泡沫瀝青冷再生混合料材料設(shè)計(jì)及其抗沖刷性能評價(jià)

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(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000)

泡沫瀝青冷再生混合料材料設(shè)計(jì)及其抗沖刷性能評價(jià)

楊梓鈺，朱永偉，陳維英

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000)

為合理利用瀝青路面回收料，試圖通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)泡沫瀝青冷再生混合料并評價(jià)其抗水損害性能。混合料設(shè)計(jì)階段確定了最佳發(fā)泡條件、最佳瀝青用量、最佳含水量及最佳混合料配比。動(dòng)水沖刷試驗(yàn)結(jié)果顯示，泡沫瀝青冷再生混合料試件沖刷前后劈裂強(qiáng)度降低22%，動(dòng)水沖刷能顯著降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此推薦，泡沫瀝青冷再生混合料適用于瀝青面層的中下面層，不適用于上面層。

瀝青混合料，泡沫瀝青，冷再生，抗沖刷性能

近年來，為合理利用瀝青路面回收料，瀝青混合料再生成為國內(nèi)外道路行業(yè)研究的熱門，泡沫瀝青冷拌混合料是由泡沫瀝青(熱瀝青)、冷水、冷集料、活性填料(水泥等)等材料在常溫條件下拌合而成的以瀝青膠漿為黏結(jié)劑的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料構(gòu)成復(fù)雜而特殊，有關(guān)該種材料的研究不僅內(nèi)容廣泛，而且相應(yīng)的研究方法也和熱拌瀝青混合料以及無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料有很大的區(qū)別：首先，這是一種冷拌料，應(yīng)該按照冷料的角度進(jìn)行考慮；其次，必須慎重考慮瀝青和水泥的綜合作用，在剛性與柔性之間取得平衡[1-5]。

一般認(rèn)為，為了保證泡沫瀝青分散后形成瀝青膠漿，必須保證有足夠多的細(xì)集料，尤其是0.075mm以下的填料含量。我國交通部《瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》規(guī)定0.075mm篩孔的通過率的下限為6%，2010年維特根冷再生技術(shù)手冊規(guī)定0.075mm篩孔的通過率的下限為4%。浙江省泡沫瀝青技術(shù)規(guī)程規(guī)定0.075mm篩孔的通過率的下限為3.5%，放寬了對0.075mm篩孔的通過率的要求。總體而言，現(xiàn)有國內(nèi)外規(guī)范對0.075mm的通過率的要求都很高。這說明了一個(gè)事實(shí)：泡沫瀝青冷拌混合料需要足夠的細(xì)集料保證瀝青分散的均勻性。Ruckel等認(rèn)為泡沫瀝青混合料養(yǎng)生中的含水量對其最終的強(qiáng)度有很大影響。Clarke研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間、溫度、交通量的作用，泡沫瀝青混合料中的水不斷損失，混合料的強(qiáng)度逐漸增大。本文基于以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[6-10]，擬進(jìn)行泡沫瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)及對其抗沖刷性能進(jìn)行評價(jià)。

1 泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)及材料試驗(yàn)

1.1 瀝青發(fā)泡試驗(yàn)與結(jié)果分析

瀝青發(fā)泡機(jī)可以在室內(nèi)條件下讓瀝青發(fā)泡而產(chǎn)生泡沫瀝青，并且可以通過變換不同參數(shù)條件(瀝青溫度、發(fā)泡用水量等)研究瀝青在不同參數(shù)組合下的發(fā)泡特性。綜合考慮膨脹率和半衰期2個(gè)因素的變化規(guī)律，可得出各瀝青的最佳發(fā)泡溫度和發(fā)泡用水量。鎮(zhèn)海70#瀝青的最佳發(fā)泡條件和最佳發(fā)泡效果如表1所示。

表1 瀝青的最佳發(fā)泡條件和發(fā)泡效果Table 1 The best asphalt foaming conditions，and foaming effect

1.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

通常瀝青面層舊料經(jīng)銑刨處理后，4.75mm以下的細(xì)料部分(尤其是2.36mm以下)由于表面附著舊瀝青從而形成團(tuán)塊，降低了2.36mm各檔篩孔的通過率，顯得粗一些，銑刨料中細(xì)料含量極為缺乏，尤其是0.3mm以下的料。而對13.2mm以上的粗料部分則由于銑刨刀具的破碎效應(yīng)使得部分粗集料被破碎，顯得細(xì)一些。瀝青銑刨料(以下簡稱RAP料) 的級配具有明顯的特點(diǎn)，細(xì)料部分偏粗而粗料部分偏細(xì)，呈現(xiàn)S型。

本研究在考慮合成級配的過程中綜合考慮了各種因素，諸如RAP料的綜合利用率、0～2.36mm各篩孔的通過率的下限要求和級配曲線的光滑性、連續(xù)性等。通過摻加不同比例的0～3mm的石屑提高0～2.36mm各篩孔的通過率，通過摻加不同比例的10mm～20mm的新料適當(dāng)增加粗集料的含量。同時(shí)，考慮到實(shí)際施工時(shí)的RAP料和取樣的RAP料的級配有一定的差別，因此初步考慮了5種級配，保證配合比的設(shè)計(jì)結(jié)果具有良好的涵蓋性。根據(jù)泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的基本原則，設(shè)計(jì)5組級配如表2～表3所示。

表2 泡沫瀝青混合料級配設(shè)計(jì)組合Table 2 Foam asphalt mixture gradation design portfolio

表3 泡沫瀝青混合料級配通過率(%)Table 3 Foam asphalt mixture gradation pass rate

1.3 混合料最佳配比的確定

本研究按瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)，包括：標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)等，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，對比五種配比各技術(shù)指標(biāo)，最終推薦配比5為混合料最佳配比，其具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下，限于篇幅，其他四種級配混合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)不再贅述。

表4 最佳配比Table 4 Optimal proportion

(1)最佳拌合用水量的確定

水是泡沫瀝青混合料的重要組成部分之一，其含量大小是泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，這主要是因?yàn)樗洚?dāng)了泡沫瀝青在混合料中分散的介質(zhì)，混合料中沒有水，則泡沫瀝青無法在混合料中分散開來并與礦料發(fā)生相互作用。本試驗(yàn)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定再生材料的最佳含水量和最大干密度，進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 級配5混合料最佳含水量和干密度Fig.1 5 mixture gradation optimum water content and dry density

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，級配5的最大干密度是2.222，最佳含水量為4.76%，參考規(guī)范知，泡沫瀝青冷再生混合料的最佳拌合用水量為集料(含水泥，不含泡沫瀝青)最佳含水量的80%，因此泡沫瀝青混合料的拌合用水量為3.81%。

(2)最佳瀝青用量的確定

按照合成級配4的篩孔通過率配制4組再生集料，每組20kg，拌合用水量為3.81%，分別與四種不同泡沫瀝青用量(2.0%、2.5%、3.0%、3.5%)的鎮(zhèn)海70#瀝青進(jìn)行拌合制備泡沫瀝青混合料，每組混合料成型16個(gè)馬歇爾試件。試件養(yǎng)生后，分別進(jìn)行25℃干燥劈裂試驗(yàn)、25℃浸水劈裂試驗(yàn)。圖2列出了不同測試溫度、不同瀝青用量條件下拌制的混合料試件ITS測試結(jié)果。

圖2 級配5混合料的ITS試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Grade 5 mixture ITS test results

級配5在試驗(yàn)溫度25℃條件下的試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

干ITS曲線呈拋物線狀，瀝青用量從2.0%至2.8%，干ITS緩慢增大，瀝青用量從2.8%至3.5%，干ITS緩慢減小，瀝青用量為2.8%時(shí)，干ITS達(dá)到最大值733kPa。

濕ITS曲線呈拋物線狀，瀝青用量從2.0%至2.9%，濕ITS緩慢增大，瀝青用量從2.9%至3.5%，濕ITS緩慢減小，瀝青用量為2.9%時(shí)，濕ITS達(dá)到最大值446kPa。

干濕劈裂強(qiáng)度比ITSR隨著瀝青用量增加略微波動(dòng)，基本持平，瀝青用量從2.0%至3.5%，ITSR基本維持在60%～70%。

綜合考慮泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性能以及規(guī)范的技術(shù)要求，以干劈裂強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度以及干濕劈裂強(qiáng)度比評定泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性能，通過25℃試驗(yàn)溫度下的數(shù)據(jù)擬合得出，級配5在25℃的劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合吻合性良好，較為合理，因此在分析級配5的最佳瀝青用量時(shí)，綜合參考25℃測試的劈裂強(qiáng)度結(jié)果數(shù)據(jù)，其最佳瀝青用量為2.8%。

2 泡沫瀝青冷再生混合料的抗沖刷性能評價(jià)

水損害是瀝青路面早期病害的主要原因之一，考慮降水對瀝青路面性能的影響，進(jìn)行泡沫瀝青冷再生混合料的抗沖刷性能的研究。對配比5混合料試件進(jìn)行水損害評價(jià)，方法是：將動(dòng)水沖刷試驗(yàn)前后的劈裂強(qiáng)度比作為判斷瀝青路面材料水損害抵抗力能力的評價(jià)指標(biāo)。

2.1 動(dòng)水沖刷試驗(yàn)設(shè)備及其原理簡介

常用的評價(jià)瀝青混合料水損害的方法，由于閉口空隙的存在，水分不能進(jìn)入所有的空隙，同時(shí)，如果采用靜水頭壓力法模擬動(dòng)水壓力的方法與實(shí)際路面狀況不符。因此自主研發(fā)了瀝青混合料試樣動(dòng)水沖刷試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)很好地模擬了車輛高速行駛通過瀝青路面時(shí)對路面空隙中產(chǎn)生交替的動(dòng)水壓力、真空吸力的過程，是一種更接近于路面實(shí)際情況的試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖3 動(dòng)水沖刷試驗(yàn)原理圖Fig.3 The principle diagram of the dynamic water washout test

該試驗(yàn)過程中主要控制流程是：向容器中打壓4s，當(dāng)容器的壓力達(dá)到0.7MPa 時(shí)，排氣1.5s使容器內(nèi)恢復(fù)大氣壓，即壓力表讀數(shù)為0，再抽真空2.5s使容器內(nèi)達(dá)到-0.095MPa。正負(fù)壓力交替的周期為8s，依此循環(huán)。沖水沖刷的試驗(yàn)參數(shù)選擇包括壓力大小、壓力變化頻率、沖刷作用的時(shí)間和試驗(yàn)的溫度。

2.2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 動(dòng)水沖刷試驗(yàn)過程

對混合料試件進(jìn)行切割，切割后長度為12.5cm，通過臺鉗夾緊模具，使試件有0.5cm～1cm在試模外與水接觸，將試模與試件放入動(dòng)水沖刷儀后，上緊螺絲，進(jìn)行試驗(yàn)。如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)試件緊固圖Fig.4 Standard specimens tighten figure

2.2.2 采用劈裂強(qiáng)度評價(jià)泡沫瀝青混合料的水損害程度

本試驗(yàn)研究根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTG E20-2011》中規(guī)定：對于取芯芯樣的劈裂試驗(yàn)要求直徑為Φ100mm±2mm、高為40mm±5mm的圓柱體試件，劈裂試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 劈裂試驗(yàn)Fig.5 Splitting test

試件在動(dòng)水沖刷的過程中，混合料內(nèi)會(huì)出現(xiàn)空隙連通，動(dòng)水壓力會(huì)向混合料內(nèi)部傳遞，正壓與抽負(fù)壓交替作用，成型代表性的兩組試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)：(1)沖刷前，劈裂強(qiáng)度見表5；(2)動(dòng)水沖刷后，劈裂強(qiáng)度見表6。

表5 未沖刷Table 5 Not wash

表6 60℃動(dòng)水沖刷2hTable 6 60℃ water washed 2h

續(xù)表6

試驗(yàn)條件試件編號空隙率/%劈裂強(qiáng)度/MPa試件25℃沖刷2h，60℃125 280 489保溫4h沖刷2h，60℃134 510 503沖刷2h，60℃144 470 502沖刷2h，60℃155 640 497沖刷2h，60℃164 880 511平均值4 900 500

圖6 劈裂強(qiáng)度均值對比圖Fig.6 Cleavage strength mean contrast figure

由表5～表6可以看出，同一組試件的劈裂強(qiáng)度差別不大。由圖6劈裂強(qiáng)度均值對比可知：泡沫瀝青冷再生混合料試件動(dòng)水沖刷前平均劈裂強(qiáng)度為0.6MPa，沖刷后平均劈裂強(qiáng)度為0.5MPa，沖刷前后劈裂強(qiáng)度降低22%。可以看出動(dòng)水沖刷對泡沫瀝青冷再生混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是有顯著影響的，60℃動(dòng)水沖刷2h能顯著降低泡沫瀝青冷再生混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此本文推薦該配比的泡沫瀝青冷再生混合料適用于瀝青面層的中下面層，不適用于上面層。

3 結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，泡沫瀝青最佳發(fā)泡條件為：發(fā)泡溫度150℃～155℃，用水量為3%，膨脹比為16，半衰期為9s。

(2)通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，提出泡沫瀝青冷再生混合料的最佳配比。

(3)動(dòng)水沖刷結(jié)果顯示泡沫瀝青冷再生混合料試件沖刷前后劈裂強(qiáng)度降低22%，動(dòng)水沖刷能顯著降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此本文推薦該配比的泡沫瀝青冷再生混合料適用于瀝青面層的中下面層，不適用于上面層。

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FoamedAsphaltColdRecycledMixtureMaterialDesignandItsAnti-scouringPerformanceEvaluation

YANG Zhi-yu，ZHU Yong-wei，CHEN Wei-ying

(Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China)

For the reasonable use of asphalt pavement recycling materials，this article attempts through a series of indoor experiment and design foam asphalt cold recycled mixture and evaluate the water damage resistance. Mixture design phase determines the best foaming condition，optimum asphalt content，the optimal water content and the best mix ratio. Dynamic water washout test results showed that the foam asphalt cold recycled mixture specimens before and after wash cleavage strength by 22%，dynamic water scouring can significantly reduce the intensity of its structure，so this article recommend foam asphalt cold recycled mixture is suitable for the middle and lower layer of asphalt surface，does not apply to the layer above.

asphalt mixture，foam asphalt，cold regeneration，erosion resistance

U 416.2