泡沫瀝青冷再生基層的力學(xué)性能試驗研究

周 兵

（孝感市公路管理局 孝感 432000）

近年來，以泡沫瀝青作為粘結(jié)劑制備冷拌混合料或作為穩(wěn)定劑進(jìn)行路面再生處理成為備受廣泛關(guān)注的一項新技術(shù)。泡沫瀝青的本質(zhì)是在熱瀝青中注入冷水，產(chǎn)生膨脹泡沫，使瀝青在短時間內(nèi)粘度迅速降低，進(jìn)而和集料拌和，形成泡沫瀝青穩(wěn)定混合料。而瀝青路面冷再生技術(shù)，是將舊瀝青路面加入穩(wěn)定劑、水和新集料等按一定比例重新就地拌和，最后碾壓成型，使之能夠滿足一定的路用性能的一項工藝。

泡沫瀝青冷再生技術(shù)作為一種特殊的瀝青路面結(jié)構(gòu)材料，目前在國外一些國家已經(jīng)有了比較深入的研究和廣泛應(yīng)用，充分利用廢舊路面材料，對其循環(huán)利用，可以起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少資源浪費的目的。但是，我國針對于泡沫瀝青冷再生混合料的試驗方法還沒有一定的規(guī)章制度，因此，參照國外經(jīng)驗，筆者進(jìn)行了泡沫瀝青性能試驗和混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗，并對其路用能進(jìn)行了分析，以為今后的施工提供技術(shù)參考。

1 原材料試驗

1.1 泡沫瀝青發(fā)泡性能

泡沫瀝青又稱膨脹瀝青，是將少量冷水加入加熱熔化的瀝青中，水被轉(zhuǎn)化成蒸汽，形成大量的氣泡對細(xì)料進(jìn)行裹附，從而使瀝青的體積膨脹，主要技術(shù)指標(biāo)是泡沫的半衰期和體積膨脹比，與瀝青的溫度和發(fā)泡用水量有關(guān)系［1］。半衰期是指泡沫瀝青從最大體積縮到一半時所經(jīng)過的時間，其性能受瀝青本身特性、發(fā)泡用水量、瀝青溫度以及瀝青的噴射壓力等因素影響。體積膨脹比是指泡沫瀝青膨脹到最大體積時與發(fā)泡結(jié)束的體積比數(shù)。瀝青發(fā)泡效果直接影響著混合料的性能，通常，更高的膨脹率和更長的半衰期有助于拌制性能更好的混合料。為了更明確其和用水量和溫度之間的關(guān)系，針對泡沫瀝青的技術(shù)指標(biāo)采用70號瀝青進(jìn)行試驗。

本試驗采用埃索AH－70瀝青，在瀝青噴射壓力一定的條件下，分別采用140℃和160℃的溫度條件，同時采用不同的發(fā)泡用水量，測試其膨脹比和半衰期指標(biāo)，進(jìn)行其性能與瀝青溫度和發(fā)泡用水量關(guān)系的試驗［2］。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 瀝青溫度與發(fā)泡用水量及性能關(guān)系表

由表1可見，膨脹比隨著發(fā)泡用水量的增加而增長，相反，半衰期則隨之降低。而所需的薄膜瀝青最佳狀態(tài)是膨脹比較大，半衰期較長，當(dāng)兩者取其適當(dāng)值時，組合效果最好，更有利于拌和。因此發(fā)泡瀝青性能最佳用水量是在一定溫度下，兼顧衡量半衰期和膨脹比，取兩者值均較大時的發(fā)泡用水量。該瀝青在160℃條件下的最佳用水量為2.0%左右。

1.2 再生混合料的級配

國外對泡沫瀝青混合料級配的研究已有初步研究和結(jié)論，1988年Akeroyd和Hicks提出了適合泡沫瀝青穩(wěn)定材料的級配范圍。然而，在大量的配合比設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，回收瀝青路面材料中的細(xì)料極少，被泡沫瀝青裹附的細(xì)料太少，容易出現(xiàn)泡沫瀝青分散不均勻，對整體性能影響較大。對此，本實驗采用從高速公路在路面養(yǎng)護(hù)中產(chǎn)生的舊瀝青路面材料，并加入5cm以下的石屑進(jìn)行級配改善。礦料篩分情況及合成級配見表2［3］。

表2 礦料篩分情況及合成級配

由以上篩分結(jié)果可確定摻加5cm以下石屑38.5%，原路面材料摻加60%，以及1.5%的水泥充當(dāng)細(xì)料。通過擊實試驗確定最佳含水量為7.2%。

2 泡沫瀝青混合料設(shè)計

2.1 泡沫瀝青最佳用量確定

泡沫瀝青混合料的形成過程中，泡沫瀝青遇到粗集料破裂，形成細(xì)微的瀝青，粘結(jié)住周圍的粉料，從而在粗骨料之間起到填充、粘結(jié)的作用。由于其特殊的強(qiáng)度形成機(jī)理，采用常規(guī)的馬歇爾穩(wěn)定度試驗來測試其力學(xué)性能是不合適的。實踐表明，泡沫瀝青的破壞是由層底抗拉強(qiáng)度不足引起開裂而造成的，故本試驗進(jìn)行了間接抗拉劈裂強(qiáng)度試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，來評價泡沫瀝青的力學(xué)性能［4］。

2.1.1 劈裂強(qiáng)度試驗

試件成型采用馬歇爾方法，試件每面各擊75次，脫模后，在40℃通風(fēng)烘箱中養(yǎng)生72h，將試件分為2組，每組3個試樣，其中一組在15℃條件下放置24h，做常溫25℃劈裂試驗；另外一組在25℃水中浸泡23h后，改為15℃水中浸泡1h，其后測定其劈裂強(qiáng)度值。其中泡沫瀝青用量選用2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%，4.5% 和5.0%［5］。試驗結(jié)果見圖1。計算得到最佳瀝青用量為3.25%。

圖1 泡沫瀝青用量與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系

2.1.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

根據(jù)每個發(fā)泡瀝青用量混合料的密度，利用表面振動壓實成型的方法成型，振動壓實儀器頻率為30Hz，時間為180s，振幅控制在1.0mm。分別靜壓成型成2組150mm×150mm的無側(cè)限試件。一組在室溫20℃干燥條件下養(yǎng)生7d，一組在室溫20℃干燥條件下養(yǎng)生6d，飽水48h后測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖2。

圖2 泡沫瀝青用量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)劈裂強(qiáng)度試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果圖表可知，2個結(jié)果具有相似的規(guī)律性：劈裂強(qiáng)度試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗均具有峰值，此峰值均存在于3.0%的泡沫瀝青用量。摻加3.0%的泡沫瀝青用量得到的混合料殘留強(qiáng)度比TSR最大，因此確定最佳的泡沫瀝青用量為3.0%。

2.2 延遲時間和彈性模量

根據(jù)已經(jīng)確定的最佳泡沫瀝青用量測定延遲試件成型時間對其強(qiáng)度的影響。延遲時間依次定為30min，8h，24h，成型2組試件，一組在室溫20℃干燥條件下養(yǎng)生6d，飽水24h，進(jìn)行7d和28d抗壓回彈模量試驗，試驗過程中采用塑料袋密封拌和好的混合料方法，防止水分散失，確保其具有相同的含水量［6－7］。試驗結(jié)果見表3。另一組在同樣條件下，進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果見表4。

表3 7d，28d回彈模量試驗數(shù)據(jù)

表4 延遲時間試驗數(shù)據(jù)

上述試驗結(jié)果表明，含有3.0%發(fā)泡瀝青用量的試件，其劈裂強(qiáng)度試驗結(jié)果與強(qiáng)度判斷相吻合，證明了3.0%發(fā)泡瀝青用量為最佳瀝青用量。延遲成型時間24h時，其殘留劈裂強(qiáng)度并未明顯衰減，說明在混合料中加入的水泥只是起到了粉料粘附瀝青的作用，并沒有提高強(qiáng)度，因此在施工中保證水分的前提下，適當(dāng)延遲成型時間，可以保證壓實度。

同時，從無側(cè)限抗壓回彈模量試驗結(jié)果可以看出，泡沫瀝青混合料回彈模量偏低，這可能和混合料集料本身的性質(zhì)有關(guān)?？傮w來說，泡沫瀝青具有良好的變形能力，從力學(xué)性能角度，完全能滿足基層要求。

3 結(jié)論

（1）瀝青發(fā)泡性能常以膨脹比和半衰期作為評價指標(biāo)，不同型號和產(chǎn)地的瀝青發(fā)泡性能存在一定的差異。以本文所選材料，膨脹比隨著發(fā)泡用水量的增加而增長，半衰期隨之降低。

（2）在進(jìn)行組成設(shè)計時，考慮施工的方便，外摻料一般預(yù)先撒布在路面上，然后用再生機(jī)拌和。如果外摻料過多，會影響拌和的深度和材料級配。從再生混合料級配方面，對于細(xì)料不足的材料，不適宜用泡沫瀝青進(jìn)行處理，如要制成泡沫瀝青，可根據(jù)需要適當(dāng)?shù)靥砑右恍┩鈸搅希ㄊ?、礦粉或水泥），具體摻量根據(jù)級配曲線調(diào)整。

（3）通過擊實試驗確定摻入38.5%石屑的混合料最大干密度為2.16g／cm3，最佳含水量為7.2%。瀝青發(fā)泡溫度可控制在160℃左右，最佳泡沫瀝青用量為3.0%，施工時應(yīng)控制在3.0%左右。在混合料中加入的水泥并沒有提高強(qiáng)度，因此施工中可適當(dāng)增加碾壓，以保證壓實度大于等于98%。

（4）泡沫瀝青混合料具有良好的變形能力，可以滿足基層的力學(xué)性能要求。但是，泡沫瀝青冷再生基層的其他路用性能還需要進(jìn)一步研究，由于再生混合料本身的多樣性和周圍實際情況的特殊性，不同組成材料的配合比不同，因此，在配制泡沫瀝青冷再生混合料時，需要針對實際情況重新配比。

［1］唐積民.泡沫瀝青冷再生混合料性能研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

［2］李秀君.泡沫瀝青冷再生混合料抗剪性能的試驗研究［J］.建筑材料學(xué)報，2010（2）：28－30.

［3］張衛(wèi)華.泡沫瀝青冷再生混合料物理力學(xué)性能研究［J］.城市道橋與防洪，2011（5）：187－189.

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

［5］拾方治.泡沫瀝青混合料物理力學(xué)特性的試驗研究［J］.公路，2004（5）：143－145.

［6］張立明.泡沫瀝青再生基層力學(xué)性能的試驗研究［J］.中外公路，2007（6）：172－173.

［7］袁 坤，李立寒，呂 天.泡沫瀝青穩(wěn)定混合料壓實性的試驗研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2012（2）：399－402.