泡沫沥青再生混合料劈裂强度影响因素试验

赵桂娟

(西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054)

0 引言

泡沫沥青是一种冷再生稳定剂，是由普通沥青与水、压缩空气混合制备而成，由于沥青在发泡过程中的黏度急剧下降，故可与冷湿集料拌和形成混合料［1］.泡沫沥青是一种存在状态相对特殊的稳定材料，根据国内外经验，泡沫沥青再生混合料一般适用于低交通量道路的面层和高等级道路的基层或下面层［2］.如果再生结构层强度不足，在行车荷载作用下，路面就会出现断裂、沉陷等破坏，影响道路的正常使用.因此，要求泡沫沥青再生结构层必须具有合适的强度特性.

泡沫沥青可用于稳定新料，也可以稳定旧沥青路面铣刨料(以下简称RAP).但由于沥青路面在使用过程中，沥青的老化以及矿料级配组成和物理特性的变化，导致旧沥青路面铣刨料与新集料在材料特性方面有一定差异，进而经泡沫沥青再生处理的旧沥青材料与新料形成的混合料在性能上存在一定的不同［3］.在实体工程中，为了提高工程的经济社会效益，尽量从增大旧沥青材料的利用率角度出发，但需根据实际情况对再生混合料进行合理设计，以提高再生层的使用性能，延长使用寿命，优化再生结构层的材料性能.因此，笔者通过室内试验分析，从影响泡沫沥青再生混合料劈裂强度特性的主要因素入手，探究不同的泡沫沥青用量和沥青旧料掺量对泡沫沥青再生混合料材料劈裂强度的影响，研究成果可为实体工程提供指导.

1 试验原材料

1.1 泡沫沥青

选用中海70号基质沥青，其各项技术指标见表1.利用Wirtgen WLB10发泡设备，在中海70号沥青最佳发泡条件下制备泡沫沥青，发泡温度为150℃，发泡用水量为2%［4］，经测定，沥青发泡的实际效果为膨胀率12倍，半衰期10 s.

1.2 铣刨料

采用两种不同的沥青路面铣刨旧料，分别记为RAP1和RAP2.其中对应的旧沥青含量分别为4.4%和 4.8%.两种 RAP的级配组成如表2所示.

1.3 石屑

石屑应洁净、干燥、无风化，并具有适当的颗粒级配.本试验采用临潼韩峪石料厂生产的石屑，石屑的含水率为1.2%;砂当量为74.3%，坚固性6%，均满足要求.

表1 中海70号基质沥青技术指标Tab.1 Technical index of ZhongHai 70#matrix asphalt

表2 两种RAP的级配组成Tab.2 Gradation form of two RAP

1.4 矿粉

生产矿粉的石料应除净泥土杂质，矿粉应洁净、干燥且能从矿粉仓自由流出.本试验中采用的矿粉是自行加工生产的石灰岩矿粉.矿粉经水洗法筛分试验，确定出其中小于0.075 mm的含量为 80.2%，视密度为 2.71 kg/m3，含水量 0.35%，均满足要求.

2 劈裂强度试验方案

试验中，对两种RAP，分别变化旧料掺量为0%、20%、40%、60%、80%5种情况，与相应的新料按表2级配进行配制［5］.其中，RAP掺量为0%代表全部采用新料进行泡沫沥青混合料试验.通过重型击实试验，确定各级配组合的最佳含水量、最大干密度和最佳拌和用水量如表3所示.并用此拌和用水量分别拌制两种沥青旧料不同掺量时的混合料，分别与对应的5种不同用量的泡沫沥青混和、成型试件，室温放置24 h后，放入40℃烘箱养生72 h，然后分成2组，干的一组试件进行25℃劈裂强度(干ITS)试验，湿的一组试件在25℃水浴中浸泡24 h后进行劈裂强度(湿ITS)试验，并进行残留劈裂强度比(TSR)测试.

表3 不同RAP掺量下的级配重型击实试验结果及泡沫沥青量Tab.3 Heavy compaction test result of different RAP content

3 试验结果及分析

用表3中所示的最佳拌和用水量，分别与2%、2.5%、3%、3.5%、4%共 5种对应用量的泡沫沥青混和，拌制出两种沥青旧料RAP1和RAP2在不同掺量时的混合料，试件成型后测试干、湿ITS及TSR［6］，进而分析不同的泡沫沥青用量和不同的RAP掺量对泡沫沥青再生混合料劈裂强度的影响情况.RAP1形成的泡沫沥青混合料试验结果汇总见图1;RAP2形成的泡沫沥青混合料试验结果见图2.

从图1～图2可见，随着泡沫沥青用量的逐渐增加，RAP1和RAP2形成的泡沫沥青混合料干、湿ITS均出现峰值，说明在同一旧料掺量比例下，存在着最佳泡沫沥青用量.

图1 干、湿ITS随着RAP1掺量及沥青含量变化图Fig.1 Variation of wet ITS and dry ITS along with RAP1content and asphalt content

图2 干、湿ITS随着RAP2掺量及沥青含量变化图Fig.2 Variation of wet ITS and dry ITS along with RAP2content and asphalt content

图3是对两种RAP级配下，不同RAP掺量和不同泡沫沥青用量的混合料TSR进行了汇总.同样，从这两个图中发现，TSR也存在峰值.综合ITS和TSR指标，可以确定出最佳泡沫沥青用量见表4.

表4 不同掺量RAP形成的混合料最佳泡沫沥青用量Tab.4 Optimum foam asphalt content of mix for different RAP content %

从表4看出，当RAP掺量逐渐增加时，最佳泡沫沥青用量是逐渐减小的.当RAP掺量为0%，即泡沫沥青稳定新料所形成的混合料，其最佳泡沫沥青用量为3.5%，而当混合料中旧料掺量增加至80%时，最佳泡沫沥青用量反而降低至2%.比较RAP1和RAP2两种不同级配旧料在同一掺量下的最佳沥青用量结果发现：RAP2比RAP1的最佳沥青用量总体呈降低趋势，究其原因在于RAP2中旧沥青含量较RAP1多，导致最佳沥青用量减少［7］.但总的来说，泡沫沥青作为稳定料时，所需的最佳沥青用量和普通沥青形成的热拌沥青混合料相比，混合料中沥青用量偏小，原因在于泡沫沥青混合料中沥青分散方式特殊以及沥青与集料的相互作用方式与普通沥青混合料存在一定差异.也正是较小的沥青需求量使得泡沫沥青稳定材料具备了普通沥青无法比拟的经济优势.

另外，分析图1～图2，发现存在一致的变化规律：在同一泡沫沥青用量下，随着混合料中沥青旧料掺量的增加，泡沫沥青混合料干、湿ITS基本呈现出下降趋势.原因是由于新集料表面纹理和棱角性较好，有利于泡沫沥青浆体微粒对集料颗粒的粘结作用，导致混合料具有良好的力学特性［8］;对RAP而言，在原路面使用过程中磨损作用不可避免，造成旧料表面相对光滑，缺少棱角性，且集料表面被旧沥青膜包裹，不利于泡沫沥青对集料的粘结，因此，随着混合料中RAP掺量的增大，混合料整体的棱角性就越差，颗粒间的摩擦阻力越小，泡沫沥青胶浆和砂浆微粒的粘结性越差，泡沫沥青再生混合料的力学性能会随之削弱.

结合图3分析，随着RAP掺量增加，TSR值也相应提高，主要是由于RAP含量增大，其形成的泡沫沥青混合料干ITS降低幅度超过了湿ITS的降低度，导致了两者比值，即TSR值增大，说明增加再生混合料中沥青旧料含量有助于提高混合料的残留劈裂强度比，从而可提高混合料的水稳定性［9］.

图3 RAP1和RAP2形成混合料的TSR值Fig.3 TSR of Mix for RAP1and RAP2

为了分析RAP1和RAP2两种不同旧料对泡沫沥青混合料劈裂强度影响的差异，将每一RAP在5种不同泡沫沥青用量下的ITS和TSR试验结果进行了平均值的计算，表5给出了5种不同RAP掺量时的ITS和TSR均值.

从表5可见，RAP1级配下拌制的泡沫沥青混合料干、湿ITS及TSR值均较RAP2级配下拌制的泡沫沥青混合料相应值稍大，究其原因在于两者的细料含量不同.由于泡沫沥青混合料的抗拉强度主要是由混合料中沥青与细集料形成的高粘度“玛蹄脂”提供的，所以细集料越多，相应地形成的“玛蹄脂”就越多，材料的粘结力也就越大，混合料的抗拉强度也就越高［10］，而根据RAP1和RAP2两者级配看，前者细料含量较高，致使其ITS和TSR均得到一定程度的提高.

表5 不同掺量RAP形成的混合料ITS及TSR值Tab.5 ITS and TSR of mix for different RAP content

4 结论

(1)随着泡沫沥青用量的增加，用两种RAP级配下形成的泡沫沥青再生混合料均出现了干、湿ITS峰值和TSR峰值，说明在沥青旧料掺量比例一定的情况下，混合料的泡沫沥青用量存在最佳值.

(2)RAP掺量逐渐增大，泡沫沥青再生混合料的最佳沥青用量却逐渐减小，其值由RAP掺量为0时的3.5%减少到掺量为80%时的2%.

(3)随着RAP掺量的增大，混合料干、湿ITS呈现减小趋势，但残留劈裂强度比TSR却有所增大，主要缘于RAP含量增加时，其形成的泡沫沥青再生混合料干ITS降低幅度超过了湿ITS，导致了TSR值增加.

(4)由于RAP2中旧沥青含量较RAP1多，RAP2级配下形成的泡沫沥青再生混合料比RAP1形成的混合料最佳沥青用量有一定程度的降低.且RAP1级配下拌制的泡沫沥青再生混合料干、湿ITS及TSR值均较RAP2级配下拌制的泡沫沥青混合料ITS及TSR值大，原因在于RAP1细料含量高，增大了材料的粘结力，提高了劈裂强度.

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