泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)初探

肖嫻 肖毅

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550004)

1 研究背景

1956年，美國(guó)森義教授向高熱的瀝青中加入少量水，水急劇氣化使瀝青大量發(fā)泡，繼而體積膨脹，這種狀態(tài)的瀝青因?yàn)橐曊扯认喈?dāng)?shù)投哂邪韬退璧墓ぷ餍裕?］。這項(xiàng)發(fā)明后來(lái)被申報(bào)為專利，但應(yīng)用不普遍，發(fā)展較為緩慢。20世紀(jì)90年代，隨著瀝青發(fā)泡設(shè)備及工藝的改進(jìn)使得泡沫瀝青技術(shù)更方便實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，再加上近年來(lái)對(duì)資源和環(huán)境保護(hù)的重視迫切需要對(duì)廢舊路面材料再生利用，促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展［2］。

在國(guó)內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)無(wú)論是室內(nèi)試驗(yàn)研究，還是工程應(yīng)用均處于起步階段。1982年，交通部科技局正式下達(dá)將瀝青混合料再生利用作為重點(diǎn)科技項(xiàng)目，同濟(jì)大學(xué)開(kāi)辟了瀝青路面再生技術(shù)的先河［3］。在我國(guó)，泡沫瀝青路面冷再生混合料設(shè)計(jì)方法還不完善，對(duì)冷再生材料的力學(xué)性能、路用性能研究還不夠深入，在實(shí)際推廣應(yīng)用中還會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。所以本文對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以求解決這些問(wèn)題。

2 泡沫瀝青的性質(zhì)及其配合比設(shè)計(jì)思路

2.1 泡沫瀝青的性質(zhì)

泡沫瀝青是以膨脹比(指當(dāng)瀝青與水拌和發(fā)泡后的最大體積與未發(fā)泡前體積之比)及半衰期/半縮期(由發(fā)泡的最大體積為準(zhǔn)起算，至體積縮減至一半經(jīng)過(guò)的時(shí)間)來(lái)描述瀝青的發(fā)泡特性［4］。

膨脹比與半衰期的因素影響，主要有以下四項(xiàng):1)溫度。一般瀝青發(fā)泡時(shí)的溫度愈高，發(fā)泡特性會(huì)愈好。2)水量。一般發(fā)泡時(shí)加入的水量愈多，膨脹比愈大，但半衰期愈短。3)壓力。一般瀝青與水接觸后發(fā)泡，若發(fā)泡艙中的壓力較低(如低于3 Pa)，則不利于膨脹比及半衰期。4)消泡劑。

2.2 配合比設(shè)計(jì)流程

進(jìn)行泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，須有與工地泡沫瀝青制備過(guò)程相似的室內(nèi)瀝青發(fā)泡設(shè)備，此設(shè)備由瀝青加熱槽，水、瀝青、空氣用量控制系統(tǒng)等組成，可將一定量瀝青、水與空氣噴入膨脹艙，并在艙中形成泡沫瀝青，然后由噴嘴噴出［5］。根據(jù)改變加水量，可調(diào)整瀝青的膨脹比和半衰期，以此為依據(jù)確定最佳用水量。一旦決定瀝青的發(fā)泡用水量后，即可依所需添加的瀝青用量，將泡沫瀝青噴入骨材樣品中，并以所附的拌和機(jī)，拌制完成瀝青混合料。泡沫瀝青混合料的拌制方法如下:首先，將預(yù)定配置的常溫骨材試樣，在拌和機(jī)內(nèi)加入達(dá)夯實(shí)所需的最佳水量，并拌和均勻;然后，噴入欲添加的泡沫瀝青量，拌和成混合料。一般情況下，配比設(shè)計(jì)要求至少五組不同瀝青用量的混合料。有時(shí)在混合料中加入適量的石灰或水泥，目的是提升混合料拌和效率及抗水分侵害能力［6］。

3 混合料性能試驗(yàn)研究

3.1 發(fā)泡試驗(yàn)

雖然大部分瀝青皆可以順利發(fā)泡，但有些煉油廠的制備過(guò)程會(huì)基于運(yùn)送及儲(chǔ)存方便，在瀝青中加入抑制發(fā)泡的藥劑，而有些油源本身則有不容易發(fā)泡膨脹的現(xiàn)象，故有必要對(duì)所采用的瀝青進(jìn)行發(fā)泡特性量測(cè)［7］。試驗(yàn)采用70號(hào)埃索和中海兩種瀝青進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)步驟如下:1)將瀝青置于瀝青槽中，并將溫度加熱至所需溫度。選定發(fā)泡試驗(yàn)溫度為160℃，170℃，180℃三種。2)WLB10瀝青噴出量約為100 g/s，膨脹量量測(cè)容器及量尺乃針對(duì)噴出量為500 g設(shè)計(jì)，故應(yīng)調(diào)整空氣槽壓力、水槽壓力，基準(zhǔn)變更噴出時(shí)間設(shè)定為5 s。瀝青經(jīng)由噴嘴噴入空容器，秤重可得瀝青噴出量，由所得瀝青量來(lái)設(shè)定瀝青噴出量在500 g時(shí)所需的噴出時(shí)間(秒數(shù))。3)調(diào)整發(fā)泡用水量。由于WLB10之水量控制表讀數(shù)所代表的用水量受噴出瀝青流量所影響，應(yīng)使用表1，用瀝青噴出流量及預(yù)定的用水量，查得水量控制表讀數(shù)值，以該水量控制表值正確控制發(fā)泡用水量。例如瀝青流量為100 g/s，則設(shè)定的噴出時(shí)間為5 s，若發(fā)泡用水量為2.5%，則應(yīng)將水量控制表值調(diào)設(shè)為9.0。4)根據(jù)不同的溫度、水量重復(fù)進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn)，記錄相應(yīng)膨脹量、半衰期，并繪制成圖，得到瀝青發(fā)泡特性與溫度及水量的關(guān)系圖，用以決定該瀝青最適合發(fā)泡溫度及發(fā)泡用水量。WLB10發(fā)泡用水量控制表值如表1所示。

表1 試驗(yàn)所采用的WLB10發(fā)泡用水量控制表值

試驗(yàn)選擇三種溫度150℃，160℃，170℃，發(fā)泡用水分別為2% ，2.5% ，3.0% ，3.5% 。氣壓選定為 4 bar，水壓為 5 bar。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，表3，發(fā)泡性能關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖1，圖2。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在相同的溫度和用水量條件下，發(fā)泡效果:中海瀝青均優(yōu)于埃索瀝青。因此，試驗(yàn)路發(fā)泡瀝青選用中海瀝青。

根據(jù)三種發(fā)泡溫度下的性能關(guān)系曲線，得出:160℃為中海瀝青的最佳發(fā)泡溫度，加水量2.5%，此時(shí)膨脹比為24，半衰期11.6，這已優(yōu)于工程經(jīng)驗(yàn)(膨脹比12，半衰期8)，同時(shí)也滿足規(guī)范(膨脹比12，半衰期8)技術(shù)要求。

表2 中海瀝青發(fā)泡結(jié)果

表3 埃索瀝青發(fā)泡結(jié)果

圖1 中海瀝青發(fā)泡性能關(guān)系曲線

圖2 埃索瀝青發(fā)泡性能關(guān)系曲線

3.2 泡沫瀝青配合比設(shè)計(jì)研究

3.2.1 級(jí)配確定

本次研究共選取了摻加新料與不摻加新料的兩種級(jí)配，以進(jìn)行對(duì)比研究，分別為:級(jí)配1:基層料64%:面層料34.5%:水泥1.5%;級(jí)配2:基層料 51%:面層料 27.5%:機(jī)制砂 20%:水泥1.5%。級(jí)配曲線如圖3所示。由圖3可知，級(jí)配1和級(jí)配2合成曲線部分點(diǎn)在維特根推薦級(jí)配值之外，2級(jí)配曲線較1級(jí)配曲線理想，根據(jù)以往工程實(shí)踐證明，2級(jí)配曲線基本能夠滿足要求。

圖3 級(jí)配曲線圖

3.2.2 確定最佳含水量

為保證泡沫瀝青混合料具有良好的拌和效果與壓實(shí)度，需加入一定量水。水可促進(jìn)結(jié)團(tuán)集料分解，拌和過(guò)程中有利于瀝青擴(kuò)散。此外，水在集料基體間也可充當(dāng)潤(rùn)滑劑，但是，水過(guò)多卻會(huì)影響壓實(shí)效果，以及混合料強(qiáng)度，因此，確定最佳用水量非常重要［8］。

3.2.3 間接拉伸試驗(yàn)確定最佳瀝青含量

將試件分為干、濕兩組，干組試件在25℃恒溫環(huán)境下養(yǎng)生1 h，濕組試件直接放入25℃恒溫水槽中養(yǎng)生24 h。將養(yǎng)生后的試件進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)(劈裂試驗(yàn))。間接拉伸試驗(yàn)在瀝青混合料綜合性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其步驟如下:1)將試體由25℃恒溫水槽中拿出，放入間接拉伸試驗(yàn)環(huán)中，再使用50 mm/min的速率施力于試件;2)持續(xù)施壓于試件至試件有裂縫產(chǎn)生為止，讀取最大的壓力強(qiáng)度并記錄其值，將試件從儀器上取下，從裂縫處拉開(kāi)試件，檢查內(nèi)部破裂面狀況，并詳細(xì)記錄;3)計(jì)算試件的間接拉伸強(qiáng)度;4)計(jì)算殘留間接拉伸強(qiáng)度比。殘留間接拉伸強(qiáng)度比值(Retained ITS)是由濕組試件的間接拉伸強(qiáng)度除以干組試件的間接拉伸強(qiáng)度得來(lái)，這也意味著當(dāng)瀝青混凝土材料受到水損害后，間接拉伸強(qiáng)度的折減程度，其比值越高就代表瀝青混凝土材料抵抗水損害的能力越強(qiáng)，反之則代表其無(wú)法有效抵抗水損害［9，10］。本研究泡沫瀝青試件經(jīng)間接拉伸試驗(yàn)后的破壞情形如圖4所示，間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖4 泡沫瀝青執(zhí)行間接張力試驗(yàn)過(guò)程及試體情形

表4 間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知:選用級(jí)配2，添加部分細(xì)料能更好的保證間接抗拉強(qiáng)度。級(jí)配2的最佳瀝青用量為2.50%，干劈強(qiáng)度0.61 MPa，濕劈強(qiáng)度為0.55 MPa，殘留強(qiáng)度比為90.2%。

4 結(jié)語(yǔ)

1)泡沫瀝青是一種新型的瀝青拌和技術(shù)，以此作為冷拌再生的穩(wěn)定劑具有較大的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益比較明顯;2)膨脹比和半衰期是評(píng)價(jià)泡沫瀝青的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)追求兩項(xiàng)的指標(biāo)的平衡，以保證泡沫瀝青有較好的發(fā)泡特性;3)泡沫瀝青配合比設(shè)計(jì)完全不同于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，主要包括最佳發(fā)泡條件確定，最佳拌和水量確定，最佳瀝青含量確定，配合比驗(yàn)證等幾個(gè)方面;4)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，最終確定了試驗(yàn)路泡沫瀝青混合料配合比，對(duì)路用性能的研究具有指導(dǎo)意義。

［1］JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］李 冰，焦生杰.振動(dòng)壓路機(jī)與振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

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［4］戴利平.泡沫瀝青冷再生混合料物理力學(xué)性能研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

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［6］魏連雨.泡沫瀝青穩(wěn)定舊瀝青路面混合料冷再生試驗(yàn)分析［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(10):100-104.

［7］JTG F41-2008，公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］拾方治，呂偉民.泡沫瀝青混合料的特性［J］.中外公路，2003，23(3):93-96.

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