半温拌泡沫沥青混合料水稳定性及压实特性研究

臧芝树， 赵宾， 申爱琴 编译

(1.中国公路工程咨询集团有限公司， 北京市 100097； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室)

半温拌泡沫沥青技术是在温拌沥青混合料基础上发展起来的一种拌和温度低于100 ℃的施工技术，具有环保节能，降低沥青老化及显著延长施工季节等优点，由于该技术在降低施工温度达40～60 ℃的基础上，仍能保持较为良好的路用性能，故成为道路工程前沿领域的关注热点。但较低的拌和温度使水分无法挥发，影响沥青与集料的裹覆能力，降低混合料的黏附能力，使水稳定性能下降，因此如何保证半温拌沥青混合料的水稳定性能是重中之重。

目前在水稳定性能的提高上，一般采取发泡技术或者添加由费托技术合成的蜡(简称费托蜡，FT wax)等措施，而掺加FT是在沥青发泡前，通过改善沥青的流变性质，从而达到促进沥青发泡性能的目的。Marek Iwan′ski等进行了费托蜡改善沥青发泡性能的相关研究，得出FT的添加可以显著改善泡沫沥青的发泡性能；Silva HMRD等发现费托蜡FT在拌和温度100 ℃以下时增大沥青黏度，而高于100 ℃即减小沥青黏度，可实现沥青混合料更低环境下的拌和施工。总之，国内外关于半温拌泡沫沥青技术的研究较少，因此十分有必要对该技术的水稳定性能展开研究。

该文借助自主设计的试验环境，重点研究掺FT的半温拌泡沫沥青混合料的压实特性及水稳定性能。同时利用统计分析，探究不同沥青混合料对评价指标的显著性程度，并建立压实特性与水稳定性能之间的联系，为半温拌泡沫技术提供理论基础和实践经验。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

此次试验研究采用50/70号沥青，温拌剂选择费托蜡(FT wax)，剂量是沥青质量的2.5%，添加FT前后沥青的技术要求及检测结果见表1，均满足规范要求。粗集料采用辉长岩，细集料及矿粉选用石灰岩，为制备表面磨耗层AC-8沥青混合料，各集料的配比为(4～8 mm)∶(2～5 mm)∶(0～2 mm)∶矿粉=40%∶16%∶37%∶7%，级配曲线见图1，沥青用量为5.8%。

表1 添加FT降黏剂前后沥青的技术要求及检测结果

图1 AC-8沥青混合料级配设计曲线

1.2 试验方案

为评价半温拌泡沫沥青混合料的压实特性及水敏感性能，首先进行不同类型试件的制备：在140 ℃击实温度下成型热拌沥青混合料HMA(简称A混合料)，在95 ℃击实温度下分别成型未添加FT、添加2.5%FT的温拌泡沫沥青混合料HFWMA(简称B混合料)、HFWMA(简称C混合料)。主要测试方法如下：

(1) 沥青发泡性能

分别对50/70号及2.5%FT+50/70的沥青进行发泡试验，在140 ℃试验温度下，发泡用水量采用1.5%～4.0%，间隔0.5%，以膨胀率和半衰期为评价指标，选取二者均较高时的发泡用水量作为最佳发泡用水量。

对添加2.5%FT前后的50/70号沥青进行发泡试验，其试验结果如图2所示。

图2 沥青发泡性能曲线

从图2可以看出：随着发泡用水量的增加，两种类型沥青的膨胀率呈线性增加，半衰期线性减小，拟合精度均达到95%，其中，添加FT温拌剂后，相较于普通基质沥青而言，膨胀率和半衰期均有较大幅度的提高。以膨胀率和半衰期均较大为原则选择沥青的最佳发泡用水量，最终确定添加2.5%FT前后的沥青最佳发泡用水量分别为2.5%和2.0%，膨胀率为11倍和18倍，半衰期为10 s和18 s。

(2) 压实特性

针对不同类型的混合料(A、B和C)，采用马歇尔试验方法，改变不同的击实次数(双面击实35次、50次和75次)分别成型9个马歇尔平行试件，测试对应试件的空隙率，以此研究半温拌泡沫沥青混合料的压实特性。

(3) 水敏感性能

采用间接抗拉强度试验，选用干、湿劈裂强度(ITSd、ITSw)及干湿劈裂强度比(ITSR)作为评价指标，评价半温拌泡沫沥青混合料的水敏感性能。考虑到当地严峻的降雨及水损害等特点，设计两种试验环境，如表2所示，分别测试ITSd、ITSw(A)、ITSw(B)(单位：kPa)，最终可得到不同试验环境下半温拌泡沫沥青混合料的干湿劈裂强度比——ITSR(单位：%)。

最后，借助单因素方差分析及Duncan多重比较检验，得到添加温拌剂FT前后影响空隙率Vm、ITSd、ITSw(A)、ITSw(B)及ITSR等指标的显著性程度，另外还得到了压实特性与水稳定性能的关系方程。

2 结果及讨论

2.1 空隙率结果分析

改变击实次数，根据马歇尔试验方法制备试件，测试不同混合料的空隙率，试验结果如图3、4所示。

通过对图3中3种沥青混合料(A、B和C)的空隙率比较可以看出：3种沥青混合料的空隙率均满足规范要求，在2%～4%范围内，其中混合料B的空隙率最大，而混合料A与C的空隙率相当，仅相差0.2%。造成该现象的主要原因是，添加费托合成蜡FT之后，降低了沥青的黏度，增强了沥青与集料的裹覆能力，从而提高了混合料的压实度，使得在降低压实温度的同时空隙率并未大幅度提升。

表2 水敏感性试验方案设计

图3 3种沥青混合料的空隙率比较

图4 3种混合料空隙率Vm随击实次数的变化

图4为半温拌泡沫沥青混合料空隙率Vm随击实次数的变化规律。由图4可知：① 随着击实次数的增加，空隙率呈下降趋势，当击实次数从35次增加到50次时，3种混合料空隙率下降较快，一旦超过50次后，下降速度放缓，由此说明HWMA与HMA的压实特性相似，均是由击实次数增加从而提高混合料密实度所致；② 未添加温拌剂FT的混合料B在不同击实次数下的空隙率明显大于A和C，且添加FT的HWMA与HMA空隙率大致相同。该现象表明：在未掺入温拌剂FT时，仅通过发泡技术实现半温拌目的效果不佳，一旦添加温拌剂FT后，可达到与HMA相似的压实特性。

对A、B和C这3组马歇尔试件(每组9个试件)的空隙率Vm进行统计分析，结果如表3～5所示。

表3为不同种类(每种9个平行试件)混合料空隙率Vm的描述性统计结果，3种混合料的空隙率极差差异在0.2%～0.3%波动，混合料C的方差和变异系数最大，表明空隙率差异明显。表4、5表明了3种混合料之间存在显著性差异，但混合料A和C之间的P值0.101 15>显著性水平α=0.05下其他任两种混合料之间的P值(即表5中带“*”号数据)，由此说明，HWMA+2.5%FT与普通HMA的空隙率之间不存在差异，即添加2.5%FT的半温拌泡沫沥青混合料在降低45 ℃施工温度下，能达到与普通热拌沥青混合料同样的压实特性。

表3 不同类型混合料空隙率Vm的描述统计量

表4 不同类型混合料空隙率Vm单因素方差分析

表5 不同类型混合料空隙率Vm的Duncan多重比较检验结果

注：① *为在水平α=0.05条件下，两种类型混合料之间有显著性差异；②M为空隙率Vm均值。

2.2 ITS结果分析

在显著降低拌和温度的同时，极易导致半温拌泡沫沥青混合料压实度降低，影响其水稳定性能，因此采用间接抗拉强度试验评价半温拌泡沫沥青混合料的水敏感性能，并对不同类型混合料间接抗拉强度进行统计分析，结果见表6、图5。

表6 不同类型混合料间接抗拉强度——ITS描述统计量

图5 AC-8沥青混合料干湿劈裂强度比ITSR

由表6干、湿劈裂强度描述性统计分析可知：① 3种类型混合料的干劈裂强度ITSd变化范围为750～1 200 kPa，湿环境A下的劈裂强度ITSw(A)变化范围为650～1 150 kPa，湿环境B下的劈裂强度ITSw(B)变化范围为700～1 200 kPa，整体变异性不大，均小于10%；②ITSd、ITSw(A)、ITSw(B)等指标从大到小依次为：C、A和B，其中添加FT的HFWMA相关劈裂强度指标值最高，未添加温拌剂FT的HFWMA各劈裂强度值最低，表明温拌剂FT在提高劈裂强度上有显著作用。

由图5可知：除了混合料B的ITSw(A)(86%)小于90%以外，其他混合料均满足规范对于水稳定性的要求，其中，对于3种混合料而言，经过湿环境B的ITSRw(B)>ITSRw(A)，高10%左右，主要是环境B的温差78 ℃(-18 ℃→60 ℃)较大，相比于环境A更恶劣，从而使得水稳定性能下降。

判别混合料之间的显著性结果见表7、8。

由表7、8可知：不同混合料类型对劈裂强度指标ITSd、ITSw(A)和ITSw(B)均存在显著性影响(P值<0.05)，但表8中混合料类型关于ITSw(B)指标的影响中，混合料A和C的P值(0.679 052)>显著性水平α=0.5下任意两种混合料之间的P值(即表8中带“*”号数据)，表明添加2.5%FT的HFWMA在降低压实温度45 ℃下，湿环境B下的劈裂强度与普通热拌HMA无差异，即可达到普通热拌混合料的水平，主要是因为FT的使用在提高沥青发泡性能的基础上，降低了沥青针入度，提高了软化点，使混合料的黏聚力及抗永久变形能力增强所致。

表7 不同类型混合料各种间接抗拉强度ITS单因素方差分析

表8 不同类型混合料各种间接抗拉强度ITS Duncan多重比较检验结果

注：*为在水平α=0.05条件下，两种类型混合料之间有显著性差异；M为ITS均值。

3 水稳定性能与压实特性相关性分析

通过上述对半温拌泡沫沥青混合料的压实特性及水稳定性能研究后发现，添加2.5%FT的HFWMA压实特性及水稳定性能可达到普通热拌混合料的水平，均满足规范要求。另外，压实度不足，空隙率偏大，会导致水稳定性能降低，提高压实特性，一定程度上可改善混合料的水敏感性能，因此，十分有必要探求半温拌泡沫沥青混合料水稳定性与压实特性二者之间的关系。针对3种混合料A、B和C，双面击实35次制备马歇尔试件，测试相应的空隙率及干湿劈裂强度[ITSd、ITSw(A)和ITSw(B)]，进行线性拟合，并得到对应的回归方程，具体结果如图6～8所示。

从图6～8可以看出：空隙率与间接抗拉强度之间存在着负相关关系，空隙率变大时，干湿间接抗拉强度ITS均呈现降低趋势，使得水稳定性能不足，造成该现象的主要原因是空隙率较大时压实度不足，导致水分进入试件内部，在冻融循环和荷载的双重作用下，加速沥青从集料表面剥落，造成水稳定性能下降，反之亦然。最后通过线性回归，得到了水稳定性能与压实特性空隙率之间的关系方程，从拟合效果来看，R2达到0.7以上，两者具有良好的线性关系，可为半温拌泡沫沥青混合料的水稳定性能研究提供一定的理论基础。

图6 AC-8混合料空隙率Vm-ITSd关系

图7 AC-8混合料空隙率Vm-ITSw(A)关系

4 结论

(1) 添加费托合成蜡FT，可改变沥青的流变性质，如针入度降低，软化点提高，使得沥青混合料的抗永久变形能力增强；改善泡沫沥青的发泡性能，使得膨胀率和半衰期显著提高。

图8 AC-8混合料空隙率Vm-ITSw(B)关系

(2) 对于未使用温拌剂的混合料而言，半温拌泡沫沥青混合料通过添加一定量的FT在一定程度上可改善其压实特性及水稳定性能，主要原因就是FT的使用降低了沥青的黏度和提高了发泡性能，从而改善了工作和易性，使得空隙率下降，压实度得到显著提升。

(3) 在降低施工温度45 ℃的条件下，仅通过发泡技术实现半温拌水平效果不佳，可通过添加2.5%FT使半温拌泡沫沥青混合料的压实特性及水稳定性能等达到普通热拌HMA的要求。

(4) 建立了半温拌泡沫沥青混合料水稳定性能与压实特性空隙率之间的关系方程，两者具有良好的线性关系。