泡沫沥青冷再生混合料材料设计及其抗车辙性能评价

易红晟

摘要：为研究如何合理利用沥青路面回收材料，通过一系列室内试验设计了泡沫沥青冷再生混合料并评价了其路用性能（抗车辙性能）。混合料设计阶段确定了最佳发泡条件：发泡温度为150～155 ℃，发泡用水量为3%，膨胀比为16，半衰期为9 s，最佳沥青用量为2.8%，混合料最佳含水量为3.81%。车辙试验数据显示：当空隙率为4.3%时车辙深度为1.63 mm，空隙率为5.0%时车辙深度为2.43 mm，空隙率为6.1%时车辙深度为3.45 mm，即随混合料空隙率的增大，车辙深度逐渐增加且增加趋势显著，表明混合料抗车辙性能逐渐减弱，因此建议泡沫沥青冷再生混合料空隙率设计不超过50%，且泡沫沥青冷再生混合料适用于沥青面层结构中的中下面层使用，不适用于上面层使用。研究结果为泡沫沥青冷再生混合料进行路段试验提供了理论参考。

关键词：路基工程；沥青混合料；泡沫沥青；冷再生；抗车辙性能

中图分类号：U416.2文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01012

Design of foamed asphalt cold recycled mixture material and

evaluation of its antirutting performance

YI Hongsheng

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Guang Dong Company Limited， Foshan， Guangdong 528200， China）

Abstract：In order to reasonably use the asphalt pavement recycling materials， this article would use a series of indoor experiment to design the cold recycled mixture of foam asphalt and evaluate its performance of rutting resistance. The best mix ratio and optimum foaming condition are determined as： foaming temperature： 150～155 ℃； optimum foaming water dosage： 3%； expansion ratio： 16； halflife： 9 s； optimum asphalt content： 2.8%； optimum water content： 3.81%. After conducting rutting test on the specimen， the results show that when the void fraction increases from 4.3%， 5.0% to 6.1%， the rut depth also deepens from 1.63 mm， 2.43 mm to 3.45 mm. It indicates that the increase of void fraction， and the gradual increase of rut depth with obvious increasing tendency would result in the reduction of rutting resistance， so the void fraction is suggested to be less than 50% in the design of foam asphalt cold recycled mixture. Based on the analysis of rutting test， this article suggests that the cold recycled mixture of foam asphalt should apply to the middle and lower layers of asphalt surface but not the upper layer. The study results provide theoritical reference for experiment on road of the cold recycled mixture of foam asphalt.

Keywords：subgrade engineering； asphalt mixture； foam asphalt； cold regeneration； rutting resistance performance

中国高速公路普遍采用沥青路面。随着大量新建沥青路面的运营，后期的养护出现越来越多的问题。近年来，旧路面翻修改造项目越来越多，国内外研究学者越来越关注旧沥青路面材料的回收循环再利用，其中泡沫沥青冷再生技术是研究的热门之一。泡沫沥青冷再生混合料是由泡沫沥青（热沥青）、水泥、新集料、回收集料、水等材料在常温下拌合均匀而生成的一种新的復合材料。由于各种材料物理、化学性质差异较大，混合料力学性能的稳定性难以控制（水泥和沥青是两种截然不同的黏结剂，一刚一柔），因此泡沫沥青冷再生混合料的设计与性能评价一直是研究重点[15]。

国内外研究学者发现，为保证沥青混合料的内部黏结性能，形成一个内部稳定的混合料，就要首先保证混合料内部形成丰富的沥青胶浆，依靠这些沥青胶浆将粗集料裹覆起来。形成沥青胶浆一方面在于泡沫沥青的用量，一方面在于细集料用量，即0075 mm以下的细集料的含量。总结发现，现有国内外泡沫沥青冷再生技术规范对0.075 mm细集料通过率的要求都很高，即泡沫沥青冷拌混合料的设计需要足够的细集料和沥青胶浆以保证与粗集料裹覆的均匀性。王宏等研究发现泡沫沥青冷再生混合料养生的温度和含水量对其最终的力学强度有很大影响。HARVEY等[3]研究得出，随着使用时间、环境温度、交通荷载量的循环作用，泡沫沥青冷再生混合料中的含水量逐渐损失，但其强度逐渐增大。然而泡沫沥青混合料冷再生的设计方法及路用性能评价等一系列问题一直没有得到有效的解决。基于此，本文根据以上国内外研究现状[617]，进行泡沫沥青冷再生混合料的设计，并对其抗车辙性能进行评价。

1泡沫沥青冷再生混合料的设计与最佳参数确定

1.1沥青发泡试验

泡沫沥青发泡机可以在常温条件下让沥青顺利发泡而产生所需的泡沫沥青。本节拟通过改变不同发泡条件来研究泡沫沥青的发泡性能。

由图1可知，设置145～165 ℃发泡温度区间，曲线中显示膨胀比随着用水量的增加而增大。 在145～160 ℃范围内，膨胀比均满足规范要求。当其发泡温度为165 ℃，用水量低于3%时，膨胀比却小于10，该种发泡设计不符合规范要求；当发泡用水量高于3%时，膨胀比却大于10，该种发泡设计符合规范要求。总结发现，泡沫沥青发泡温度高于160 ℃时对用水量要求较严格，因此要合理并且严格地控制用水量和发泡温度，推荐泡沫沥青发泡温度不超过160 ℃。

由图2可知，当发泡温度在145～165 ℃之间时，半衰期随着用水量的增加而变异性较大。不同温度和不同用水量下半衰期不同：发泡温度为145，155和160 ℃时，半衰期约为7 s，基本满足规范要求；当发泡温度为150 ℃时，半衰期随用水量的增加而变化显著，发泡用水量在2.3%～3.2%范围内时半衰期满足规范值要求；当发泡温度为165 ℃时，半衰期随发泡用水量的增加而同样变化较大，但半衰期却基本满足规范要求。

经综合对比分析膨胀率和半衰期随发泡温度和用水量变化的趋势，最终提出泡沫沥青成型的最佳发泡温度和发泡用水量（以镇海70#沥青为例），见表1。

1.2泡沫沥青混合料配合比设计

通常沥青面层旧料回收后经铣刨处理，铣刨料中细集料含量很少，尤其是0.3 mm以下的细集料极为缺乏。而13.2 mm以上的粗集料部分经过铣刨刀具的破碎作用使得部分被破碎，因此总体偏细一些。沥青铣刨料（以下均简称为RAP） 的级配具有明显的S型特点。本研究在考虑合成级配的过程中综合考虑了各种因素，例如RAP料的综合利用率，通过掺加不同比例的10～20 mm的新集料来适当增加级配中粗集料的含量。结合泡沫沥青冷再生混合料配合比设计的基本原则和规范要求，在此初步设计5种级配，保证了配合比设计种类具有良好的涵盖性，如表2—表3所示。

1.3混合料最佳配比的确定

本研究根据沥青混合料标准试验规程，结合一系列室内试验，包括沥青混合料标准击实试验、沥青混合料劈裂强度试验、沥青混合料马歇尔试验等，通过数据分析，对比5种级配的各项技术指标，最终推荐级配5作为泡沫沥青冷再生混合料的最佳配比，如表4所示，其他具体数据如下。

1）最佳含水量的确定

进行2组平行试验，见图3。

根据图3泡沫沥青冷再生混合料重型击实试验数据显示，随含水量的增大，混合料的干密度先增大后减小，变化曲线呈现抛物线形式，最大干密度对应一个含水量，取两组最大干密度及其对应的含水量均值为级配5混合料设计质量控制指标，其中最大干密度为2.222 g/cm3，最佳含水量为4.76%，根据经验和规范要求，泡沫沥青冷再生混合料的生产最佳拌合用水量为其最佳含水量的80%，因此本次泡沫沥青混合料设计的最佳含水量为3.81%。

2）最佳沥青用量的确定

根据最佳配比5的筛孔通过率配制4组再生混合料，每组20 kg，拌合用水量为3.81%，分别与不同用量（2.0%，2.5%，3.0%和3.5%）的泡沫沥青进行充分拌合制备泡沫沥青混合料，每组混合料成型16个马歇尔试件。试件养生后，分别进行25 ℃干燥劈裂强度试验、25 ℃浸水劈裂强度试验、15 ℃干燥劈裂强度试验、15 ℃浸水劈裂强度试验。图4为不同泡沫沥青用量的劈裂强度曲线图。

通过图4可知：干劈裂强度随泡沫沥青用量的增加而先增大后减小，强度变化曲线整体呈抛物线形状，泡沫沥青用量为2.0%～3.5%，且当泡沫沥青用量为2.8%时，劈裂强度值达到最大，为733 kPa。

湿劈裂强度随泡沫沥青用量的增加而先增大后减小，强度变化曲线整体呈抛物线形状，泡沫沥青用量为2.0%～3.5%，且在泡沫沥青用量为2.9%时，劈裂强度值达到最大，为446 kPa。

干湿劈裂强度比随着泡沫沥青用量增加而变化，呈现横“S”型，无剧烈高低起伏改变，泡沫沥青用量范围为2.0%～3.5%时，干湿劈裂强度比基本维持在60%～70%之间，较稳定。

综合考虑泡沫沥青冷再生混合料的劈裂强度性能以及技术规范的要求，在此用干劈裂强度、湿劈裂强度和干湿劈裂强度比来共同评价泡沫沥青冷再生混合料的强度和水稳定性能，并最终确定本次泡沫沥青冷再生混合料设计中最佳泡沫沥青用量为2.9%。

2泡沫沥青冷再生混合料的抗车辙性能评价

车辙是沥青路面早期病害的主要原因之一，考虑车辙对沥青路面使用性能的影响，进行了泡沫沥青冷再生混合料的抗车轍性能的研究。对配比5混合料试件进行车辙试验评价，评价指标为车辙深度（CPN）。试验设备是多轮旋转加载轮辙仪，试验设备及试验方法不再赘述。

根据表5中不同空隙率试件的CPN值绘制均值柱状图如图5所示，可知：1）空隙率相近的试件车辙深度差别不大；2）随着平均空隙率的增加，泡沫沥青冷再生混合料的平均车辙深度逐渐增大，即空隙率越大其抗车辙能力越差，空隙率由4.3%增加到50%时车辙深度增加近50%，空隙率由5.0%增加到6.1%时车辙深度增加约33%。故建议其空隙率不超过50%。

3结论

1）通过室内试验研究，提出泡沫沥青最佳发泡条件为150～155 ℃，用水量为3%，膨胀比为16，半衰期为9 s。

2）提出本次泡沫沥青冷再生混合料设计的最佳配比、最佳沥青用量、最佳拌合用水量。

3）泡沫沥青冷再生混合料空隙率越大其抗车辙性能越差，建议设计时其空隙率不超过50%。本文推荐级配5的泡沫沥青冷再生混合料适用于沥青面层结构中的中下面层使用，不适用于上面层使用。

4）本文创新点在于确定了泡沫沥青的最佳发泡条件，提出冷再生混合料最佳配合比、最佳沥青用量、最佳拌合用水量，并对成型的混合料试件进行抗车辙性能评价，不足之处在于未能进行试验路段跟踪观测，后续研究将重点关注泡沫沥青冷再生混合料试验路段的路用性能。

参考文献/References：

[1]王宏，刘锋.不同成型方式泡沫沥青冷再生混合料细微观结构性能研究[J].公路交通科技，2016，33（2）：1927.

WANG Hong， LIU Feng. Research of microstructure performance of foamed asphalt cold recycled mixture in different compaction methods [J]. Highway Traffic Technology， 2016，33（2）：1927.

[2]王宏.养生温度对冷再生混合料路用性能及泡沫沥青分散性状的影响[J].公路，2016，61（4）：226232.

WANG Hong. Effects of health temperature on the properties of mixed materials for cold regeneration and dispersion of foam bitumen [J]. Highway， 2016，61（4）：226232.

[3]HARVEY J T， TSAI B W. Effects of asphalt content and air void content on mix fatigue and stiffness [J]. Transportation Research Record， 1996（1543）： 3845.

[4]CROUCH L K， COPELAND A R， WALKER C T， et al. Determining air void content of compacted hotmix asphalt mixtures [J]. Transportation Research Record， 2002（1813）：3946.

[5]HAININ M R. Relationships Between Air Voids， Lift Thickness， and Permeability of Hot Mix Asphalt （HMA） Mixtures [D]. Alabama： Auburn University， 2004.

[6]MASAD E， CASTELBLANCO A， BIRGISSON B. Effects of air void size distribution， pore pressure，and bnd energy on moisture damage [J]. Journal of Testing and Evaluation， 2006， 34（1）：JTE13112.

[7] JTJ 052—2000，公路工程瀝青及沥青混合料试验规程 [S].

[8]史艺红.RAP温度对泡沫沥青冷再生混合料性能的影响[J].中外公路，2016，36（5）：288293.

SHI Yihong.The influence of RAP temperature on the properties of foam bituminous mixed material [J]. Chinese and Foreign Highways， 2016，36（5）：288293.

[9]严超君.RAP温度对泡沫沥青冷再生配合比设计及路用性能的影响[J].公路工程，2016，41（3）：125131.

YAN Chaojun. The influence of RAP temperature on mix design and road performance of foamed bitumen cold recycled mixture [J]. Highway Engineering， 2016，41（3）：125131.

[10]LUCASJAN E M S. Characteristation of Material Poropties and Behaveiour of Cold Bitumeious Mixtures for Road Pavements[D].[S.l.]：South Africa Stellenbosch Universtity， 2008.

[11]徐金枝，崔文社.郝培文，等.泡沫沥青厂拌冷再生技术在高速公路中的应用[J].武汉理工大学学报，2006，28（9）：5255.

XU Jinzhi， CUI Wenshe， HAO Peiwen， et al. Application of cold inplant recycling with foamed asphalt in expressway [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2006， 28（9）：5255.

[12]刘胜全，汪玉霜，王尧.泡沫沥青冷再生混合料断级配设计[J].公路，2016，61（7）：250254.

[13]李秀君.泡沫沥青冷再生混合料抗剪性能的试验研究[J].建筑材料学报，2010，13（1）：2731.

LI Xiujun. Experimental study on shearing properties of coldrecycled mixtures using foamed asphalt [J]. Journal of Building Materials， 2010， 13 （1） ： 2731.

[14]周拨云，王继伟，牛彬.大体积混凝土裂缝的成因及控制[J].河北工业科技，2013，30（2）：100103.

ZHOU Boyun， WANG Jiwei， NIU Bin. Causes of mass concrete crack and the control method [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2013，30（2）：100103.

[15]彭惠芬，夏晔，王鹏，等.复合材料层合结构层间应力分析[J].河北工业科技，2015，32（2）：139142.

PENG Huifen，XIA Ye， WANG Peng， et al. Interlaminar stress analysis of composite laminated structure [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2015， 32 （2） ： 139142.

[16]李素娟，马卫华.玄武岩纤维约束预压混凝土的应力应变模型[J]. 河北科技大学学报，2012，33（2）：175178.

LI Sujuan， MA Weihua.Stressstrain model for BFRPconfined preloaded concrete [J]. Journal of Hebei University of Science and Technology， 2012，33（2）：175178.

[17]魏炜. 部分预应力混凝土受弯构件开裂截面应力计算[J]. 河北科技大学学报，2012，33（6）：559563.

WEI Wei. Stress calculation of cracking section of partially prestressed concrete bending member [J]. Journal of Hebei University of Science and Technology， 2013， 33（6）：559563.