泡沫瀝青冷再生混合料配合比設計初探

肖嫻 肖毅

(貴州高速公路集團有限公司，貴州貴陽 550004)

1 研究背景

1956年，美國森義教授向高熱的瀝青中加入少量水，水急劇氣化使瀝青大量發泡，繼而體積膨脹，這種狀態的瀝青因為視粘度相當低而具有拌和所需的工作性［1］。這項發明后來被申報為專利，但應用不普遍，發展較為緩慢。20世紀90年代，隨著瀝青發泡設備及工藝的改進使得泡沫瀝青技術更方便實現與應用，再加上近年來對資源和環境保護的重視迫切需要對廢舊路面材料再生利用，促進了這項技術的蓬勃發展［2］。

在國內，這項技術無論是室內試驗研究，還是工程應用均處于起步階段。1982年，交通部科技局正式下達將瀝青混合料再生利用作為重點科技項目，同濟大學開辟了瀝青路面再生技術的先河［3］。在我國，泡沫瀝青路面冷再生混合料設計方法還不完善，對冷再生材料的力學性能、路用性能研究還不夠深入，在實際推廣應用中還會出現質量不穩定等問題。所以本文對泡沫瀝青冷再生混合料配合比進行設計研究，以求解決這些問題。

2 泡沫瀝青的性質及其配合比設計思路

2.1 泡沫瀝青的性質

泡沫瀝青是以膨脹比(指當瀝青與水拌和發泡后的最大體積與未發泡前體積之比)及半衰期/半縮期(由發泡的最大體積為準起算，至體積縮減至一半經過的時間)來描述瀝青的發泡特性［4］。

膨脹比與半衰期的因素影響，主要有以下四項:1)溫度。一般瀝青發泡時的溫度愈高，發泡特性會愈好。2)水量。一般發泡時加入的水量愈多，膨脹比愈大，但半衰期愈短。3)壓力。一般瀝青與水接觸后發泡，若發泡艙中的壓力較低(如低于3 Pa)，則不利于膨脹比及半衰期。4)消泡劑。

2.2 配合比設計流程

進行泡沫瀝青混合料配合比設計，須有與工地泡沫瀝青制備過程相似的室內瀝青發泡設備，此設備由瀝青加熱槽，水、瀝青、空氣用量控制系統等組成，可將一定量瀝青、水與空氣噴入膨脹艙，并在艙中形成泡沫瀝青，然后由噴嘴噴出［5］。根據改變加水量，可調整瀝青的膨脹比和半衰期，以此為依據確定最佳用水量。一旦決定瀝青的發泡用水量后，即可依所需添加的瀝青用量，將泡沫瀝青噴入骨材樣品中，并以所附的拌和機，拌制完成瀝青混合料。泡沫瀝青混合料的拌制方法如下:首先，將預定配置的常溫骨材試樣，在拌和機內加入達夯實所需的最佳水量，并拌和均勻;然后，噴入欲添加的泡沫瀝青量，拌和成混合料。一般情況下，配比設計要求至少五組不同瀝青用量的混合料。有時在混合料中加入適量的石灰或水泥，目的是提升混合料拌和效率及抗水分侵害能力［6］。

3 混合料性能試驗研究

3.1 發泡試驗

雖然大部分瀝青皆可以順利發泡，但有些煉油廠的制備過程會基于運送及儲存方便，在瀝青中加入抑制發泡的藥劑，而有些油源本身則有不容易發泡膨脹的現象，故有必要對所采用的瀝青進行發泡特性量測［7］。試驗采用70號埃索和中海兩種瀝青進行對比，實驗步驟如下:1)將瀝青置于瀝青槽中，并將溫度加熱至所需溫度。選定發泡試驗溫度為160℃，170℃，180℃三種。2)WLB10瀝青噴出量約為100 g/s，膨脹量量測容器及量尺乃針對噴出量為500 g設計，故應調整空氣槽壓力、水槽壓力，基準變更噴出時間設定為5 s。瀝青經由噴嘴噴入空容器，秤重可得瀝青噴出量，由所得瀝青量來設定瀝青噴出量在500 g時所需的噴出時間(秒數)。3)調整發泡用水量。由于WLB10之水量控制表讀數所代表的用水量受噴出瀝青流量所影響，應使用表1，用瀝青噴出流量及預定的用水量，查得水量控制表讀數值，以該水量控制表值正確控制發泡用水量。例如瀝青流量為100 g/s，則設定的噴出時間為5 s，若發泡用水量為2.5%，則應將水量控制表值調設為9.0。4)根據不同的溫度、水量重復進行瀝青發泡試驗，記錄相應膨脹量、半衰期，并繪制成圖，得到瀝青發泡特性與溫度及水量的關系圖，用以決定該瀝青最適合發泡溫度及發泡用水量。WLB10發泡用水量控制表值如表1所示。

表1 試驗所采用的WLB10發泡用水量控制表值

試驗選擇三種溫度150℃，160℃，170℃，發泡用水分別為2% ，2.5% ，3.0% ，3.5% 。氣壓選定為 4 bar，水壓為 5 bar。試驗結果見表2，表3，發泡性能關系曲線分別見圖1，圖2。

根據數據分析結果，在相同的溫度和用水量條件下，發泡效果:中海瀝青均優于埃索瀝青。因此，試驗路發泡瀝青選用中海瀝青。

根據三種發泡溫度下的性能關系曲線，得出:160℃為中海瀝青的最佳發泡溫度，加水量2.5%，此時膨脹比為24，半衰期11.6，這已優于工程經驗(膨脹比12，半衰期8)，同時也滿足規范(膨脹比12，半衰期8)技術要求。

表2 中海瀝青發泡結果

表3 埃索瀝青發泡結果

圖1 中海瀝青發泡性能關系曲線

圖2 埃索瀝青發泡性能關系曲線

3.2 泡沫瀝青配合比設計研究

3.2.1 級配確定

本次研究共選取了摻加新料與不摻加新料的兩種級配，以進行對比研究，分別為:級配1:基層料64%:面層料34.5%:水泥1.5%;級配2:基層料 51%:面層料 27.5%:機制砂 20%:水泥1.5%。級配曲線如圖3所示。由圖3可知，級配1和級配2合成曲線部分點在維特根推薦級配值之外，2級配曲線較1級配曲線理想，根據以往工程實踐證明，2級配曲線基本能夠滿足要求。

圖3 級配曲線圖

3.2.2 確定最佳含水量

為保證泡沫瀝青混合料具有良好的拌和效果與壓實度，需加入一定量水。水可促進結團集料分解，拌和過程中有利于瀝青擴散。此外，水在集料基體間也可充當潤滑劑，但是，水過多卻會影響壓實效果，以及混合料強度，因此，確定最佳用水量非常重要［8］。

3.2.3 間接拉伸試驗確定最佳瀝青含量

將試件分為干、濕兩組，干組試件在25℃恒溫環境下養生1 h，濕組試件直接放入25℃恒溫水槽中養生24 h。將養生后的試件進行間接拉伸試驗(劈裂試驗)。間接拉伸試驗在瀝青混合料綜合性能試驗機上進行，其步驟如下:1)將試體由25℃恒溫水槽中拿出，放入間接拉伸試驗環中，再使用50 mm/min的速率施力于試件;2)持續施壓于試件至試件有裂縫產生為止，讀取最大的壓力強度并記錄其值，將試件從儀器上取下，從裂縫處拉開試件，檢查內部破裂面狀況，并詳細記錄;3)計算試件的間接拉伸強度;4)計算殘留間接拉伸強度比。殘留間接拉伸強度比值(Retained ITS)是由濕組試件的間接拉伸強度除以干組試件的間接拉伸強度得來，這也意味著當瀝青混凝土材料受到水損害后，間接拉伸強度的折減程度，其比值越高就代表瀝青混凝土材料抵抗水損害的能力越強，反之則代表其無法有效抵抗水損害［9，10］。本研究泡沫瀝青試件經間接拉伸試驗后的破壞情形如圖4所示，間接拉伸試驗結果如表4所示。

圖4 泡沫瀝青執行間接張力試驗過程及試體情形

表4 間接拉伸試驗結果

由試驗結果可知:選用級配2，添加部分細料能更好的保證間接抗拉強度。級配2的最佳瀝青用量為2.50%，干劈強度0.61 MPa，濕劈強度為0.55 MPa，殘留強度比為90.2%。

4 結語

1)泡沫瀝青是一種新型的瀝青拌和技術，以此作為冷拌再生的穩定劑具有較大的優勢，經濟效益比較明顯;2)膨脹比和半衰期是評價泡沫瀝青的兩項重要指標，實際應用時，應追求兩項的指標的平衡，以保證泡沫瀝青有較好的發泡特性;3)泡沫瀝青配合比設計完全不同于傳統熱拌瀝青混合料的配合比設計，主要包括最佳發泡條件確定，最佳拌和水量確定，最佳瀝青含量確定，配合比驗證等幾個方面;4)通過室內試驗研究，最終確定了試驗路泡沫瀝青混合料配合比，對路用性能的研究具有指導意義。

［1］JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范［S］.

［2］李 冰，焦生杰.振動壓路機與振動壓實技術［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］JTG F41-2008，公路瀝青路面再生技術規范［S］.

［4］戴利平.泡沫瀝青冷再生混合料物理力學性能研究［D］.西安:長安大學，2009.

［5］郝合瑞.舊瀝青路面材料冷再生技術研究［D］.西安:長安大學公路工程學院，2004.

［6］魏連雨.泡沫瀝青穩定舊瀝青路面混合料冷再生試驗分析［J］.河北工業大學學報，2008(10):100-104.

［7］JTG F41-2008，公路瀝青路面再生技術規范［S］.

［8］拾方治，呂偉民.泡沫瀝青混合料的特性［J］.中外公路，2003，23(3):93-96.

［9］李自光，丁小峰，王 月.泡沫瀝青及其冷再生施工工藝［J］.筑路機械與施工機械化，2004(12):24-27.

［10］孫大權，李牙君，拾方治，等.泡沫瀝青特性與混合料設計方法的試驗研究［J］.石油瀝青，2004，18(4):14-17.