(guò)試驗(yàn)分析用水量和溫度對(duì)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(yàn)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(kāi)展發(fā)泡后瀝青半衰期和膨脹率的檢測(cè)，具體指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(guò)對(duì)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(qiáng)，但是其半衰期呈下降趨勢(shì)，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(shí)候，隨著溫度的升高，瀝青半衰期和膨脹率均會(huì)升高，即升高溫度會(huì)提升瀝青的發(fā)泡效果，但在175℃時(shí)，其半衰期會(huì)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(xiàng)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(guò)發(fā)泡溫度對(duì)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(jì)

4.1 礦料合成級(jí)配

通過(guò)對(duì)銑刨料、碎石、石屑和水泥的級(jí)配進(jìn)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(xì)集料（0～3mm）+13.5%粗集料（4.75mm～26.5mm）+1.5%水泥，具體合成級(jí)配見(jiàn)表8，合成級(jí)配各篩孔的通過(guò)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(jí)配表

4.2 最佳含水率的確定

參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40）T 0131 的方法，對(duì)合成礦料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定混合料最大干密度與最佳含水量。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度對(duì)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(jí)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(shí)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(shí)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(jìn)行干劈裂試驗(yàn)和濕劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10和圖5。

表10 劈裂強(qiáng)度變化表

圖5 劈裂強(qiáng)度變化圖

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

4.4 配合比性能驗(yàn)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(duì)泡沫瀝青混合料試件的車轍性能進(jìn)行驗(yàn)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(guò)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(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)。試驗(yàn)前試件保溫時(shí)間為8h～10h。開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)，保證試驗(yàn)機(jī)工作室內(nèi)溫度為60℃±0.5℃。讀取45min 和60min 時(shí)的變形量計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度。根據(jù)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算公式得出泡沫瀝青冷再生混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果，具體見(jiàn)表11。試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求。

表11 車轍試驗(yàn)結(jié)果表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)泡沫瀝青發(fā)泡性能進(jìn)行分析和泡沫再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)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(huì)升高，但是超過(guò)一定溫度后，半衰期會(huì)減小。

②通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定，本項(xiàng)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定，泡沫再生混合料的礦料組成為70%銑刨料+15%細(xì)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(jìn)行工程應(yīng)用。