高速公路泡沫温拌沥青混合料高温性能评价

李宁，李包，陈晨，尹龙，詹贺

（1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏 南京 211106）

0 引 言

泡沫温拌沥青技术作为一种绿色沥青路面施工技术已经得到普遍应用。泡沫温拌沥青技术是在热沥青喷洒过程中加入一定比例的发泡水，水汽化使沥青体积膨胀，明显改善沥青混合料的施工和易性，降低沥青混合料的拌和温度25～30℃，显著减少沥青烟气的产生，同时节省30%以上的能源[1]。研究表明，沥青在发泡后，几乎全部的水分会在施工过程中蒸发散失，但泡沫温拌沥青混合料内部被认为仍然存在微量的水分[2]。与热拌沥青混合料相比，泡沫温拌沥青混合料的低温性能和疲劳性能有所提高，但高温稳定性有所降低[3]。

目前，泡沫温拌沥青混合料的高温性能试验均集中在实验室进行，而室内成型与现场施工有很大差别，水分的散失规律也完全不同，研究实际铺筑的泡沫温拌沥青路面的性能，必须针对现场路面钻取的芯样进行研究，为技术推广应用提供支撑。李瑞[4]采用车辙试验研究了不同老化程度的泡沫温拌沥青混合料的高温稳定性，发现略差于热拌沥青混合料。魏唐中等[5]通过车辙试验结果表明，SBS泡沫温拌沥青混合料的高温稳定性能与热拌沥青混合料相当。徐晓和等[6]通过车辙试验得出，采用泡沫温拌沥青技术使SBS沥青混合料的高温性能略有改善。综合已有的研究成果发现，对泡沫温拌沥青混合料高温性能的研究仅限于室内试验，并且大部分采用传统的车辙试验，得出的结论并不一致。另外，由于车辙试件尺寸略大，现场切割工艺繁琐，对路面造成较大损害，不适用于评价实际路面的抗车辙能力[7]。蠕变试验具有清晰的力学模式，能很好的反映沥青混合料的粘弹性特性和变形机理，是分析沥青混合料高温性能的有效方法[8]，可直接在评价路段上钻取圆柱形芯样，作为蠕变试件，便于操作。

本文以江苏省应用泡沫温拌沥青技术的高速公路为研究对象，通过分析路面车辙深度、芯样空隙率和配合比等，采用动态蠕变试验研究泡沫温拌沥青混合料的高温性能，并与同期施工的热拌路段进行对比，评价泡沫温拌沥青混合料的高温性能，作为后期泡沫温拌沥青技术优化提升的理论依据。

1 试 验

1.1 原材料及沥青混合料级配

泡沫沥青：采用徐州工程机械集团有限公司生产的XFP20温拌泡沫沥青发泡设备进行生产，SBS改性沥青发泡用水量为SBS改性沥青质量的2.5%，发泡温度为165℃，发泡水温为20～30℃。根据DB 32/T 3133—2016《泡沫温拌沥青混凝土路面施工技术规范》要求，以膨胀率和半衰期作为SBS改性沥青发泡质量的评价标准，要求膨胀率≥10倍，半衰期≥30 s。

SBS改性沥青：试验共选取4条采用泡沫温拌沥青技术的高速公路，每条高速公路中选取传统热拌路段作为对比，评价路段沥青混合料采用SBS改性沥青，其技术性能如表1所示。

表1 SBS改性沥青的技术性能

传统热拌路段及泡沫温拌路段的沥青混合料采用相同级配，4条评价高速公路沥青混合料的级配如表2所示。

表2 4条评价高速公路路段的沥青混合料级配

1.2 试验样品

为评价泡沫温拌沥青路段与传统热拌路段沥青混合料的高温性能，同时保证对比数据的准确性，根据两者使用年限相同、交通量相同、路面结构形式相同等选取原则，选取4条高速，8个段落进行评价。

其中，高速A和高速C选取的泡沫温拌路段及传统热拌路段沥青混合料拌和温度均为175℃。高速B和高速D选取的泡沫温拌路段沥青混合料拌和温度为155℃，与热拌沥青混合料相比，拌和温度降低约20℃，评价路段信息如表3所示。

表3 评价路段信息

为保证钻取的芯样具有代表性，在分析路面车辙数据的基础上，确定该路段车辙平均水平的桩号位置，现场通过3 m直尺再次确认车辙深度，最终确认取芯横断面，取芯时同一断面轮迹带处钻取2个芯样。

1.3 试验方法

（1）芯样空隙率：参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用表干法对切割后芯样的表观密度进行测试，采用真空法对切割后芯样进行最大理论密度进行测试，然后计算芯样的空隙率。

（2）抽提筛分试验：参照JTG E20—2011，取芯样顶部4 cm厚的沥青混合料进行抽提筛分，其中抽提设备采用infraTest全自动抽提仪。

（3）动态蠕变试验：动态蠕变试验是在特定的试验温度下对圆形试件施加特定规律的轴向荷载脉冲。使用UTM25万能试验机，采用动态蠕变试验评价泡沫温拌路段芯样的高温性能，芯样试验温度为60℃，半正弦波形，峰值荷载为0.7 MPa，周期为1 s，其中间歇时间和半正弦加载时间分别为0.9 s和0.1 s，加载周期为10 000次，采用最大轴向应变[9]和第2阶段蠕变速率[8]作为评价指标。

2 试验结果与分析

2.1 评价路段的车辙深度

分别选取通车5年、4年、2年和1年的泡沫温拌路段，进行路面车辙深度实测。在车辆荷载、气候环境等相同的条件下，将泡沫温拌路段与热拌路段的高温抗车辙性能进行对比，由于高速公路路面养护工程的特点，选取的评价路段长度不一。评价路段车辙深度的测试结果如图1、图2所示。

图1 评价路段的车辙深度

图2 评价路段路面的车辙状况统计

由图1、图2可知，评估路段的车辙深度基本处于8 mm以下，小于江苏省高速公路车辙处治限值（公路养护工程经验值），参照JTG 5210—2018《公路技术状况评定标准》，评价路段等级均为“优”，表明评价路段路面使用性能处于良好状态。

高速A、高速B和高速C泡沫温拌路段的车辙深度均值均小于同期热拌路段，高速D泡沫温拌路段的车辙深度均值略大于同期热拌路段，但整体而言，泡沫温拌沥青路面的车辙状况略优于热拌沥青路面。

2.2 沥青混合料空隙率

空隙率与沥青路面的抗车辙性能有着直接关系，路面压实度越高则沥青混合料空隙率越小，承受车辆循环荷载产生的变形越小[10]。试验得出芯样的表观密度和最大理论密度，经计算得出芯样空隙率，结果如图3所示。

图3 芯样的空隙率

由图3可见，对于高速A和高速C钻取芯样，泡沫温拌路段空隙率均小于同期热拌路段；与同期热拌路段相比，高速B泡沫温拌路段空隙率增大了0.5%，高速D泡沫温拌路段空隙率减小了0.4%，两者空隙率接近。

空隙率越小，沥青混合料越密实，抵抗高温变形的能力越强[11]。由于泡沫温拌路段和热拌路段在经受相同的车辆荷载和气候环境后，与热拌路段相比，不降低拌和温度施工的泡沫温拌路段空隙率较小；降低拌和温度20℃施工的泡沫温拌路段与热拌路段的空隙率相差不大，表明泡沫温拌沥青混合料的和易性较好。

2.3 抽提筛分试验数据分析

选取的评价路段中最长服役时间为5年，经受老化和车辆荷载的作用下，对于泡沫温拌路段和热拌路段沥青混合料级配的破坏情况未知。通过评价路段芯样的抽提筛分试验，可以分析路面产生车辙是否为级配不良，同时，为进一步验证泡沫温拌路段和热拌路段是否采用相同的配合比设计，对芯样进行抽提筛分试验，结果如图4、图5所示。

图4 芯样级配曲线试验结果

图5 芯样油石比试验结果

由图4、图5可知：

（1）经过一定周期的车辆荷载后，泡沫温拌和同期热拌路段沥青混合料的级配曲线仍位于规范要求的范围之内，没有发生破碎的现象，并且两者级配曲线在关键筛孔的通过率几乎相同，因此推断级配与车辙的产生没有直接关系。

（2）高速A和高速B评价路段沥青混合料的级配类型为AC-13，高速C和高速D评价路段沥青混合料的级配类型为SMA-13，从级配曲线和油石比数据分析得出，泡沫温拌和热拌沥青混合料采用相同的配合比。

2.4 动态蠕变试验数据分析

沥青混合料的动态蠕变试验一般经历压密迁移期、稳定期和流变破坏期等3个阶段，如图6所示[12]。由于第2阶段过渡到第3阶段的突变点斜率发生较大变化，认为曲线斜率突变点对应的加载次数为流变次数，用于评价沥青混合料高温性能。

图6 沥青混合料的应变曲线

图7 为评价路段热拌和泡沫温拌路段芯样的动态蠕变曲线。

图7 评价路段的动态蠕变曲线

从图7可以看出，所有芯样的动态蠕变试验均处于稳定期，未出现第2阶段到第3阶段的拐点，芯样在10 000个加载周期内未进入流变破坏，无法得到流变次数等信息，因此本文采用最大轴向应变和蠕变速率作为评价指标。

2.4.1 轴向应变

芯样在荷载作用10 000个周期结束后造成的芯样最大永久变形，即轴向最大应变反映了芯样抗荷载变形的能力，作为评价沥青混合料抗高温性能的指标。评价路段芯样的轴向最大应变如图8所示。

图8 不同高速公路芯样的最大轴向应变均值

由图8可知：对于高速A、高速B、高速C，泡沫温拌路段芯样的最大轴向应变均小于热拌路段；而高速D，泡沫温拌路段芯样最大轴向应变大于热拌路段。整体而言，泡沫温拌路段抗高温变形能力大于热拌路段，与评价路段车辙深度结论相吻合。

由图3的空隙率测试结果可知，相同拌和温度下，泡沫温拌路段的空隙率小于热拌路段，表明空隙率对于泡沫温拌沥青混合料的最大轴向应变有一定影响。

2.4.2 蠕变速率

由于芯样第2阶段的轴向应变变化速率基本稳定，蠕变速率曲线接近水平线，对芯样的蠕变速率与荷载作用次数进行线性拟合，得到拟合方程，若拟合方程斜率k非常小，趋近于0，表明芯样处于第2阶段，以此确定第2阶段对应的加卸载次数范围[9]。

采用Origin数据处理软件，根据轴向应变数据计算得出蠕变速率，对芯样的蠕变速率与加载次数进行线性拟合，拟合结果如图9所示。

图9 评估路段第2阶段蠕变速率拟合曲线

由图9可见，各路段芯样的回归方程相关系数k均接近于0，表明在7000～10 000次荷载作用范围内，芯样处于第2阶段稳定期，同时验证了芯样在10 000次加载周期后未进入第3阶段。第2阶段蠕变速率反映了芯样在经受循环荷载下的变形速度，不同高速公路芯样的蠕变速率均值如图10所示。

由图10可见：对于高速A、高速B、高速C，泡沫温拌路段芯样的蠕变速率均小于热拌路段；对于高速D，泡沫温拌路段芯样蠕变速率大于热拌路段。整体而言，泡沫温拌路段抗高温变形能力大于热拌路段，与芯样的最大轴向应变试验结果一致。

图10 不同高速公路芯样的蠕变速率均值

与传统热拌沥青混合料相比，泡沫温拌沥青混合料的高温性能不降低甚至有所提高，其主要原因是评价路段泡沫温拌沥青混合料的拌和温度仅降低20℃或者不降低，在泡沫温拌沥青混合料降温方面有所保守。泡沫温拌沥青混合料的拌合温度相对较高时，泡沫沥青在集料之间起润滑作用，容易碾压成型，空隙率较小[13]，具有更好的抗高温变形的能力。

3 结 论

（1）从评价高速路段落车辙试验结果可知，与同期热拌路段相比，泡沫温拌沥青路面的车辙状况略优于热拌沥青路面。

（2）与传统热拌沥青混合料相比，泡沫温拌沥青混合料的拌合温度降低20℃时，路面能达到更大的压实度，空隙率更小，高温稳定性更好。

（3）泡沫温拌沥青混合料与传统热拌沥青混合料采取相同的拌和温度时，两者路面沥青混合料空隙率相差不大，高温稳定性相当。