泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性影響因素分析

■李海敏

（廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510630）

近年來(lái)粵東地區(qū)地方經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，沿線村鎮(zhèn)規(guī)模急劇擴(kuò)大，廠礦日益增多，超載車輛非法上路行駛現(xiàn)象愈演愈烈，道路損壞情況逐步加劇，擬采用重做瀝青路面結(jié)構(gòu)、加鋪瀝青上面層等方案對(duì)現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。 國(guó)道G206 線揭陽(yáng)市某路段路面改造工程，路線全長(zhǎng)24.008 km。 鑒于本項(xiàng)目途經(jīng)村鎮(zhèn)人口較為密集，對(duì)環(huán)保要求較高，采用溫拌瀝青技術(shù)，較常規(guī)的熱拌瀝青技術(shù)，可顯著降低混合料的拌合溫度，降低燃油消耗，有效減少有害、有毒氣體的排放，達(dá)到高節(jié)能、低排放的環(huán)保要求，因此本項(xiàng)目推薦采用溫拌瀝青技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

基于溫拌瀝青混合料的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外已有大量路面工程應(yīng)用溫拌技術(shù)[1-4]。 溫拌技術(shù)可分為乳化類、有機(jī)添加劑類、泡沫瀝青類3 類技術(shù)。 泡沫瀝青的溫拌工藝無(wú)需添加外摻劑， 完全是物理反應(yīng)，成本低廉，技術(shù)成熟，應(yīng)用于制備溫拌瀝青混合料具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 由于瀝青發(fā)泡需要用水，因此泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性是影響混合料耐久性和力學(xué)性能的關(guān)鍵，而泡沫溫拌瀝青混合料的影響因素較多，瀝青溫度、瀝青的發(fā)泡效果、發(fā)泡用水量、拌合溫度、外摻劑類型等因素都對(duì)溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能產(chǎn)生不同程度的影響。 王福[5]采用Sasobit-LM 與Honeywell TitanTM 2 種有機(jī)溫拌劑制備溫拌瀝青混合料，研究溫拌瀝青混合料抗松散性能與水穩(wěn)定性的相關(guān)性。 毛成等[6]基于浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)原樣瀝青及溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性。 黃川[7]采用正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)RAP 料摻量、溫拌劑用量、混合料粒徑等因素對(duì)溫拌再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。 經(jīng)隨機(jī)森林變量重要性分析，發(fā)泡用水量、發(fā)泡效果、瀝青溫度是重要性較高的變量，纖維摻量重要性較低。 以本項(xiàng)目采用的瀝青為例，擬以最佳發(fā)泡效果、瀝青溫度155℃，發(fā)泡用水量2%、纖維摻量0.3%的組合提高溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)材料

1.1 主要材料及裝置

本次研究主要采用的試驗(yàn)材料及裝置見(jiàn)表1。

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1.2 瀝青發(fā)泡特性

本試驗(yàn)基于維特根WLB10 型瀝青發(fā)泡機(jī)進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)瀝青的發(fā)泡效果。 設(shè)定中海油濱州70# 瀝青的發(fā)泡溫度范圍為135℃～165℃，發(fā)泡用水量范圍為2%～4%，實(shí)測(cè)膨脹比和半衰期數(shù)據(jù)， 膨脹比范圍為9～29 倍， 半衰期范圍為14.0～46.6 s。從膨脹比和半衰期數(shù)據(jù)可看出，膨脹比隨著發(fā)泡用水量的增加而增大，半衰期隨著發(fā)泡用水量的增加而減少。 總體而言，中海油濱州70# 瀝青的發(fā)泡效果優(yōu)異，滿足冷再生規(guī)范[8]的發(fā)泡要求（膨脹比≥10 倍，半衰期≥8 s）。 為便于后期發(fā)泡效果的影響分析，本文參考前人的研究經(jīng)驗(yàn)[9]，綜合權(quán)衡不同溫度下的瀝青膨脹比和半衰期數(shù)據(jù)，將瀝青發(fā)泡效果劃分為3 個(gè)水平：優(yōu)秀（膨脹比約26.7 倍，半衰期約26 s）、良好（膨脹比約28.2 倍，半衰期約15 s）、中等（膨脹比約11 倍，半衰期約43.2 s）。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用GAC-20 型級(jí)配。

2.2 最佳拌合溫度

拌合溫度是瀝青混合料施工控制的關(guān)鍵因素[10]，本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試不同拌合溫度下的溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的空隙率，以確定溫拌瀝青混合料的拌合溫度，如圖1 所示。

圖1 拌合溫度與空隙率的關(guān)系曲線圖

由圖1 曲線可知，當(dāng)拌合溫度超過(guò)140℃時(shí)，結(jié)合熱拌瀝青混合料的空隙率5.0%， 表明溫拌瀝青混合料的壓實(shí)度超過(guò)熱拌瀝青混合料，密實(shí)性達(dá)到熱拌瀝青混合料水平。 因此，設(shè)定溫拌瀝青混合料的拌合溫度為140℃。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

泡沫溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能是決定耐久性的關(guān)鍵，將通過(guò)研究影響其水穩(wěn)定性的因素（瀝青溫度、發(fā)泡用水量和聚合物纖維摻量），探索提高水穩(wěn)定性能的可操作性方法。 將瀝青發(fā)泡效果劃分為3 個(gè)水平：A、B、C；瀝青溫度劃分為135℃、145℃、155℃、165℃； 發(fā)泡用水量劃分為2%、2.5%、3%、3.5%、4%； 纖維摻量劃分為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%。 為了研究相關(guān)因素對(duì)水穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文采用控制單一變量的方法，在控制其他變量的前提下，探究單一因素對(duì)溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，最后基于隨機(jī)森林算法[11]對(duì)影響因素的相對(duì)重要性進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)分析

3.1 發(fā)泡效果影響

瀝青發(fā)泡效果是影響溫拌瀝青混合料的瀝青膜成形效果的關(guān)鍵因素，也是影響冷拌瀝青混合料的瀝青分散效果的關(guān)鍵因素。 瀝青發(fā)泡效果主要由膨脹比和半衰期反映，由發(fā)泡條件（瀝青溫度和發(fā)泡用水量）決定。 通過(guò)綜合衡量膨脹比和半衰期，設(shè)定瀝青發(fā)泡效果為3 個(gè)水平，如表2 所示。 為分析發(fā)泡效果單一因素的影響，故控制瀝青的發(fā)泡用水量、纖維摻量，僅調(diào)整瀝青溫度來(lái)控制發(fā)泡效果。

表2 瀝青發(fā)泡效果與發(fā)泡條件

由表3 及圖2 可知，泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性對(duì)泡沫瀝青的發(fā)泡效果很敏感，發(fā)泡效果越優(yōu)異，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比越高，溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越優(yōu)異。 分析其原因，瀝青發(fā)泡效果直接反映了泡沫瀝青的分散效果，泡沫瀝青的分散效果越好，形成瀝青膜對(duì)集料的裹覆越均勻，進(jìn)一步影響混合料形成的初期強(qiáng)度和空間結(jié)構(gòu)，從而影響混合料的水穩(wěn)定性能。 由于遠(yuǎn)超規(guī)范要求，在工程應(yīng)用中采用最佳發(fā)泡效果的泡沫瀝青進(jìn)行溫拌工藝，有利于提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

圖2 不同發(fā)泡效果的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比曲線

表3 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.2 發(fā)泡用水量影響

泡沫瀝青是瀝青、水、氣在高溫高壓下產(chǎn)生的，因此泡沫溫拌瀝青混合料在成型過(guò)程中是存在少量水分的，成型過(guò)程中泡沫瀝青體積急劇膨脹，實(shí)現(xiàn)了瀝青與低溫集料的拌合裹覆，拌合時(shí)間較短導(dǎo)致水分不能完全蒸發(fā)，水分的存在不可避免地降低瀝青對(duì)集料的滲透作用，導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)定性能難以達(dá)到熱拌瀝青混合料的效果。 由于發(fā)泡用水量同時(shí)顯著影響著瀝青的發(fā)泡效果，因此為了控制其他變量，研究單一變量發(fā)泡用水量對(duì)溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，將發(fā)泡用水量劃分為2%、2.5%、3%、3.5%、4%，纖維摻量0%，瀝青溫度155℃，同時(shí)調(diào)整相應(yīng)用水量下的瀝青溫度，使各用水量下的發(fā)泡效果接近相同或相似，然后進(jìn)行溫拌瀝青混合料制備，開(kāi)展浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)。 數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4 與圖3 可知，在瀝青發(fā)泡效果基本一致的前提下，溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比隨著發(fā)泡用水量的增大而逐漸減小，當(dāng)發(fā)泡用水量在2%～3.5%時(shí)，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均高于0.9，且當(dāng)發(fā)泡用水量很低（2%左右）時(shí)，溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比與熱拌瀝青混合料較為接近，水穩(wěn)定性能較強(qiáng)；當(dāng)發(fā)泡用水量超過(guò)3.5%時(shí)，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比低于0.9。

圖3 不同發(fā)泡用水量的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比曲線

3.3 瀝青溫度影響

瀝青溫度與泡沫瀝青的發(fā)泡效果和溫拌瀝青混合料拌合都有較強(qiáng)的相關(guān)性，直接制約著溫拌瀝青混合料的力學(xué)性能。 為探索瀝青溫度與溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的相關(guān)性，采用控制單一變量方法，設(shè)置瀝青溫度為135℃、145℃、155℃、165℃， 發(fā)泡用水量3%，纖維摻量0%，制備溫拌瀝青混合料，開(kāi)展浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)。 數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5 與圖4 可知，當(dāng)瀝青溫度155℃～165℃時(shí)， 殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比逐漸減小，在瀝青溫度155℃時(shí)，達(dá)到峰值；表明瀝青溫度對(duì)水穩(wěn)定性能并非單調(diào)化影響，主要原因在于瀝青溫度是瀝青發(fā)泡效果的重要影響因素，在發(fā)泡用水量為3%時(shí)，瀝青溫度155℃達(dá)到最佳水穩(wěn)定性能，這與155℃下瀝青最佳發(fā)泡效果一致， 這說(shuō)明瀝青溫度對(duì)水穩(wěn)定性的影響主要應(yīng)從瀝青發(fā)泡效果的角度考慮。 在發(fā)泡用水量一定的情況下，適宜的瀝青溫度產(chǎn)生最佳的瀝青發(fā)泡效果，可有效提高瀝青混合料的拌合效果，增強(qiáng)混合料內(nèi)部強(qiáng)度，從而有利于提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，因此泡沫溫拌瀝青混合料應(yīng)采用最佳發(fā)泡效果下的瀝青溫度。

圖4 不同發(fā)泡效果的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比曲線

3.4 纖維摻量影響

設(shè)置纖維摻量為0%、0.2%、0.4%、0.6%，瀝青溫度145℃，發(fā)泡用水量3%，進(jìn)行溫拌瀝青混合料制備，開(kāi)展浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)。 數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表6 與圖5 可知，隨著聚合物纖維摻量的增大，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并在纖維摻量為0.2%～0.3%時(shí)達(dá)到最大值。 纖維摻量增加且超過(guò)0.3%后，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比反而隨纖維摻量的增加而降低。 數(shù)據(jù)分析表明，纖維的加入的確對(duì)溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能產(chǎn)生了一定程度的影響，但是纖維摻量對(duì)水穩(wěn)定性能的影響呈拋物線狀，當(dāng)纖維摻量處于最佳值時(shí)，溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能最強(qiáng)。 這表明適量的纖維在混合料內(nèi)部具有加筋效果，可有效強(qiáng)化混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有利于其水穩(wěn)定性能，纖維摻量過(guò)多導(dǎo)致加筋過(guò)度反而降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，摻量過(guò)少導(dǎo)致加筋不足，不能達(dá)到最佳的水穩(wěn)定狀態(tài)。 因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，可嘗試性添加纖維（摻量為0.2%～0.3%），以提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

圖5 不同纖維摻量的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比曲線

3.5 參數(shù)重要性分析

隨機(jī)森林算法采用統(tǒng)計(jì)語(yǔ)言R 完成，以A 瀝青發(fā)泡效果、B 瀝青溫度、C 發(fā)泡用水量、D 纖維摻量為四項(xiàng)影響因素為輸入變量，以殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比為輸出變量建立隨機(jī)森林回歸模型，對(duì)變量進(jìn)行重要性分析。 圖6 列出了隨機(jī)森林模型分析的變量重要性值。

由圖6 可知，根據(jù)隨機(jī)森林算法變量相對(duì)重要性分析，泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析與各影響因素都有相關(guān)性，但是影響權(quán)重區(qū)別很大。 在泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析中， 發(fā)泡用水量、發(fā)泡效果、瀝青溫度是重要性較高的變量，纖維摻量重要性較低。 這表明在提高水穩(wěn)定性的措施中，可優(yōu)先降低發(fā)泡用水量，而后設(shè)定泡沫瀝青的最佳發(fā)泡效果，再設(shè)定瀝青最佳溫度。纖維摻量雖然也能提高水穩(wěn)定性，但是影響權(quán)重較低，條件允許時(shí)可摻加纖維以提高水穩(wěn)性能，但是改善意義不顯著。

圖6 變量重要性

4 結(jié)論

（1）瀝青發(fā)泡效果、發(fā)泡用水量、瀝青溫度、纖維摻量是溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能的直接影響因素。 根據(jù)隨機(jī)森林算法變量相對(duì)重要性分析，在泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析中， 發(fā)泡用水量、發(fā)泡效果、瀝青溫度是重要性較高的變量，纖維摻量重要性較低。 在提高水穩(wěn)定性的措施中，可優(yōu)先降低發(fā)泡用水量，而后設(shè)定泡沫瀝青的最佳發(fā)泡效果，再設(shè)定瀝青最佳溫度，纖維摻量雖然也能提高水穩(wěn)定性，但是影響權(quán)重較低。

（2）泡沫瀝青的發(fā)泡效果直接決定了瀝青在集料表面的成膜均勻度，瀝青的發(fā)泡效果優(yōu)異，有利于瀝青與集料的裹覆效果，會(huì)進(jìn)一步提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性，發(fā)泡用水的存在不利于溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，發(fā)泡用水量越小，水穩(wěn)定性越強(qiáng)，因此基于泡沫瀝青的溫拌瀝青混合料在保證泡沫瀝青發(fā)泡效果的前提下，盡量減少發(fā)泡用水量（建議發(fā)泡用水量低于3.5%），有利于提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

（3）隨著纖維的加入的確對(duì)溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能產(chǎn)生了一定程度的影響，但是纖維摻量對(duì)水穩(wěn)定性能的影響呈拋物線狀，當(dāng)纖維摻量處于最佳值時(shí)， 溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能最強(qiáng)。 這表明適量的纖維在混合料內(nèi)部具有加筋效果，可有效強(qiáng)化混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 有利于其水穩(wěn)定性能，纖維摻量過(guò)多導(dǎo)致加筋過(guò)度反而降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，摻量過(guò)少導(dǎo)致加筋不足，不能達(dá)到最佳的水穩(wěn)定狀態(tài)。 因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，可嘗試性添加纖維（摻量為0.2%～0.3%），以提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

（4）由于泡沫溫拌瀝青混合料的獨(dú)特性，導(dǎo)致該材料內(nèi)部有水分存在，因此水穩(wěn)定性是衡量溫拌瀝青混合料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。 本研究結(jié)果可為泡沫溫拌瀝青混合料設(shè)計(jì)中發(fā)泡效果、 發(fā)泡用水量、 瀝青溫度及纖維摻量因素方面提供技術(shù)參考。經(jīng)綜合分析后，以本文采用的瀝青為例，建議以最佳發(fā)泡效果、瀝青溫度155℃、發(fā)泡用水量2%、纖維摻量0.3%的組合提高溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性。