泡沫沥青温拌沥青混合料配合比设计方法及路用性能研究

熊家元

(河南高速公路发展有限公司， 河南 郑州 450052)



泡沫沥青温拌沥青混合料配合比设计方法及路用性能研究

熊家元

(河南高速公路发展有限公司， 河南 郑州 450052)

泡沫沥青温拌沥青混合料是一种全新的节能环保型路面新材料，借鉴实体工程采用的温拌泡沫沥青技术，开展温拌泡沫沥青混合料配合比设计方法研究，同时将温拌泡沫沥青混合料的路用性能与同类型热拌沥青混合料进行了对比。试验结果表明：推荐采用 “4%空隙率法”确定泡沫沥青温拌混合料的拌合温度，以马歇尔法确定泡沫温拌沥青混合料的最佳油石比，经路用性能验证，泡沫温拌沥青混合料具有较好的高温稳定性，但其水稳定性和低温抗裂性稍差，泡沫温拌沥青混合料疲劳性能为同类型沥青混合料的90%，泡沫温拌和热拌沥青混合料的综合路用性能比较接近。

路面工程； 泡沫沥青； 泡沫温拌沥青混合料； 配合比设计； 路用性能

0 引言

温拌沥青混合料是一种拌合摊铺碾压温度介于热拌沥青混凝土和冷拌沥青混凝土之间，性能达到热拌沥青混合料的新型沥青混合料[1-3]。根据国内外的文献资料，这类混合料主要采用添加降粘剂或表面活性剂等不同方法降低沥青混合料在较低温度下的粘滞度，从而实现良好的压实特性，与热拌沥青混合料相比，采用温拌技术后集料可以在较低温度时能够完全被沥青裹覆，较低的出料、摊铺、压实温度大大降低了沥青混合料在拌和生产过程中所排放出的有害气体，同时延长了施工时间和混合料运输距离[4-7]， 大大降低了隧道路面铺筑难度。欧洲每年温拌沥青混合料用量大约有500万t，其实现的温拌剂技术的添加剂主要有三种，即化学添加剂、有机添加剂和发泡添加剂，其中泡沫温拌技术占其温拌沥青混合料总量的88%以上。国内用于生产温拌沥青混合料的添加剂主要有Soasbit(固体蜡)、A spha-min沸石和Evotherm DAT，目前国内外对温拌沥青混合料的路用性能、降粘机理、压实特性、配合比设计方法、力学性长期使用性能、耐久性等均开展了大量研究，也铺筑了许多实体工程，但鲜见采用泡沫沥青生产温拌沥青混合料方面研究报道[6-12]，法国大量工程实践表明，温拌泡沫沥青混合料不仅是实现沥青混合料温拌技术的有效途径，同时可降低温拌沥青混合料的工程造价，应用前景广阔。本文借鉴实体工程采用的温拌泡沫沥青技术，开展温拌泡沫沥青混合料配合比设计方法研究，同时将温拌泡沫沥青混合料的路用性能与同类型热拌沥青混合料进行了对比， 经试验路验证该法具有较好的技术优势，研究结果可为温拌泡沫沥青混合料在路面工程中的推广应用提供试验支撑。

1 原材料

试验选用SK70号重交通石油沥青，成品SBS改性沥青(I — B类，SBS掺量为4%)，试验检测结果见表1和表2，这2种沥青的性能试验检测结果表明符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 — 2004)中的技术指标要求。粗集料选用玄武岩碎石，细集料采用机制砂，集料各项技术指标均满足规范要求[13]。研究表明，在沥青混合料的拌合过程中，沥青吸附在矿粉的表面，形成沥青胶浆薄膜，从而对粗、细集料产生粘附作用，矿粉在沥青混合料中发挥着非常重要的作用，试验研究过程中选用石灰岩磨制的矿粉。

表1 70号重交通石油沥青技术指标及要求Table1 70Numberofheavytrafficasphaltspecificationsandrequirements试验项目规定值试验结果试验方法针入度(25℃,5s,100g)/0.1mm60～8078 T0604延度(5cm/min,15℃)/cm≥100 >100 T0605延度(5cm/min,10℃)/cm≥20 47 T0605软化点(环球法)/℃≥46 49.5 T0606质量变化,不大于/%±0.8-0.29T0609残留针入度比(25℃)/%≥61 62 T0604薄膜加热试验163℃,5h残留延度(15℃)/cm≥15 45 T0605残留延度(10℃)/cm≥6 6 T0605

表2 SBS(I-B)改性沥青技术指标及要求Table2 SBS(I—B)modifiedbitumenspecificationsandre-quirements试验项目规定值试验结果试验方法针入度(25℃,5s,100g)/0.1mm80～10093.5T0604延度(5cm/min,5℃)/cm≥4055.8T0605软化点(环球法)/℃≥5093.5T0606

2 泡沫沥青温拌沥青混合料配合比设计

2.1 确定最佳发泡条件

《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41 — 2008)以膨胀率和半衰期评价沥青的发泡特性，试验时分别变化三组发泡温度和发泡用水量对SK70号和SBS改性沥青的发泡特性进行检测，试验结果见表3和表4。

表3 SK70#沥青不同用水量及温度条件下的发泡特性Table3 SK70#foamingbitumenpropertieswithdifferenttemperatureandwatercontent发泡用水量/%发泡温度/℃150155160膨胀率(倍)半衰期/s膨胀率(倍)半衰期/s膨胀率(倍)半衰期/s1.02242173514321.52833243020272.0332930262221

表4 SBS改性沥青不同用水量及温度条件下的发泡特性Table4 SBSmodifiedasphaltfoamingcharacteristicswithdifferentwaterandtemperature发泡用水量/%发泡温度/℃165170175膨胀率(倍)半衰期/s膨胀率(倍)半衰期/s膨胀率(倍)半衰期/s1.01326132112271.51921171615222.0231419131716

由沥青发泡试验结果可知: 以虑膨胀率和半衰期均较大的原则确定基质沥青最佳发泡温度为150 ℃，发泡用水量1.0%可满足规范膨胀率不小于10倍，半衰期不小于8 s的要求[14]。SBS改性沥青最佳发泡温度为165 ℃，最佳发泡用水量为1.5%。

2.2 确定矿料级配

选用实体工程中采用的AC — 13C混合料级配，根据粗细集料的筛分结果，确定混合料合成级配如图1所示。

图1 AC — 13C沥青混合料矿料级配组成Figure 1 AC — 13C Asphalt Mixture Gradation

2.3 确定混合料拌合压实温度

现行《公路沥青路面施工规范》根据沥青的黏温曲线确定沥青混合料的室内拌合、压实温度[15]，对于泡沫温拌沥青混合料该法显然不适用， 本文采用“等空隙率法”确定泡沫温拌沥青混合料的拌合、压实温度。所谓的等空隙率法，就是通过比较在不同温度下压实成型的温拌沥青混合料与热拌沥青混合料的空隙率，以4%等空隙率为原则，从而确定泡沫温拌量沥青混合料拌合压实温度的试验方法。具体试验步骤如下： ①按照经验法预估最佳沥青用量，在110、120、130、140、150、160、170 ℃温度下采用马歇尔击实试验分别成型热拌与温拌泡沫沥青混合料，一组4个平行试件； ②按照JTG E20 — 2011试验要求实测不同成型温度下的马歇尔试件毛体积密度和理论最大密度，计算泡沫温拌沥青混合料的空隙率； ③分别绘制不同温度下温拌泡沫沥青混合料马歇尔试件空隙率-温度曲线，并进行统计拟合； ④以马歇尔试件4%空隙率计算得到泡沫温拌沥青混合料的拌合压实温度。通过试验测得不同泡沫温拌沥青混合料的空隙率-温度曲线，结果如图2,表5所示。

图2 沥青混合料空隙率 — 拌合温度曲线Figure 2 Asphalt void-mixing temperature curve

表5 空隙率-拌合温度曲线拟合方程Table5 Void-mixingtemperaturecurvefittingequation混合料类型温度—空隙率回归方程相关系数R2击实温度/℃SBS改性沥青y=34.44718-0.2918x+6.568944E-4x20.9787166温拌SBS改性沥青y=45.51643-0.50467x+0.001424x20.9869143热拌沥青y=32.87497-0.37634x+9.94389E-4x20.9799153温拌泡沫沥青y=31.64387-0.34257x+9.54983E-4x20.9974132 注:y为空隙率,单位:%;x为拌合温度,单位:℃。

根据等空隙率原则，温拌SBS改性沥青混合料可使SBS改性沥青混合料的拌合温度下降23 ℃，采用温拌泡沫沥青混合料可使热拌沥青混合料拌合温度降低21 ℃，温拌泡沫沥青混合料的施工和易性优于热拌沥青混合料，泡沫温拌沥青混合料具有较好的压实特性，且减少集料加热能源消耗，节能减排。

2.4 设计最佳泡沫沥青用量

采用马歇尔法确定泡沫温拌沥青混合料的最佳沥青用量，通过对试件物理指标、力学指标的测定，得出不同混合料类型马歇尔试验结果见表6所示。

表6 4种沥青混合料马歇尔试验结果Table6 FourkindsofasphaltmixtureMarshalltestresults混合料类型OAC/%ρ相对毛体积/(g·cm-3)VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mmSBS4.632.4523.9714.43673.68012.132.47温拌SBS4.672.4584.0314.22075.45812.602.74热拌4.702.4404.0015.10873.4708.752.69温拌泡沫沥青4.742.4404.0615.11773.5118.862.73规范要求3～6≥13.565～75≥82～4

配合比设计结果表明: 泡沫温拌沥青混合料各项体积指标和力学强度与普通热拌沥青混合料无异，采用马歇尔法确定的温拌泡沫沥青混合料各项技术指标均满足现行《公路沥青路面施工技术规范》相关技术要求。

3 温拌泡沫沥青混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性

采用车辙试验评价温拌泡沫沥青混合料的高温稳定性，试验时根据(JTG E20 — 2011)中的要求，分别对热拌沥青混合料和温拌泡沫沥青混合料进行车辙试验，验证各种混合料的高温性能。按照要求成型300 mm×300 mm×50 mm的标准车辙板试件(以马歇尔试件毛体积密度反算成型车辙板所需的混合料质量)，车辙试验的温度为60 ℃，轮压为0.7±0.05 MPa，行走速度为42±1次/min，试验时橡胶轮的行走方向与成型车辙板时的碾压方向一致，试验结果如表7所示。

表7 车辙试验结果Table7 Ruttingtestresults混合料类型d45min/mmd60min/mmDS/(次·mm-1)123平均值123平均值123平均值基质沥青3.1483.4343.1383.2403.5473.7023.5173.5891779195117631864温拌泡沫沥青3.1162.9653.1763.0173.3693.2983.4003.3551865185420321917SBS改性沥青1.9902.1992.1692.1192.1452.3382.3102.2644065453244684355温拌SBS改性沥青1.8162.2091.9741.9991.9522.3502.1042.1354631443848464638

车辙试验结果表明，泡沫温拌沥青混合料具有较好的高温稳定性，相比热拌沥青混合料，经泡沫温拌处理后基质沥青、SBS改性沥青混合料的高温稳定性均有一定程度提高。温拌泡沫沥青混合料车辙试验动稳定度1917次/mm ，远大于规范基质沥青混合料夏炎热区1000次/mm的要求。

3.2 低温抗裂性

按照现行《公路沥青路面施工规范》的要求采用低温弯曲试验评价温拌泡沫沥青混合料的低温抗裂性，根据JTG E20—2011要求，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的要求成型车辙板，切割尺寸为30 mm×35 mm×250 mm的小试件，试验温度为-10 ℃，采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表8所示。

表8 低温小梁低温弯曲试验结果Table8 Lowtemperaturetrabecularlowbendtestresults混合料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa基质沥青8.782814.643119.40温拌泡沫沥青8.122612.873107.69SBS改性沥青11.663473.473356.87温拌SBS改性沥青11.103105.423574.40

由表8试验结果可知: 相比热拌沥青混合料，经发泡处理后基质沥青和SBS改性沥青混合料的低温抗裂性有一定程度下降，温拌泡沫沥青对混合料的低温性能有负面影响。分析其原因，由于拌合温度低，集料不能完全烘干，残留水分必然会影响集料与沥青之间的粘附，这也是现有温拌沥青混合料普遍需要克服的技术难题，再加上生产泡沫沥青时泡沫沥青内部含有1%作用的水，水的存在势必影响沥青与集料之间的粘附性(见图3)，且水挥发后在沥青内部形成少量蜂窝状的空隙，混合料内部不均匀程度增加导致泡沫温拌沥青混合料低温抗裂性降低。

图3 温拌与热拌小梁破坏界面对比(左图为热拌，右图为泡沫沥青温拌)

Figure 3 Warm mix compared with hot mix trabecular failure interface

3.3 水稳定性

水损害是沥青混凝土路面早期主要的病害之一，是指由于水的作用下，使沥青混合料丧失原有强度和耐久性的一种现象。沥青混凝土路面在水存在的条件下，经受交通荷载和温度变化的反复作用，水分会渗入混合料内部，在轴载作用下不断地削弱沥青胶浆，破坏沥青、沥青胶浆与集料之间的粘结力，最终造成路面破坏。按照现行《公路沥青路面施工规范》的要求，本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究温拌泡沫沥青混合料的水稳定性，具体试验方法严格参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行，试验结果见表9。

3.4 疲劳性能

本部分试验采用中点加载简支梁弯曲试验法，加载模式为控制应力方式，控制应力的疲劳试验就是在重复加载的疲劳试验过程中，保持应力不变，以试件的疲劳断裂作为疲劳破坏的准则，达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命。试验时根据JTG E20—2011中的要求成型车辙板，切割为40 mm×40 mm×250 mm的小梁试件，弯曲疲劳试验选用0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力比，在MTS 810材料试验机上采用中点加载方式进行，支点间距为200 mm，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载波形为连续式正弦波，试验结果如图4所示。

表9 冻融劈裂和浸水马歇尔试验结果Table9 Freeze-thawsplittingandimmersionMarshalltestresults混合料类型冻融劈裂试验浸水马歇尔试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%基质沥青8.757.4284.80.9140.75082.3温拌泡沫沥青8.867.1180.30.8790.68978.4SBS改性沥青12.8312.2895.71.2951.16289.7温拌SBS改性沥青11.8610.8591.51.1640.99485.4

图4 疲劳试验拟合结果Figure 4 Fatigue test fitting results

由图4试验结果可知: 4种沥青混合料疲劳寿命与应力比在双对数坐标下表现出较好的线性关系，基质沥青、温拌泡沫沥青混合料、SBS改性沥青混合料、温拌泡沫SBS改性沥青混合料疲劳试验双对数拟合曲线的截距依次为3.7214、3.7002、4.265、4.246，斜率依次为2.184、2.287、1.861、1.914，K值越大，疲劳曲线的线位越高，表明混合料的疲劳寿命越高，n值越大，疲劳曲线越陡，混合料的疲劳寿命对应力水平的变化越敏感[16]，其抵抗疲劳破坏的能力越差，可见泡沫温拌技术会对沥青混合料的抗疲劳性能有负面影响，相同应力水平下，泡沫温拌沥青混合料的疲劳寿命次数约为热拌沥青混合料的90%。分析其原因，泡沫温拌沥青混合料降低了热拌沥青混合料拌合压实温度的同时，大大降低了沥青的老化程度，这对沥青混合料的抗疲劳性能有利，但由于集料加热不够以致其中还有残留的水分，降低了沥青—集料界面粘附性，此外，水分的加入导致沥青混合料内部存在缺陷或者泡沫沥青不能完全裹附集料，在荷载作用下会因为应力集中而引起应变能的聚积，从而引起微裂缝的产生，混合料疲劳寿命降低[17]。

4 试验路铺筑

2013年课题组西安绕城高速铺筑了2 km温拌泡沫沥青混合料试验路，沥青混合料类型为AC — 13C，SBS改性沥青发泡温度为170 ℃，发泡用水量为1.5%，摊铺温度为145 ℃，没有掺加添加剂，路面结构为为4 cmAC — 13泡沫SBS改性温拌沥青混合料+6 cmAC — 20C+7 cmAC — 25沥青混合料，摊铺完成后，经检测试验路渗水系数、压实度、平整度等均满足规范要求，上面层沥青混凝土在搅拌出料、摊铺和碾压几乎看不到蓝烟，而且试验取样测出来的性能与热拌沥青混合料相当。到目前为止，试验路已通车快2 a，并未发现车辙、开裂等病害，可见泡沫温拌沥青混合料具有较好的路用性能。

5 结论

① 泡沫沥青温拌技术显著改善了基质沥青、SBS改性沥青混合料的施工和易性，泡沫温拌SBS改性沥青混合料可使SBS改性沥青混合料的拌合温度降低23 ℃，以“4%等空隙率法”确定泡沫沥青温拌混合料的拌合压实温度是合理可行的；

② 马歇尔击实试验结果表明，采用马歇尔配合比设计方法确定的泡沫沥青温拌混合料的各项体积指标和力学指标满足现行规范要求。

③ 泡沫温拌沥青混合料具有较好的高温稳定性，但其水稳定性和低温抗裂性稍差，泡沫温拌沥青混合料疲劳性能为同类型沥青混合料的90%，总体而言，泡沫温拌沥青混合料具有较好的路用性能。

④ 本文只对泡沫温拌沥青混合料的配合比设计方法和路用性能进行了初步研究，现场性能需要进一步铺筑试验路并进行跟踪观测。

[1] 尹应梅，张荣辉．Evotherm温拌SBR改性沥青高温性能研究[J]．公路工程，2010，35(4)：39-44．

[2] 朱沅峰，吴超凡，张继森. 3 种添加剂温拌沥青混合料使用性能比较[J].公路,2011(7):201-206

[3] 威新龙.温拌橡胶沥青SMA性能研究[D].济南:山东大学，2011.

[4] 温拌橡胶沥青施工温度的确定[J].科学技术与工程，2011，11(6)；1402-1406.

[5] 纪小平，孙云龙．Sasobit温拌沥青混合料的试验研究[J]．武汉理工大学学报,2010，32(14)：75-78．

[6] 王春. 隧道温拌阻燃沥青混合料技术性能研究[D].西安:长安大学，2007.

[7] 谢翠玲，张新，苏明.温拌沥青混合料水稳定性研究[J].公路交通科技，2011，11(9)：13-15.

[8] 温拌沥青混合料的长期使用性能[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013.

[9] 孙吉书， 肖 田，杨春风，等.温拌再生沥青混合料的路用性能研究[J].2011，30(2)，250-253.

[10] 严世祥.温拌沥青混合料的应用技术研究[D].重庆:重庆大学，2007.

[11] 郭红兵，陈拴发.Aspha-min温拌沥青混合料技术现状与路用性能[J].中外公路，2008，28(2):152-155.

[12] 左秋英.温拌 SBS 沥青混合料压实温度确定及性能评价[J].现代交通技术，2014，11(1):1-4.

[13] JTG F40 — 2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[14] JTG F41 — 2008，公路沥青路面再生技术规范[S].

[15] JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]．

[16] 赵磊.沥青混合料疲劳性能研究[D].重庆:重庆交通大学，2009.

[17] 周卫峰.沥青与集料界面粘附性研究[D].西安:长安大学，2002.

Study on Design Method and Road Performance of Foam Asphalt Warm Asphalt Mixture

XIONG Jiayuan

(Henan Expressway Development Co., Ltd,Zhengzhou, Henan 450052, China)

foam asphalt warm mix asphalt mixture is a new material，new energy efficient and environmentally friendly pavement engineering . draw lessons fromsubstantial warm foam asphalt technologyproject，this article Carry on warm mix asphalt foam mix design method， while the warm mix asphalt foam road performance with the same type of hot mix asphalt were compared. Test results show that：recommend to“4% void method”to determine the mixing temperature of foam warm asphalt mixture，Marshall method of foam temperature on the optimum proportion of asphalt mixture，The road performance verification, foam warm mix asphalt mixture has better high temperature stability, but its water stability and low temperature crack resistance is poor, the fatigue performance foam warm mix asphalt mixture is 90% of the same type asphalt mixture. Comprehensive road performance of both foam asphalt warm asphalt mixture and hot mix asphalt are relatively close.

road engineering； foam asphalt； foam warm asphalt mixture； mixture design； road performance

2015 — 04 — 27

国家自然基金项目(51375276)

熊家元(1965 — )，男，河南信阳人，高级工程师，主要从事道路与桥梁施工与管理工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0128 — 05