泡沫瀝青發(fā)泡特性及其冷再生混合料水穩(wěn)性能研究

文/白錦霞 青島路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 山東青島 266000

泡沫瀝青作為一種瀝青類的粘結(jié)劑，已經(jīng)成為一種常用的冷再生方法。以泡沫瀝青作為再生劑，將舊瀝青路面的銑刨料加工后重復(fù)利用，根據(jù)需要加入部分新骨料、填料、水等，在常溫下拌和即可形成泡沫瀝青冷再生混合料，節(jié)約能源，操作簡單。因?yàn)榕菽瓰r青冷再生技術(shù)具有污染少、節(jié)能、成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的關(guān)注和研究。20世紀(jì)90年代以來，在歐洲國家、美國、南非積極推廣節(jié)能環(huán)保的技術(shù)，已經(jīng)有許多成功的經(jīng)驗(yàn)。隨著中國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，公路建設(shè)也得到了迅速的發(fā)展，因此，維修公路進(jìn)入了一個新的時期，重視減少污染、節(jié)約資源、降低成本是未來高速公路面臨的一大問題。泡沫瀝青混合料再生技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，可以有效地解決這個問題。

1、瀝青的發(fā)泡原理和發(fā)泡特性

1.1 發(fā)泡原理

當(dāng)冷水滴與高溫瀝青（140℃以上）接觸時，冷水滴與熱瀝青表面發(fā)生熱量交換，從而使水滴加熱但瀝青冷卻，當(dāng)瀝青傳遞的熱量超過蒸汽潛熱時，導(dǎo)致體積膨脹，產(chǎn)生蒸汽。蒸汽泡在一定的壓力下壓入瀝青的連續(xù)相，瀝青就會產(chǎn)生細(xì)微的泡沫，并依靠泡沫薄膜的表面張力使氣泡完全裹覆。

泡沫瀝青并不改變?yōu)r青本身的各種物理性質(zhì)，僅是利用汽化階段瀝青體積增大，粘度暫時降低的有利條件，在不增加瀝青用量的情況下，有效地增大瀝青同礦料的裹覆面，改善瀝青與礦料拌和的和易性，減少瀝青混合料中自由瀝青膜的厚度，提高瀝青混合料的質(zhì)量，從而節(jié)省瀝青用量。

1.2 發(fā)泡特性

瀝青發(fā)泡特性的評價指標(biāo)有膨脹率、半衰期、發(fā)泡指數(shù)。由于發(fā)泡指數(shù)較為復(fù)雜、不易操作，此次采用膨脹率和半衰期兩個指標(biāo)評價瀝青的發(fā)泡特性。

膨脹率是指瀝青在發(fā)泡狀態(tài)下測量的最大體積與未發(fā)泡狀態(tài)下的體積之比；半衰期是指泡沫瀝青從最大體積縮小至該體積一半所用的時間。通常，這兩個指標(biāo)無法同時達(dá)到最優(yōu)，一般認(rèn)為，最好的發(fā)泡性能出現(xiàn)在膨脹率和半衰期都較好之時。此次采用70號基質(zhì)瀝青進(jìn)行發(fā)泡，分別測定140℃、150℃、160℃、170℃四個溫度條件和1%、2%、3%、4%、5%五個含水量條件下的膨脹率和半衰期。試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1-1 中海油70號基質(zhì)瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果

由上表可以看出，在相同的發(fā)泡用水量下，溫度對膨脹率的影響不大，但隨著溫度的升高，半衰期呈現(xiàn)減小趨勢；在相同的溫度條件下，隨著發(fā)泡用水量的增加，膨脹率明顯增大，半衰期明顯變小。

目前，膨脹率大于10，同時半衰期不低于12s是被普遍接受的條件，因此，綜合考慮膨脹率和半衰期這兩個指標(biāo)，中海油70號基質(zhì)瀝青的最佳發(fā)泡條件為：瀝青發(fā)泡溫度選擇160℃，發(fā)泡用水量選擇2%，此時的膨脹率為13.7，半衰期為11.8s。

2、泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)

2.1 集料及級配選擇

本次試驗(yàn)研究采用舊路面銑刨材料進(jìn)行冷再生使用，首先對RAP料進(jìn)行級配分析。泡沫瀝青提供的級配范圍很寬，目前，不同研究機(jī)構(gòu)對級配范圍的界定略有不同，但普遍認(rèn)為0.075mm以下集料的含量對泡沫瀝青混合料特性有顯著影響，一般建議控制在5%～20%范圍內(nèi)，易于泡沫瀝青的分散，更能充分發(fā)揮其膠結(jié)作用。此次采用目前被普遍公認(rèn)的德國Wirtgen公司建議的級配范圍，根據(jù)加入水泥劑量不同將泡沫瀝青穩(wěn)定材料分為2類，即不添加水泥和水泥劑量為1.5%，水泥為P·O32.5級。礦料比例及合成級配如下表2-1及表2-2所示：

表2-1泡沫瀝青混合料配合比

表2-2 礦質(zhì)混合料合成級配

2.2 拌合用水量的確定

拌合及壓實(shí)過程中的含水量是泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)中最重要的指標(biāo)，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定泡沫瀝青混合料的最佳含水率和最大干密度。試驗(yàn)結(jié)果如下表2-3所示。

表2-3 泡沫瀝青混合料振動壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 最佳瀝青用量的確定

以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為泡沫瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用前述級配，初擬了4個不同的泡沫瀝青含量，泡沫瀝青用量分別為1.5%、2.0%、2.5%和3.0%，水泥用量采用0和1.5%，并通過振動壓實(shí)試驗(yàn)確定了拌和用水量，采用規(guī)范要求的方法成型試件并養(yǎng)生，進(jìn)行試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定其最佳瀝青用量。試驗(yàn)結(jié)果見表2-4所示。

表2-4 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

從表2-4可以看出：

（1）隨著瀝青用量的增加，兩種配合比的泡沫瀝青混合料抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出由大逐漸減小的趨勢，在瀝青用量1.5%時強(qiáng)度最大。分析原因，由于泡沫瀝青主要裹附于細(xì)集料表面，尤其是0.075mm以下顆粒表面，當(dāng)瀝青用量少時，有少量水泥被瀝青裹附而填充與粗骨料之間，其余水泥將發(fā)生水化反應(yīng)，提高泡沫瀝青的早期強(qiáng)度；當(dāng)瀝青用量多時，將有部分水泥被瀝青裹附，使得發(fā)生水化反應(yīng)的水泥減少，表現(xiàn)為泡沫瀝青混合料抗壓強(qiáng)度降低，柔性增加。

（2）對于泡沫瀝青穩(wěn)定基層而言，在滿足抗壓性能的同時，需綜合經(jīng)濟(jì)因素決定泡沫瀝青的用量，因此推薦瀝青用量在1.5%～2.0%之間。

表2-1

表2-2

表2-3

表2-4

3、混合料水穩(wěn)性能的試驗(yàn)研究

按照試驗(yàn)規(guī)程T0709-2000方法以最佳油石比（2%）及最佳拌合用水量進(jìn)行泡沫瀝青冷再生混合料試件成型，并按照規(guī)范進(jìn)行養(yǎng)生后進(jìn)行浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂TSR，試驗(yàn)結(jié)果如下表3-1及3-2所示。

表3-1浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表3-2 泡沫瀝青再生料凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果(瀝青2%)

綜合浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加水泥能夠明顯改善泡沫瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性。

結(jié)論：

（1）選擇了不同溫度及用水量進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，通過發(fā)泡參數(shù)的比較，確定了中海70號瀝青的最佳發(fā)泡條件為瀝青發(fā)泡溫度選擇在160℃，發(fā)泡加水量為2.0%，噴射氣壓為5bar，水壓為6bar，此時，發(fā)泡瀝青的膨脹比為13.7，半衰期為11.8s。

（2）采用了振動壓實(shí)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，提出了泡沫瀝青-水泥穩(wěn)定舊料的最佳瀝青用量和最佳拌合用水量。

（3）在泡沫瀝青冷再生混合料中添加水泥能夠明顯改善其水穩(wěn)定性，推薦摻量1.5～2.0%。