泡沫瀝青溫拌再生混合料試驗研究

楊躍煥，吳英彪，喬建剛

(1.滄州市市政工程公司，河北 滄州，061000 2.河北工業(yè)大學 土木工程學院,天津，300401)

相對于熱拌瀝青混合料而言泡沫瀝青溫拌瀝青混合料是一種全新的施工工藝。在保證使用性能的前提下降低生產(chǎn)溫度約20～30℃[1]，實現(xiàn)能源資源節(jié)約，排放量降低等目的。目前國際上流行的溫拌工藝多達20多種[2-4]，按生產(chǎn)原理可以分為：有機物降粘法、化學表面活性劑降粘法、泡沫技術(shù)。與熱拌工藝相比溫拌瀝青混合料具有以下優(yōu)勢：拌和及攤鋪碾壓溫度的降低可以延長施工季節(jié)，提高施工質(zhì)量；生產(chǎn)溫度降低減弱了瀝青結(jié)合料的老化程度，減少有毒有害氣體的排放；最主要的優(yōu)勢是節(jié)省能源消耗[5]。

本文對泡沫瀝青溫拌再生混合料進行了老化程度對比分析；瀝青混合料設(shè)計方法對比分析；瀝青混合料和易性、可壓實性分析；瀝青混合料性能試驗。

1 瀝青老化程度的評價

我國現(xiàn)行規(guī)范對瀝青結(jié)合料主要采用針入度、軟化點、延度評價指標，但這些模擬性指標反應(yīng)結(jié)合料的力學性能不直觀。本文借鑒美國SHRP的研究成果Superpave瀝青結(jié)合料分級，及瀝青結(jié)合料流變力學指標[4,6]，直接評價瀝青性能。瀝青PG分級及流變力學指標評價瀝青性能，其力學數(shù)學模型更準確，更具量測性，量化指標也更精確。試驗中選用中海油90#基質(zhì)瀝青，試驗室對原樣瀝青進行PG等級標定為PG52-34。動態(tài)剪切流變儀(DSR)檢測PG52-34原樣瀝青及+1.6%water_PG52-34泡沫瀝青流變屬性；旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化12 h，試驗溫度控制熱拌瀝青溫度163 ℃，溫拌泡沫瀝青溫度100 ℃，115 ℃，130 ℃。DSR試驗加載速率10 rad/s，試驗溫度52 ℃。試驗中抽象出老化因子，計算公式如下：

式中AF—老化因子；G*—復數(shù)模量；G*/SIN(δ)—高溫勁度，抗車轍因子，高值意味著材料更像彈性固體。

試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。高溫勁度(未老化處理)均能滿足Superpave 瀝青結(jié)合料規(guī)范要求≥1.00 kPa，而老化處理后的高溫勁度模量只有熱拌瀝青結(jié)合料滿足≥2.2 kPa要求，所有溫拌瀝青的高溫勁度均不能滿足要求[7]。老化因子變化趨勢圖表明隨著瀝青混合料生產(chǎn)溫度降低老化因子也在降低，即為抗車轍能力減弱。瀝青結(jié)合料粘彈性是此消彼長關(guān)系，彈性減弱時粘性會增強，抗裂性能亦隨之增強。瀝青路面回收材料(RAP)中含有一定量瀝青，且瀝青老化程度較高，向瀝青混合料中加入一定量的RAP料等量代替新集料，可以消除溫拌瀝青弱老化對抗車轍能力的不利影響。

2瀝青混合料配合比設(shè)計試驗

本研究依托滄州市某主干路道路工程，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示?；鶎优c下面層間噴灑透層油，在之上施做橡膠瀝青下封層，面層均采用泡沫瀝青溫拌工藝。

2.1礦料級配設(shè)計

試驗原材檢測，依據(jù)工程所在地區(qū)氣候條件、交通量狀況，選擇中海油90#基質(zhì)瀝青并對其性能指標進行檢測。下面層新集料選擇保定滿城產(chǎn)石灰?guī)r。瀝青路面回收材料(RAP)為京滬高速滄州段翻修時銑刨料，破碎篩分10-20 mm和0-10 mm粗、細兩檔分開存儲。RAP料抽提檢測粗料瀝青含量2.94%含水率0.5%，細料瀝青含量4.62%含水率1.3%。針入度3.1 mm，符合規(guī)范30#瀝青要求，瀝青老化程度遠高于90#基質(zhì)瀝青。下面層瀝青混凝土礦料級配曲線如圖4所示。RAP摻量為礦料總量的18%，以調(diào)節(jié)礦料級配及瀝青結(jié)合料的力學性能指標。

2.2配合比設(shè)計及試驗

馬歇爾體積設(shè)計法確定油石比，RAP料加熱溫度95 ℃左右，避免溫度過高帶來瀝青結(jié)合料的進一步老化。新集料加熱溫度155 ℃～160 ℃比熱拌集料加熱溫度低40 ℃左右。瀝青發(fā)泡用水量1.5%左右。泡沫瀝青溫拌瀝青混合料拌和溫度在130～135 ℃，根據(jù)施工地季節(jié)、天氣、運距可以調(diào)節(jié)拌和溫度。間歇式拌和設(shè)備拌料，投料順序為熱融的RAP、粗細新集料投入預(yù)熱的拌和機預(yù)拌均勻，然后噴入泡沫瀝青(或者熱瀝青)拌和，最后投入熱礦粉拌和均勻，總拌和時間3 min為宜。馬歇爾擊實成型試件，適當條件養(yǎng)生，檢測瀝青混合料性能，配合比試驗結(jié)果如表1所示。

表1 配合比試驗結(jié)果

配合比設(shè)計試驗表明：不添加RAP料時，瀝青混合料的穩(wěn)定度小于技術(shù)要求。壓實泡沫瀝青溫拌混合料試件空隙率比熱拌的小。這表明對混合料做同樣的擊實功，溫拌料試件體積變化大；在當滿足技術(shù)要求時，溫拌混合料瀝青飽和度(VFA)相對較高。

2.3 瀝青混合料壓實性研究

施工溫度對瀝青混合料的拌和、壓實效果影響顯著[8-10]。泡沫瀝青溫拌工藝降低了混合料的施工溫度，對瀝青混合料的壓實特性應(yīng)做實驗性研究。參照AASHTO M323《瀝青混合料壓實性評價》，由Superpave Gyratory Compactor(SGC)成型試件。比較壓實數(shù)據(jù)，評價瀝青混合料的壓實性。試驗中熱拌料150℃壓實，泡沫瀝青溫拌120℃壓實。最大理論密度分別為2.651 g/cm3(HMA)、2.650 g/cm3(FWMA)。設(shè)計壓實次數(shù)75次(中等交通量)。試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

瀝青混合料壓實密度隨壓實次數(shù)的變化規(guī)律：泡沫瀝青溫拌混合料密度增長速率比熱拌料密度增長速率快，當達到設(shè)計壓實次數(shù)時，溫拌料的密度為2.543 g/cm3，而熱拌料設(shè)定次數(shù)下密度值為2.541 g/cm3。兩種生產(chǎn)工藝下混合料的空隙率分別為4.15%(HMA)、4.04%(FWMA)，基本上達到了相同密實度。而泡沫瀝青混合料的生產(chǎn)溫度相比于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料生產(chǎn)溫度降低30℃。壓實試驗結(jié)果證明120℃泡沫瀝青溫拌和150 ℃熱拌相同壓實條件下，能夠得到基本相同的密實度。

3瀝青混合料性能試驗

瀝青混合料性能包括高溫抗車轍、低溫抗裂、疲勞抗裂、抗水損害等性能[11-13]。各性能評價試驗方法均采用我國行業(yè)規(guī)范中推薦的方法，動穩(wěn)定度試驗評價瀝青混合料的抗車轍性能，浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗評價抗水損害性能。道路下面層處于結(jié)構(gòu)中間層，即承受上面層傳遞的強壓力又承受較強的剪切力，且中間層溫度傳遞慢形成高溫區(qū)，因此下面層高溫穩(wěn)定性是關(guān)鍵性指標之一。

試驗對象為普通熱拌瀝青混合料、不參加RAP料的泡沫瀝青溫拌混合料、+18%RAP料泡沫瀝青溫拌混合料。礦料級配均為上文給定級配，油石比也為配比設(shè)計中確定最佳油石比4.4%。低溫抗裂性試驗需制作瀝青混凝土小梁，-10℃下50 mm/min的加載速率，單軸壓縮試驗溫度20 ℃，參考ASTM D1074規(guī)定高度應(yīng)變速率控制為0.05mm/(min·mm),根據(jù)試件高度不同計算加載速率。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 混合料性能試驗結(jié)果

性能試驗結(jié)果表明：泡沫瀝青溫拌混合料因其施工和易性增強，密實度也隨之增強，性能試驗中殘留馬歇爾穩(wěn)定度較大，進一步說明泡沫瀝青溫拌抗水損害較好；車轍試驗中未添加RAP料的FWMA料動穩(wěn)定稍低于規(guī)范要求，需要添加RAP料調(diào)節(jié)動穩(wěn)定度，本實驗RAP摻入量18%，而動穩(wěn)定度提升一倍還多，但仍然小于熱拌料的動穩(wěn)定度；低溫抗裂性能試驗，泡沫瀝青混合料的抗裂性能明顯高于熱拌，雖然抗拉強度有所降低，但彎拉應(yīng)變大幅提升，表明應(yīng)力松弛越大，壓實混合料越不易被破壞。

4結(jié)論

1)溫拌瀝青的老化程度較低，結(jié)合料更趨向于粘性?？梢蕴砑永匣潭容^大的RAP料，增強瀝青結(jié)合料的粘彈性。

2)摻入RAP料調(diào)節(jié)瀝青混合料的路用性能(主要是抗車轍能力)，使溫拌瀝青混合料粘彈性能與傳統(tǒng)熱拌相當。試驗確定RAP料摻量在15～25%較為適宜，本文實驗取其代表值18%，進行了瀝青混合料的配合比設(shè)計。

3)摻入RAP料(18%)的溫拌瀝青混合料抗車轍強度，增強近一倍；溫拌瀝青混合料抗彎拉性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

參考文獻：

[1] BRIAN PROWELL, GRAHAM HURLEY, BOB FRANK. Warm-mix asphalt: Best practices 2nd edition [M]. National Asphalt Pavement Association Quality Improvement Publication, 2011.

[2] D ANGELO J. Warm mix asphalt: European practice [M]. Office of International Programs, Office of Policy, Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, American Association of State Highway and Transportation Officials, National Cooperative Highway Research Program.2008.

[3] ARASH SABOORI, MAGDY A, MOHYELDIN R. Warm mix asphalt processes applicable to North Dakota [J]. North Dakota State University, 2012, 2 (78): 163-166.

[4] NCHRP Report 691. Mix design practices for warm mix asphalt [R]. Transportation Research Board of the National Academies. 2012.

[5] SALEH M F. Cost evaluation of foam bitumen and other stabilization alternatives [J]. Journal of Pavement Engineering, 2007 (2) : 157-160.

[6] RAMANUJAM J M, J D. Characterization of foamed bitumen stabilization [J]. International Journal of Pavement Engineering, 2007 (2): 111-113.

[7] BUTTON J W, C. ESTAKHRI, WIMSATT. A synthesis of warm-mix asphalt [R]. Texas Transportation Institute: Austin, Texas. 2007.

[8] AASHTO Designation: M 323-12, Standard specification for superpave volumetric mix design[S].The American Association of State Highway and Transportation Officials, 2012.

[9] NHI Course #131053. Superpave fundamentals reference manual [M]. U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration, 2005.

[10] WU SHAOPENG, LI BO, HUANG JUNFENG. Investigation of rheological properties of asphalt binders containing conductive fillers [J]. Key Engineering Materials, 2008,385-387: 753.

[11] 周 燕，陳拴發(fā)，鄭木蓮. 溫拌瀝青混合料拌和壓實特性研究 [J]. 武漢理工大學學報, 2010,32(2):61-64.

[12] 秦永春，黃頌昌，徐 劍,等. 基于表面活性劑的溫拌SMA混合料性能[J]. 建筑材料學報, 2010,13(2): 32-36.

[13] 王偉明，吳曠懷，孟繁冰. Sasobit 對溫拌橡膠瀝青及瀝青混合料高溫性能影響 [J]. 廣州大學學報:自然科學版, 2012(6): 65-69.