泡沫瀝青冷再生基層的力學性能試驗研究

周 兵

（孝感市公路管理局 孝感 432000）

近年來，以泡沫瀝青作為粘結劑制備冷拌混合料或作為穩定劑進行路面再生處理成為備受廣泛關注的一項新技術。泡沫瀝青的本質是在熱瀝青中注入冷水，產生膨脹泡沫，使瀝青在短時間內粘度迅速降低，進而和集料拌和，形成泡沫瀝青穩定混合料。而瀝青路面冷再生技術，是將舊瀝青路面加入穩定劑、水和新集料等按一定比例重新就地拌和，最后碾壓成型，使之能夠滿足一定的路用性能的一項工藝。

泡沫瀝青冷再生技術作為一種特殊的瀝青路面結構材料，目前在國外一些國家已經有了比較深入的研究和廣泛應用，充分利用廢舊路面材料，對其循環利用，可以起到保護生態環境，減少資源浪費的目的。但是，我國針對于泡沫瀝青冷再生混合料的試驗方法還沒有一定的規章制度，因此，參照國外經驗，筆者進行了泡沫瀝青性能試驗和混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度試驗，并對其路用能進行了分析，以為今后的施工提供技術參考。

1 原材料試驗

1.1 泡沫瀝青發泡性能

泡沫瀝青又稱膨脹瀝青，是將少量冷水加入加熱熔化的瀝青中，水被轉化成蒸汽，形成大量的氣泡對細料進行裹附，從而使瀝青的體積膨脹，主要技術指標是泡沫的半衰期和體積膨脹比，與瀝青的溫度和發泡用水量有關系［1］。半衰期是指泡沫瀝青從最大體積縮到一半時所經過的時間，其性能受瀝青本身特性、發泡用水量、瀝青溫度以及瀝青的噴射壓力等因素影響。體積膨脹比是指泡沫瀝青膨脹到最大體積時與發泡結束的體積比數。瀝青發泡效果直接影響著混合料的性能，通常，更高的膨脹率和更長的半衰期有助于拌制性能更好的混合料。為了更明確其和用水量和溫度之間的關系，針對泡沫瀝青的技術指標采用70號瀝青進行試驗。

本試驗采用埃索AH－70瀝青，在瀝青噴射壓力一定的條件下，分別采用140℃和160℃的溫度條件，同時采用不同的發泡用水量，測試其膨脹比和半衰期指標，進行其性能與瀝青溫度和發泡用水量關系的試驗［2］。試驗數據見表1。

表1 瀝青溫度與發泡用水量及性能關系表

由表1可見，膨脹比隨著發泡用水量的增加而增長，相反，半衰期則隨之降低。而所需的薄膜瀝青最佳狀態是膨脹比較大，半衰期較長，當兩者取其適當值時，組合效果最好，更有利于拌和。因此發泡瀝青性能最佳用水量是在一定溫度下，兼顧衡量半衰期和膨脹比，取兩者值均較大時的發泡用水量。該瀝青在160℃條件下的最佳用水量為2.0%左右。

1.2 再生混合料的級配

國外對泡沫瀝青混合料級配的研究已有初步研究和結論，1988年Akeroyd和Hicks提出了適合泡沫瀝青穩定材料的級配范圍。然而，在大量的配合比設計中發現，回收瀝青路面材料中的細料極少，被泡沫瀝青裹附的細料太少，容易出現泡沫瀝青分散不均勻，對整體性能影響較大。對此，本實驗采用從高速公路在路面養護中產生的舊瀝青路面材料，并加入5cm以下的石屑進行級配改善。礦料篩分情況及合成級配見表2［3］。

表2 礦料篩分情況及合成級配

由以上篩分結果可確定摻加5cm以下石屑38.5%，原路面材料摻加60%，以及1.5%的水泥充當細料。通過擊實試驗確定最佳含水量為7.2%。

2 泡沫瀝青混合料設計

2.1 泡沫瀝青最佳用量確定

泡沫瀝青混合料的形成過程中，泡沫瀝青遇到粗集料破裂，形成細微的瀝青，粘結住周圍的粉料，從而在粗骨料之間起到填充、粘結的作用。由于其特殊的強度形成機理，采用常規的馬歇爾穩定度試驗來測試其力學性能是不合適的。實踐表明，泡沫瀝青的破壞是由層底抗拉強度不足引起開裂而造成的，故本試驗進行了間接抗拉劈裂強度試驗和無側限抗壓強度試驗，來評價泡沫瀝青的力學性能［4］。

2.1.1 劈裂強度試驗

試件成型采用馬歇爾方法，試件每面各擊75次，脫模后，在40℃通風烘箱中養生72h，將試件分為2組，每組3個試樣，其中一組在15℃條件下放置24h，做常溫25℃劈裂試驗；另外一組在25℃水中浸泡23h后，改為15℃水中浸泡1h，其后測定其劈裂強度值。其中泡沫瀝青用量選用2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%，4.5% 和5.0%［5］。試驗結果見圖1。計算得到最佳瀝青用量為3.25%。

圖1 泡沫瀝青用量與劈裂強度的關系

2.1.2 無側限抗壓強度試驗

根據每個發泡瀝青用量混合料的密度，利用表面振動壓實成型的方法成型，振動壓實儀器頻率為30Hz，時間為180s，振幅控制在1.0mm。分別靜壓成型成2組150mm×150mm的無側限試件。一組在室溫20℃干燥條件下養生7d，一組在室溫20℃干燥條件下養生6d，飽水48h后測定其無側限抗壓強度，結果見圖2。

圖2 泡沫瀝青用量與無側限抗壓強度的關系

根據劈裂強度試驗和無側限抗壓強度試驗結果圖表可知，2個結果具有相似的規律性：劈裂強度試驗和無側限抗壓強度試驗均具有峰值，此峰值均存在于3.0%的泡沫瀝青用量。摻加3.0%的泡沫瀝青用量得到的混合料殘留強度比TSR最大，因此確定最佳的泡沫瀝青用量為3.0%。

2.2 延遲時間和彈性模量

根據已經確定的最佳泡沫瀝青用量測定延遲試件成型時間對其強度的影響。延遲時間依次定為30min，8h，24h，成型2組試件，一組在室溫20℃干燥條件下養生6d，飽水24h，進行7d和28d抗壓回彈模量試驗，試驗過程中采用塑料袋密封拌和好的混合料方法，防止水分散失，確保其具有相同的含水量［6－7］。試驗結果見表3。另一組在同樣條件下，進行劈裂強度試驗，試驗結果見表4。

表3 7d，28d回彈模量試驗數據

表4 延遲時間試驗數據

上述試驗結果表明，含有3.0%發泡瀝青用量的試件，其劈裂強度試驗結果與強度判斷相吻合，證明了3.0%發泡瀝青用量為最佳瀝青用量。延遲成型時間24h時，其殘留劈裂強度并未明顯衰減，說明在混合料中加入的水泥只是起到了粉料粘附瀝青的作用，并沒有提高強度，因此在施工中保證水分的前提下，適當延遲成型時間，可以保證壓實度。

同時，從無側限抗壓回彈模量試驗結果可以看出，泡沫瀝青混合料回彈模量偏低，這可能和混合料集料本身的性質有關。總體來說，泡沫瀝青具有良好的變形能力，從力學性能角度，完全能滿足基層要求。

3 結論

（1）瀝青發泡性能常以膨脹比和半衰期作為評價指標，不同型號和產地的瀝青發泡性能存在一定的差異。以本文所選材料，膨脹比隨著發泡用水量的增加而增長，半衰期隨之降低。

（2）在進行組成設計時，考慮施工的方便，外摻料一般預先撒布在路面上，然后用再生機拌和。如果外摻料過多，會影響拌和的深度和材料級配。從再生混合料級配方面，對于細料不足的材料，不適宜用泡沫瀝青進行處理，如要制成泡沫瀝青，可根據需要適當地添加一些外摻料（石屑、礦粉或水泥），具體摻量根據級配曲線調整。

（3）通過擊實試驗確定摻入38.5%石屑的混合料最大干密度為2.16g／cm3，最佳含水量為7.2%。瀝青發泡溫度可控制在160℃左右，最佳泡沫瀝青用量為3.0%，施工時應控制在3.0%左右。在混合料中加入的水泥并沒有提高強度，因此施工中可適當增加碾壓，以保證壓實度大于等于98%。

（4）泡沫瀝青混合料具有良好的變形能力，可以滿足基層的力學性能要求。但是，泡沫瀝青冷再生基層的其他路用性能還需要進一步研究，由于再生混合料本身的多樣性和周圍實際情況的特殊性，不同組成材料的配合比不同，因此，在配制泡沫瀝青冷再生混合料時，需要針對實際情況重新配比。

［1］唐積民.泡沫瀝青冷再生混合料性能研究［D］.大連：大連理工大學，2013.

［2］李秀君.泡沫瀝青冷再生混合料抗剪性能的試驗研究［J］.建筑材料學報，2010（2）：28－30.

［3］張衛華.泡沫瀝青冷再生混合料物理力學性能研究［J］.城市道橋與防洪，2011（5）：187－189.

［4］徐金枝.泡沫瀝青及泡沫瀝青冷再生混合料技術性能研究［D］.西安：長安大學，2007.

［5］拾方治.泡沫瀝青混合料物理力學特性的試驗研究［J］.公路，2004（5）：143－145.

［6］張立明.泡沫瀝青再生基層力學性能的試驗研究［J］.中外公路，2007（6）：172－173.

［7］袁 坤，李立寒，呂 天.泡沫瀝青穩定混合料壓實性的試驗研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2012（2）：399－402.