泡沫沥青冷再生混合料路用性能综合评价

陈 谦，宋 亮，王 帅，问鹏辉

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006)

0 引 言

泡沫沥青冷再生工艺[1]是先将旧沥青面层铣刨破碎后与一定量新集料混合，再将泡沫沥青喷入其中，之后经过拌和、碾压成型，是一种节能环保的先进道路施工工艺[2]。近年来，许多学者致力于泡沫沥青冷再生混合料的研发和性能改善[3-4]。M.IWASKI等[5]和李志刚等[6]分别系统研究了湿度及低温影响下不同浓度泡沫沥青对冷再生道路基层力学性能的影响；H.I.L.JIMÉNEZ等[7]采用力学-经验法研究了泡沫沥青冷再生机场路面设计方法，同时分析了采用泡沫沥青的冷再生混合料刚度及抗疲劳特性；徐金枝等[8]研究了泡沫沥青及水泥等黏结料对泡沫沥青冷再生混合料高低温性能及抗松散性能的影响；邓海滨等[9]分析了泡沫沥青冷再生路面车辙产生机理，并通过添加外加剂方式提升了冷再生混合料的动稳定度；ZHANG Zhiqing等[10]通过研究发现：泡沫沥青冷再生混合料具备高模量、温缩小及水稳定性好等优点，能有效降低路面早期裂缝发生。综上所述，学者们前期的研究较多集中于泡沫沥青冷再生混合料相关性能改善，但对泡沫沥青冷再生混合料综合路用性能系统评价及如何确定泡沫沥青冷再生混合料中泡沫沥青的最佳含量等问题的研究还不够深入全面，限制了泡沫沥青冷再生混合料发展及推广应用。

为进一步系统化、科学化评价泡沫沥青冷再生混合料路用性能，笔者基于最佳发泡条件及含水率，对比分析了不同泡沫沥青含量下泡沫沥青冷再生混合料的各项路用性能指标，建立了基于功效系数法的泡沫沥青冷再生混合料性能评价模型，系统研究了泡沫沥青冷再生混合料路用性能，并确定了泡沫沥青冷再生混合料中泡沫沥青最佳含量。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

再生沥青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)采用连霍高速G30新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程面层铣刨料，泡沫沥青为乌奎段沥青拌合站所采用韩国SK AH-90#基质沥青制备的泡沫沥青，水泥选用天山P·C32.5硅酸盐水泥，新集料为优质玄武岩，原材料各项技术指标见表1。根据级配设计范围，向RAP料中加入细集料和矿粉，并对其进行筛分，确定各料掺配比例和合成级配，如表2。

1.2 发泡条件

采用WLB10发泡试验机，对沥青进行不同温度(145～165 ℃)、不同发泡用水量(2.5%～3.5%)条件下的发泡特性试验，如图1。

图1 发泡特性试验结果

由图1可知：除了在发泡温度为145 ℃、发泡用水量2.5%时，其它条件下该沥青发泡特性都满足现行规范所规定的泡沫沥青最低发泡标准[11]，即膨胀率大于10倍，半衰期大于8 s。在3种不同温度下，当发泡用水量为3%时即可获得较好发泡效果，其膨胀率均在20倍以上，半衰期均不低于16 s。当发泡温度为155 ℃时，各个指标值比较均衡。据此确定本研究中沥青发泡条件为：发泡温度155 ℃，发泡用水量3.0%。

1.3 水泥掺量及最佳含水率

水泥作为添加剂，其掺量会直接影响泡沫沥青冷再生混合料强度。基于前期研究，泡沫沥青掺量暂定为3.0%[12]，采用上述最佳发泡条件，以劈裂强度为主要评价指标[13]，系统分析了不同水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料力学性能影响，如图2。

图2 水泥掺量对混合料强度的影响

由图2可知：随着水泥掺量逐渐增大，混合料干、湿劈裂强度均随之逐渐增大，当水泥掺量达到2.0%后，劈裂强度增幅减缓；而干湿劈裂强度比变化幅度较小，掺量提升至2.0%和2.5%后，干湿劈裂强度比分别增加了1.013%和1.014%。此外，考虑到虽然水泥掺量较大时能增强混合料颗粒间的黏结，可更好提升混合料力学强度，但过多的水泥会导致混合料脆性增加。因此笔者将水泥掺量设定为2.0%。

在此基础上，将RAP、细集料、矿粉、水泥按所设计比例混合并成型试件，通过重型击实试验确定混合料的最佳含水率为6.8%，如图3。

图3 最佳含水率

1.4 路用性能测试方法

根据规范[14]，测试泡沫沥青冷再生混合料高温、低温、水稳、抗疲劳等路用性能。① 高温性能：采用动稳定度(60 ℃)来表征其高温抗车辙能力；值得注意的是，本研究中水泥的主要作用为活性添加剂，且掺量较小，因此采用动稳定度评价泡沫沥青冷再生混合料高温性能还是较为合适的；② 低温性能：采用劈裂强度来表征其低温抗裂性能；③ 水稳性能：采用马歇尔试件的残留稳定度和冻融劈裂强度比(TSR)双指标来评定；④ 抗疲劳性能：评价指标为疲劳寿命，采用四点弯曲疲劳寿命试验，试验温度为15 ℃，应力比取0.5。

2 结果与讨论

2.1 路用性能

将2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 wt%等5个泡沫沥青含量命名为方案A1～A5，并制备泡沫沥青冷再生混合料。通过测试这5种不同方案泡沫沥青冷再生混合料的高温、低温、水稳、抗疲劳性能，对其路用性能进行系统研究和评价，如图4。

图4 不同方案的路用性能

由图4可知：随着泡沫沥青用量增加，不同方案泡沫沥青冷再生混合料的各项路用性能变化规律虽存在一定差异，但均呈现先增高后降低趋势，这同普通沥青混合料与沥青含量变化规律相吻合，均是由于沥青含量增加，集料与沥青接触面积增大，混合料黏聚力明显增强，各项路用性能随之提升；而随着沥青用量再次增加，自由沥青增多，有效沥青相应减少，反而降低了混合料黏聚力，各项路用性能随之不断下降。其中：混合料高温、低温、水稳、抗疲劳性能相对应的泡沫沥青最佳含量分别为2.5%、2.5%、2.5%、3.0%、3.0%、3.0%，其数值各异。同时各项路用性能指标值较为接近，无法直观对比分析。

基于此，针对不同路用性能对应最佳泡沫沥青用量各异问题，为确定泡沫沥青最佳用量，引入功效系数法，对不同泡沫沥青冷再生混合料设计方案进行多指标综合评价和科学决策。

2.2 综合评价

基于上述研究，笔者利用功效系数法[15]构建起5方案6指标的功效系数评价体系，并对泡沫沥青冷再生混合料路用性能进行综合评价。

2.2.1 数据标准化处理

在对各项评价指标分析基础上，确定评价指标满意值(Xhi)和不允许值(Xsi)[16]。满意值通常选择评价标准最优限值；不允许值通常选择评价标准最不利限值，见表3。

表3 评价指标标准化处理

2.2.2 单项功效系数计算

评价指标主要包括2种变量：极大型和极小型，其单项功效系数的确定方法分别见式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：d1i为第i个极大型评价指标的单项功效系数；Xi为第i个评价指标的实际值；Xhi为第i个评价指标的满意值；Xsi为第i个评价指标的不允许值；d2i为第i个极小型评价指标的单项功效系数。

根据式(1)、(2)，计算各项评价指标的单项功效系数如图5。

图5 各项评价指标的单项功效系数

2.2.3 各项指标权重确定

单项功效系数确定后，根据各评价指标重要程度，采用变异系数法对各项指标进行赋权[17]；相比于目前专家打分等主观赋权方法，该方法较为客观合理。根据式(3)计算第i项评价指标变异系数νi。

(3)

根据式(4)计算第i项评价指标权重ωi。

(4)

根据式(3)、(4)，计算各项评价指标权重，如表4。

表4 各项指标权重

2.2.4 总功效系数计算

总功效系数Di可根据式(5)计算，得到不同方案基本性能总功效系数，见图6。

图6 综合性能总功效系数

(5)

图6为不同泡沫沥青冷再生混合料设计方案综合性能的总功效系数。其排序为：A3>A2>A4>A1>A5，A3的总功效系数最高，说明A3方案的综合路用性能更优。在实际试验过程中，3.0%含量的泡沫沥青冷再生混合料具有优良的高、低温性能，特别是抗疲劳性能尤为突出，这一结论与评价体系得出结论一致，表明泡沫沥青冷再生混合料路用性能预测结果较好地反映了实际情况。同时，通过进行大型足尺试验(200 cm×200 cm×5 cm)，经测试其各项路用性能良好，进一步验证了泡沫沥青冷再生混合料路用性能综合评价体系的可靠性。

3 结 论

1)沥青最佳发泡条件为：发泡温度155 ℃，发泡用水量3.0%；最佳含水率为6.8%；在水泥剂量为2%条件下，泡沫沥青含量为2.5%～3.0%时，混合料各项路用性能相对较好。

2)基于功效系数法，建立了泡沫沥青冷再生混合料路用性能综合评价体系，5种方案总功效系数值大小顺序为A3>A2>A4>A1>A5；即泡沫沥青最佳含量为3.0%时，泡沫沥青冷再生混合料综合路用性能最好。

3)将功效系数法用于泡沫沥青冷再生混合料路用性能综合评价的尝试尚处于初步阶段，存在某些问题有待进一步研究解决，例如：如何构建多变量多指标评价体系，从而解决不同变量、水平下的性能综合评价。

4)本研究中路用性能还局限在常规基础指标评价，在今后研究中，建议引入泡沫沥青及混合料流变性能、微观特征等方面指标，使路用性能综合评价更为系统化。