具有一定服役年限的泡沫溫拌瀝青混凝土路面路用性能試驗(yàn)研究

李 包，李 寧，陳 晨，于 新

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

交通運(yùn)輸行業(yè)作為二氧化碳排放最多的部門之一，面臨著越來(lái)越大的環(huán)境壓力，瀝青路面作為高等級(jí)道路主要的路面類型，道路本身的建設(shè)和維修需要耗費(fèi)大量的能源。溫拌瀝青技術(shù)采用較低的瀝青混合料生產(chǎn)溫度，降低燃料消耗，減少溫室氣體和有害氣體的排放，泡沫溫拌瀝青技術(shù)作為溫拌技術(shù)的主流，應(yīng)用占比超過(guò)溫拌瀝青技術(shù)的90%[1-4]。

盡管泡沫溫拌瀝青技術(shù)被認(rèn)為是綠色施工技術(shù)，降低了瀝青混合料生產(chǎn)溫度，改善了瀝青混合料的施工可操作性，但必須評(píng)估其對(duì)瀝青混合料各種性能參數(shù)的影響。楊彥海[5]等采用體積指標(biāo)得出泡沫溫拌瀝青混合料的成型溫度，對(duì)比了泡沫溫拌和傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)泡沫溫拌瀝青技術(shù)降低了瀝青混合料的路用性能。張小康[6]研究了泡沫溫拌和傳統(tǒng)熱拌橡膠瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)泡沫溫拌橡膠瀝青混合料抵抗水損害和抗車轍性能略低于傳統(tǒng)熱拌橡膠瀝青混合料，低溫抗變形能力有所改善。李瑞[7]對(duì)老化后的泡沫溫拌瀝青混合料進(jìn)行研究，得出泡沫溫拌瀝青混合料路用性能衰減大于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料，泡沫溫拌瀝青混合料抵抗老化能力較弱的結(jié)論。王楓成[8]等以基質(zhì)瀝青為研究對(duì)象，與熱拌基質(zhì)瀝青混合料相比，發(fā)現(xiàn)泡沫溫拌基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能略有降低。目前學(xué)界針對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料的路用性能已經(jīng)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，但是絕大部分是針對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)，尚不清楚路用性能隨老化和致密化的變化情況?，F(xiàn)場(chǎng)路面受到不同氣候和車輛荷載的作用，最能反映出實(shí)際問(wèn)題。

本文選取不同服役年限的泡沫溫拌瀝青路段，以同期熱拌路段為對(duì)比，研究現(xiàn)場(chǎng)泡沫溫拌瀝青混合料路用性能的變化情況。采用漢堡車轍試驗(yàn)、SCB試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)泡沫溫拌瀝青混合料的高溫性能、抗裂性能和抵抗水損害能力，以此作為泡沫溫拌瀝青技術(shù)深入研究的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 取芯方案

本文選取不同服役年限的高速公路路段進(jìn)行取芯，為降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，所選泡沫溫拌瀝青路段與傳統(tǒng)熱拌路段在路面結(jié)構(gòu)形式、服役年限、交通量、養(yǎng)護(hù)歷史等方面保持一致，選取4條高速公路共8個(gè)段落進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)所用芯樣均為上面層瀝青混合料，取芯位置均為輪跡帶處。

評(píng)價(jià)路段中泡沫溫拌瀝青混合料均采用SBS改性瀝青，采用徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的XFP20泡沫瀝青發(fā)泡設(shè)備進(jìn)行瀝青的發(fā)泡，發(fā)泡用水量為SBS改性瀝青質(zhì)量的2.5%左右，發(fā)泡溫度控制在165 ℃左右，發(fā)泡水溫度為20 ℃～30 ℃。其中，與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料相比，泡沫溫拌瀝青混合料生產(chǎn)溫度降低幅度控制在20 ℃以內(nèi)。評(píng)價(jià)路段信息及樣品編號(hào)如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)路段信息和樣品編號(hào)Table 1 Evaluation section information and sample number高速公路編號(hào)混合料類型服役年限/a樣品編號(hào)高速公路AAC-135高速A-WMA-AC-5y高速A-HMA-AC-5y高速BAC-134高速B-WMA-AC-4y高速B-HMA-AC-4y高速CSMA-132高速C-WMA-SMA-2y高速C-WMA-SMA-2y高速DSMA-131高速D-WMA-SMA-1y高速D-WMA-SMA-1y

漢堡車轍試驗(yàn)所需芯樣均采用內(nèi)徑為150 mm的取芯筒鉆取，由于評(píng)價(jià)層位為瀝青路面上面層，厚度為40 mm左右。為避免中面層瀝青混合料對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，芯樣上面層統(tǒng)一切割厚度為40mm，處理后的芯樣沿邊緣切割出寬度為88 mm的弦。

SCB彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)所需芯樣均采用內(nèi)徑為100 mm的取芯筒鉆取，由于評(píng)價(jià)層位為瀝青路面上面層，厚度為40 mm左右，為避免尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，芯樣上面層統(tǒng)一切割厚度為40 mm。其中，用于SCB彎曲試驗(yàn)的試件，芯樣沿直徑切割，分割為2個(gè)半圓形試件。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1漢堡車轍試驗(yàn)

如圖1所示，漢堡車轍試驗(yàn)使用WTIM型漢堡雙臂浸水車轍儀，參照AASHTO T324試驗(yàn)方法[9]，輪寬度為47 mm，荷載為0.7 kN，鋼輪運(yùn)行速度為52次/min，試件在60 ℃水浴中加熱30min，鋼輪碾壓20 000次或者產(chǎn)生20 mm變形為試驗(yàn)終止條件。在輪跡位置處等間距分布多個(gè)車轍深度采集點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程記錄碾壓次數(shù)對(duì)應(yīng)的車轍深度，選取特征點(diǎn)處車轍深度進(jìn)行計(jì)算[10]。瀝青混合料在未發(fā)生水損壞之前，主要發(fā)生的是壓密和黏塑性變形，為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能的優(yōu)劣，采用黏塑性應(yīng)變和黏塑性應(yīng)變斜率評(píng)價(jià)芯樣的高溫穩(wěn)定性能[11]，公式為：

(1)

(10 000)-(λ+1)

(2)

1.2.2SCB彎曲試驗(yàn)

SCB試驗(yàn)使用UTM25萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖2)，采用3點(diǎn)加載的方式，底部為梁式支座，間距為80 mm，底部支座涂抹潤(rùn)滑油，減少滑動(dòng)阻力。芯樣控溫溫度分別為-10 ℃、0 ℃、15 ℃，芯樣在環(huán)境箱中放置4 h以上，采用50 mm/min的豎向位移加載速率進(jìn)行加載，記錄試驗(yàn)過(guò)程中荷載和位移的變化情況。采用斷裂能評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，芯樣斷裂能越大，說(shuō)明其破壞需要更大的能量，抗裂性能更好。斷裂能的計(jì)算涵蓋了試驗(yàn)中試件各個(gè)時(shí)刻的荷載和變形情況，比較全面地反映了瀝青混合料的抗裂性能[12-13]。公式為：

(3)

式中：Gf為斷裂能，J/m2；P為施加荷載，N；u為平均負(fù)載線位移，m；h為試件高度，m；b為試件厚度，m。

圖2 SCB彎曲試驗(yàn)Figure 2 SCB bending test

1.2.3凍融劈裂試驗(yàn)

通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)芯樣抵抗水損害的能力，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)T 0729-2000規(guī)定，對(duì)芯樣進(jìn)行凍融循環(huán)處理，采用測(cè)試芯樣在凍融循環(huán)作用后承載力的變化情況，評(píng)價(jià)服役短期及長(zhǎng)期后，泡沫溫拌瀝青混合料抵抗水損壞能力的變化。

(4)

式中：TSR為評(píng)價(jià)芯樣的凍融劈裂強(qiáng)度比，%；RT2為凍融處理后評(píng)價(jià)芯樣的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；RT1為未進(jìn)行凍融處理的評(píng)價(jià)芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 漢堡車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

漢堡車轍試驗(yàn)儀作為瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)的重要試驗(yàn)方法之一，具有與實(shí)際路用性能高度一致的優(yōu)勢(shì)[14]。在常規(guī)的漢堡車轍試驗(yàn)中，車轍深度與荷載次數(shù)的關(guān)系圖可分為3個(gè)主要階段，分別是壓實(shí)后階段、蠕變階段和剝離階段[15]。壓實(shí)后階段一般發(fā)生在開(kāi)始的1 000個(gè)負(fù)載周期內(nèi)，芯樣發(fā)生初始?jí)好?；蠕變階段遵循恒定的變形速率；當(dāng)進(jìn)入到剝離階段時(shí)，由于膠結(jié)料和骨料發(fā)生剝離，導(dǎo)致車轍深度迅速增加，變形速率增大，該階段的車轍深度是由荷載作用和水損壞2個(gè)因素導(dǎo)致，因此研究瀝青混合料抗車轍性能應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注剝離階段之前的曲線。各條高速速公路芯樣車轍深度隨荷載次數(shù)的變化情況，如圖3所示。

由圖3可知，各條高速速公路芯樣的漢堡車轍曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的反曲率曲線段，表明在20 000次加載周期內(nèi)，各芯樣未進(jìn)入剝離階段。對(duì)比各條高速公路芯樣的最大永久變形，發(fā)現(xiàn)隨著服役年限的增加，各條高速速公路的車轍深度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象可歸因于隨著服役年限的增加，瀝青老化程度加深，瀝青混合料在車輛荷載的作用下變得更加密實(shí)，表現(xiàn)出更好的抵抗車轍變形的能力。對(duì)芯樣的黏塑性應(yīng)變進(jìn)行進(jìn)一步分析，如圖4所示。

(a) 高速A、B

(b) 高速C、D

(a) 高速A

(b) 高速B

(c) 高速C

(d) 高速D

圖5 芯樣黏塑性應(yīng)變速率Figure 5 Viscoplastic strain rate of core sample

由圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

a.高速C、D芯樣的黏塑性應(yīng)變速率明顯大于高速A、B，這種現(xiàn)象可歸因于高速C、D評(píng)價(jià)段落服役年限為1～2 a，瀝青混合料尚處于初期壓密階段，而高速A、B評(píng)價(jià)段落服役年限為4～5 a，隨著交通荷載的作用和瀝青的老化，瀝青混合料的變得更加致密，表現(xiàn)出更優(yōu)越的抗車轍性能。

b.對(duì)比各條高速公路中泡沫溫拌和同期熱拌瀝青混合料的黏塑性應(yīng)變速率，發(fā)現(xiàn)高速B、C、D中同期熱拌瀝青混合料的黏塑性應(yīng)變速率均大于泡沫溫拌瀝青混合料，僅高速A中同期熱拌瀝青混合料的黏塑性應(yīng)變速率小于泡沫溫拌瀝青混合料，這種現(xiàn)象可歸因于泡沫溫拌瀝青混合料施工和易性較好，且評(píng)價(jià)段落泡沫溫拌瀝青混合料拌和溫度降低幅度較小，在相同的施工條件下，泡沫溫拌瀝青混合料更加密實(shí)，整體來(lái)看，泡沫溫拌瀝青混合料高溫性能優(yōu)于同期熱拌瀝青混合料。

2.2 SCB彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

SCB試驗(yàn)適用于評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)芯樣抗裂性能，試件制備方便，測(cè)試結(jié)果具有可重復(fù)性。對(duì)4條高速公路共8個(gè)段落的半圓試件進(jìn)行SCB彎曲試驗(yàn)，共測(cè)試了-10 ℃、0 ℃、15 ℃這3個(gè)溫度，其中以-10 ℃、0 ℃下芯樣的斷裂能作為低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以15 ℃下芯樣的斷裂能作為中溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

a.隨著溫度的升高，各條高速公路中泡沫溫拌和同期熱拌瀝青混合料的斷裂能均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，當(dāng)溫度小于0 ℃時(shí)，斷裂能變化幅度較小，當(dāng)溫度大于0 ℃時(shí)，隨溫度的升高斷裂能迅速增大，表明低溫條件下瀝青路面更容易開(kāi)裂。這種現(xiàn)象是由于在較低溫度下瀝青失去了黏性，由黏彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，?dǎo)致瀝青混合料更容易開(kāi)裂。在-10 ℃條件下，高速C、D中泡沫溫拌和同期熱拌瀝青混合料的斷裂能均大于高速A、B，表明隨著服役年

(a) 高速A

(b) 高速B

(c) 高速C

(d) 高速D

限的增加，瀝青混合料低溫抗裂性能下降，這種現(xiàn)象可能與瀝青老化導(dǎo)致延展性降低有關(guān)[16]。

b.對(duì)比-10 ℃、0 ℃條件下，各條高速公路泡沫溫拌和同期熱拌瀝青混合料的斷裂能，發(fā)現(xiàn)高速C、D中泡沫溫拌瀝青混合料的斷裂能大于同期熱拌瀝青混合料，高速A、B中泡沫溫拌瀝青混合料的斷裂能小于同期熱拌瀝青混合料，這種現(xiàn)象可能與路面壓實(shí)度和瀝青的性能有關(guān)。路段鋪筑初期，泡沫溫拌瀝青混合料由于具有較好的施工可操作性，且評(píng)價(jià)段落泡沫溫拌瀝青混合料拌和溫度降低幅度較小，在相同的壓實(shí)功下，較熱拌瀝青混合料得到更充分的壓實(shí)，低溫下破壞需要更大的能量，具有較好的低溫性能[17]。隨著車輛荷載的不斷作用，泡沫溫拌和熱拌瀝青混合料完成了初期壓密，兩者壓實(shí)度差異減小，由于發(fā)泡水降低了瀝青的低溫性能和耐老化性能，導(dǎo)致長(zhǎng)期服役后的泡沫溫拌瀝青混合料的低溫抗裂性能略差于同期熱拌瀝青混合料[18]。

c.對(duì)比15 ℃條件下，各高速中泡沫溫拌和同期熱拌瀝青混合料的斷裂能，同樣發(fā)現(xiàn)高速C、D中泡沫溫拌瀝青混合料的斷裂能均大于同期熱拌瀝青混合料，高速A、B中泡沫溫拌瀝青混合料的斷裂能均小于同期熱拌瀝青混合料，表明在中溫條件下，較熱拌瀝青混合料而言，早期泡沫溫拌瀝青混合料具有較好的抗裂性能，后期泡沫溫拌瀝青混合料呈現(xiàn)出略差的抗裂性能。

2.3 凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

凍融劈裂試驗(yàn)作為瀝青混合料水穩(wěn)定評(píng)價(jià)的常規(guī)方法，具有操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)。對(duì)4條高速公路共8個(gè)段落中鉆取的芯樣進(jìn)行了凍融劈裂試驗(yàn)，經(jīng)式(4)計(jì)算得出各條高速公路芯樣的凍融劈裂強(qiáng)度比，如圖7所示。

圖7 芯樣的凍融劈裂強(qiáng)度比Figure 7 Freeze-thaw split strength ratio of core sample

由圖7試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，高速A、B、C、D中泡沫溫拌瀝青混合料的TSR均大于同期熱拌瀝青混合料，表明服役短期和長(zhǎng)期的泡沫溫拌瀝青路面抵抗水損害的能力均優(yōu)于熱拌路段，施工過(guò)程中泡沫瀝青中微量的殘留水并未損害泡沫溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是評(píng)價(jià)段落泡沫溫拌瀝青混合料拌和溫度降低幅度較小，在相同的壓實(shí)功下，較熱拌瀝青混合料得到更充分的壓實(shí)，表現(xiàn)出更好的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

a.相比于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料，不同服役年限下的泡沫溫拌瀝青混合料整體上呈現(xiàn)較優(yōu)越的高溫性能。

b.相較于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料，服役短期的泡沫溫拌瀝青混合料由于得到更充分的壓實(shí)，具有較好的抗裂性能，隨著瀝青混合料的壓密和瀝青的老化，服役長(zhǎng)期的泡沫溫拌瀝青混合料呈現(xiàn)出略差的抗裂性能。

c.與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料相比，泡沫溫拌瀝青混合料由于更加致密，服役短期和長(zhǎng)期的泡沫溫拌瀝青混合料均表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性。