泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性研究

张 航 ，胡建新，刘大洋

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性研究

张 航1,2，胡建新1，刘大洋1

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

采用60 ℃车辙试验，分析沥青标号、水泥掺量、泡沫沥青用量和养生时间对泡沫沥青冷再生混合料高温性能的影响。基于样本研究，得出如下结论：采用低标号沥青、增加水泥用量、延长养生时间均能够提高泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性；增加泡沫沥青用量会降低泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性。

道路工程；泡沫沥青；冷再生混合料；高温稳定性；动稳定度

截至2015年底，我国公路网总里程已突破457.7万km，其中高速公路总里程达到12.4万km，与此同时，我国高速公路建设程度整体进一步放缓，而我国早年建成的高速公路陆续进入大、中修时期，路面铣刨、重建的任务也越来越重。路面翻修铣刨后，旧料若被废弃，则在旧料运输、处理过程中会造成资源浪费和环境污染；若全采用新集料，则代表着开山取石，会严重破坏生态环境。交通运输部在“十三五”公路养护管理发展纲要中明确提出，应践行绿色发展理念，实现公路养护与生态环境和谐共促，高速公路，普通国道、省道废旧路面材料回收率应分别达到100%、98%，较“十二五”期间提出了更高的要求。另外，美国联邦公路局调查也表明，沥青路面再生利用可节约材料费超过50%，路面造价降低约25%，沥青节省约50%。

因此，采用沥青路面再生方案对旧料加以利用，既是公路养护管理发展的要求，又能节约成本、保护环境。而以泡沫沥青作为稳定剂的路面再生技术由于环保、经济、实用等优势，近年来在世界各国路面养护维修中得到了广泛应用。泡沫沥青冷再生混合料可用于高速公路和1、2级公路沥青路面的下面层，3、4级公路沥青路面的面层。长期的工程验证表明，泡沫沥青冷再生路面虽然取得了良好的应用效果，但也出现了不少永久变形病害。南非的泡沫沥青混合料设计与使用指南对混合料性能进行了归纳，如图1所示。由图1可见，泡沫沥青稳定材料兼具有刚性、柔性和未处治材料的特点，且随着泡沫沥青和水泥用量的改变，混合料也会显示出不同的使用性能[1-3]。本文主要采用车辙试验来分析泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响因素，包括沥青标号、水泥用量、泡沫沥青用量以及养生时间，以期为相关工程提供有益指导。

图1 冷再生混合料材料特性

1 泡沫沥青冷再生混合料组成

1) RAP料。沥青路面在经过长时间的荷载及自然条件作用下，矿料及其裹覆的沥青胶结料的物理和化学特性均会发生一定程度的变化。已有研究表明，在泡沫沥青冷再生混合料中，不能仅仅将RAP当作集料考虑，因为随着RAP掺量的增加，最佳泡沫沥青用量是减少的，且在一定范围内，RAP中旧沥青含量越多，最佳泡沫沥青用量就越少[4]。本文采用的RAP料为重庆市某条高速公路中上面层的铣刨料。

2) 泡沫沥青。普通针入度级沥青在高温下加入少量冷水，水的急速气化使沥青形成爆炸性泡沫，并在很短时间内破裂，这种沥青材料称为泡沫沥青。当泡沫沥青与集料接触时，泡沫沥青瞬间破裂，并与细集料粘结形成沥青胶浆颗粒，通过机械搅拌和压实，胶浆颗粒以“点焊”的形式填充在粗骨料之间，达到稳定再生料的目的[5]。本文采用SK90#和双龙70#基质沥青通过发泡机制作的泡沫沥青，其技术指标如表1所示。

表1 基质沥青技术指标

3) 水泥。由于泡沫沥青是通过“点焊”的形式来稳定材料，并非普通沥青的裹覆粘结，因此泡沫沥青冷再生混合料的水稳定性和疲劳性能较差[6]。为改善其力学性能，需在其中加入少量水泥。本文使用42.5普通硅酸盐水泥，其各项指标检测结果均合格。

4) 新集料。由于RAP集料由旧路面铣刨而来，细集料和沥青裹覆在粗集料上，导致RAP中细集料偏少，因此，考虑到合成级配，一般需要补充石屑或机制砂。同时，因考虑到再生混合料结构强度及合成级配，有时也会补充碎石。本文采用的碎石和机制砂为石灰岩。

5) 水。冷再生混合料在拌和时需要加入一定的水，合适的用水量可以促进结团集料的分解，有利于泡沫沥青的扩散和混合料施工和易性的提高。本文采用的水为当地的自来水。

2 配合比设计

2.1 级配确定

参照JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》，结合中上面层铣刨料的级配，选择中粒式级配。本文采用RAP掺量为78.5%，机制砂和碎石掺量为21.5%。合成级配如图2所示。

图2 合成级配

2.2 沥青发泡条件确定

室内采用维特根WLB 10 S发泡机对SK90#和双龙70#沥青进行发泡试验，结果分别如图3和图4所示。我国规范要求膨胀率不小于10(倍)，半衰期不小于8 s。本文兼顾二者指标，根据发泡试验确定发泡条件：90#沥青，2.0%最佳发泡用水量，150 ℃的发泡温度；70#沥青，2.0%最佳发泡用水量，160 ℃的发泡温度。

2.3 最佳拌和用水量和水泥剂量确定

已有研究表明，泡沫沥青冷再生混合料最佳拌和用水量不同于混合料的最佳含水率，且与混合料中填料所占比例相关[7-8]。本次试验填料含量为8.5%，在5%～10%之间，适宜的拌和用水量范围为最佳击实含水量(OMC)的70%～80%。采用重型击实确定混合料最佳含水率为5.9%，取75%OMC，得最佳拌和用水量为4.4%。根据规范及已有工程经验，确定水泥剂量为外掺1.5%。

图3 90#沥青发泡结果

图4 70#沥青发泡结果

2.4 最佳泡沫沥青用量确定

采用90#沥青，预估最佳泡沫沥青用量为2.5%。采用马歇尔击实仪，双面各击实75次，在1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫沥青用量下成型试件，并将其置于40 ℃鼓风烘箱内养生72 h。通过劈裂强度试验，确定最佳泡沫沥青用量为2.8%，如图5所示。

图5 最佳泡沫沥青用量确定

由图5可以看出，最佳泡沫沥青用量下的干劈裂强度(干ITS)为0.70 MPa，湿劈裂强度(湿ITS)为0.62 MPa，干湿劈裂强度比(TSR)为88.5%，满足TSR≥70%的规范要求。

3 泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性影响因素分析

本文采用车辙试验的动稳定度和车辙深度作为评价泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的指标。根据近几年的观测，夏季重庆地区沥青路面路表温度可达70 ℃，而泡沫沥青冷再生混合料一般用于高等级公路下面层，而下面层表面的温度不便直接测量，故在精度要求不高的情况下可根据SHRP提出的公式(1)进行估算[9]。

Td=Tsurf(1-0.063d+0.007d2-0.000 4d3)

(1)

式中：Tsurf为路表面温度，℃；d为路面纵向深度，in；Td为路表以下d英寸处的温度，℃。

重庆地区高速公路中上面层厚度一般为10 cm，经计算得到下面层表面温度为58.5 ℃，因此确定车辙试验温度为60 ℃。

3.1 沥青标号对泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响

对于泡沫沥青，因受到沥青发泡特性的限制一般仅选择90#或者70#沥青。对于热拌沥青混合料，选择70#沥青往往具有更优良的高温稳定性。而对于泡沫沥青冷再生混合料，其强度形成机理则完全不同于热拌沥青混合料。因此，研究沥青标号对于泡沫沥青冷再生混合料的影响具有重要意义。

针对90#和70#两种沥青，分别进行60 ℃车辙试验。试验时，采用图2所示合成级配，泡沫沥青用量为2.8%，最佳拌和用水量为4.4%，水泥掺量为外掺1.5%，分别拌和混合料，并按照马歇尔试件毛体积密度反算混合料用量，成型车辙板试件，且每组沥青成型3块车辙板。为了保证2种沥青的试验具有可比性，2种沥青冷再生混合料除沥青标号和发泡条件不同外，其余条件均相同。采用2.4节所述养生方法养生试件，养生结束后进行60 ℃车辙试验。试验结果如表2所示。

表2 不同沥青标号的泡沫沥青冷再生混合料车辙试验结果

由表2可知，70#沥青比90#沥青有更高的动稳定度(DS)，其车辙深度也比90#沥青小，但是2种沥青的试验数据差距并不大，数值间相对差距仅在10%以内。试验结果表明，不同于热拌沥青混合料，泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性对沥青标号并不敏感，在混合料条件都相同的情况下，仅改变沥青标号则不能显著提高混合料高温性能。其原因主要是由于水泥和水的加入所致，因为水泥的水化反应与混合料中的细集料结合，减少了沥青胶浆在高温下的流动，并对粗集料起到加筋作用。因此，由沥青胶浆软化导致的失稳变形已不是影响泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的主要原因。

3.2 水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响

通常，为了提高泡沫沥青冷再生混合料的水稳定性和早期强度，会在混合料中加入水泥，且为防止混合料早期开裂，水泥剂量一般较小。不同水泥剂量对泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响同样可通过车辙试验予以确定。

试验时，沥青采用90#，水泥掺量分别采用外掺0%、0.5%、1%、1.5%和2%，其余试验条件与3.1节一致，成型不同水泥掺量的车辙试件。采用2.4节所述养生方法养生试件，养生结束后进行60 ℃车辙试验，试验结果如图6所示。

由图6可知，不掺加水泥的泡沫沥青冷再生试件在车辙试验后产生了很大的变形，添加0.5%的水泥后，其高温稳定性得到显著提高，变形显著减小；随着水泥剂量的不断增加，试件车辙深度不断减小，动稳定度也不断增加。试验结果表明，不掺加水泥，仅以泡沫沥青来稳定混合料则混合料高温稳定性极差。由于冷再生混合料细集料较多，故在混合料拌和过程中，通过少量泡沫沥青裹覆细集料对粗集料进行“点焊”，而60 ℃的车辙试验温度已超过沥青软化点，在高温下，这种单纯“点焊”的沥青胶浆会迅速流动，最终导致混合料产生失稳型车辙；掺加了水泥后，冷再生混合料在高温下的流动变形迅速减小，且随着水泥剂量的增加，其变形不断减小，所表现出来的抗车辙能力就越好。因此，为了保证泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性，并兼顾其防开裂，配合比设计时应掺加少量水泥。

图6 不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料的车辙试验结果

3.3 泡沫沥青用量对泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响

对于普通热拌沥青混合料，沥青胶浆均匀裹覆在集料表面并将不同的粗集料粘结，其高温稳定性随着沥青用量的变化而变化，并存在一个最佳沥青用量，在最佳沥青用量下，混合料具有相对较好的高温稳定性。而对于泡沫沥青冷再生混合料，其属于旧料、新料、水、水泥、泡沫沥青的多相体系，泡沫沥青通过特殊的“点焊”方式稳定混合料，同时水泥和水的掺加也会影响其高温稳定性。因此，泡沫沥青用量的变化对冷再生混合料高温稳定性的影响需要进行试验研究。

试验时，沥青采用90#，泡沫沥青用量采用0%、1.5%、3%和4%，其余条件与3.1节一致，成型不同泡沫沥青用量的车辙试件。采用2.4节所述养生方法养生试件，养生结束后进行60 ℃车辙试验，试验结果如图7所示。

由图7可知，在泡沫沥青用量为0的情况下，冷再生混合料具有较高的动稳定度和较小的车辙深度，且高温稳定性最好。此时由于混合料中没有泡沫沥青，仅掺加水泥和水，因此混合料性能偏向低剂量水泥稳定材料，且混合料内摩擦角相对较大，不受环境温度的影响，具有较好的抗车辙性能；但由于其仅掺加低剂量水泥，缺少胶结料，导致混合料粘聚力不足，容易导致表面松散，抗水损害能力较差。加入泡沫沥青后，混合料高温性能有所降低，并随着泡沫沥青用量的增加而逐步降低，表明随着泡沫沥青用量的增多，不利于冷再生混合料的高温稳定性。因此，进行冷再生混合料设计时，为了保证其高温稳定性，应避免采用过多的泡沫沥青。

图7 不同泡沫沥青用量冷再生混合料的车辙试验结果

3.4 养生时间对泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响

热拌沥青混合料路面铺筑完成待温度降至常温即可开放交通，而泡沫沥青冷再生混合料由于水泥和水的加入，需经过一段时间养生才能开放交通。现行JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》中规定，进行配合比设计时，需将试样连同试模一起侧放在60 ℃鼓风烘箱中养生至恒重，养生时间一般不少于40 h。但是，在自然环境下，很难达到60 ℃的条件，且在60 ℃高温下沥青容易软化。因此，室内试验通常采用在40 ℃下养生72 h以上，其既符合自然条件且又不会造成沥青软化。同时，该规范还规定若在开放交通条件下进行养生，则应在完成压实至少24 h后才能开放交通，这就对泡沫沥青冷再生混合料早期强度提出了更高要求。因此，养生时间对泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响也有必要进行试验研究。

试验时，沥青采用90#，其余试验条件与3.1节一样，成型车辙试件后，将试件置于40 ℃鼓风烘箱中分别养生12、24、48、72和96 h。试件养生完毕后，分别进行60 ℃车辙试验。试验完成后，对车辙试件取样测其含水率，试验结果如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出，养生12 h的混合料，试验后其含水率达到1.723%，水泥水化未完全反应，水分存留较多，导致混合料变形较大，高温稳定性不好；养生超过24h后，混合料含水率明显减少，动稳定度逐渐增大，车辙深度逐渐减小，其高温稳定性不断提高；超过72 h后，混合料高温稳定性提高幅度有所减缓。因此，为保证泡沫沥青冷再生混合料中水泥充分反应并形成足够的强度，泡沫沥青冷再生混合料必须在一定温度下养生一段时间，紧急情况下也至少应保证养生24 h，否则混合料会因早期强度不足而产生大量变形。

图8 不同养生条件下泡沫沥青冷再生混合料的车辙试验结果

图9 不同养生条件下混合料试验后含水率

4 结论

本文对泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性的影响因素进行了试验分析和研究，得到以下结论：

1) 在最佳发泡条件下，采用低标号沥青能够提高泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性，但提高效果并不显著。

2) 为了保证泡沫沥青冷再生混合料具有良好的高温稳定性，必须掺加一定的水泥，且掺量最好在1.0%以上；但为了避免开裂，应限制水泥剂量的上限。

3) 泡沫沥青冷再生混合料高温稳定性随着泡沫沥青用量的增加而降低，在确定最佳泡沫沥青用量时，应同时考虑其高温稳定性和抗松散性、水稳定性。

4) 为保证泡沫沥青冷再生混合料的使用性能，在开放交通或铺筑中上面层前，应保证足够的养生时间。

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Study on High Temperature Stability of Cold Recycled Foamed Asphalt Mixture

ZHANG Hang1,2,HU Jianxin1,LIU Dayang1

In this paper,60 ℃ rutting test is carried out to analyze influence to high temperature performance of cold recycled asphalt mixture by asphalt grade,cement content,foamed asphalt dosage and curing time. Based on sample study,it was concluded that using low grade asphalt,increasing cement content,prolonging the curing time can improve the high temperature stability of the foamed asphalt cold recycled mixture; increasing the amount of foamed asphalt will reduce the high temperature stability of the foamed asphalt cold recycled mixture.

road project; foamed asphalt; cold recycled mixture; high temperature stability; dynamic stability

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.005

浙江省交通运输厅科技项目(2014H26)

2016-08-29

张 航(1990-)，男，陕西省铜川市人，博士研究生，助工。

1009-6477(2016)06-0017-06

U416.217

A