泡沫瀝青冷再生混合料路用性能綜合評價

陳 謙，宋 亮，王 帥，問鵬輝

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

泡沫瀝青冷再生工藝[1]是先將舊瀝青面層銑刨破碎后與一定量新集料混合，再將泡沫瀝青噴入其中，之后經過拌和、碾壓成型，是一種節能環保的先進道路施工工藝[2]。近年來，許多學者致力于泡沫瀝青冷再生混合料的研發和性能改善[3-4]。M.IWASKI等[5]和李志剛等[6]分別系統研究了濕度及低溫影響下不同濃度泡沫瀝青對冷再生道路基層力學性能的影響；H.I.L.JIMéNEZ等[7]采用力學-經驗法研究了泡沫瀝青冷再生機場路面設計方法，同時分析了采用泡沫瀝青的冷再生混合料剛度及抗疲勞特性；徐金枝等[8]研究了泡沫瀝青及水泥等黏結料對泡沫瀝青冷再生混合料高低溫性能及抗松散性能的影響；鄧海濱等[9]分析了泡沫瀝青冷再生路面車轍產生機理，并通過添加外加劑方式提升了冷再生混合料的動穩定度；ZHANG Zhiqing等[10]通過研究發現：泡沫瀝青冷再生混合料具備高模量、溫縮小及水穩定性好等優點，能有效降低路面早期裂縫發生。綜上所述，學者們前期的研究較多集中于泡沫瀝青冷再生混合料相關性能改善，但對泡沫瀝青冷再生混合料綜合路用性能系統評價及如何確定泡沫瀝青冷再生混合料中泡沫瀝青的最佳含量等問題的研究還不夠深入全面，限制了泡沫瀝青冷再生混合料發展及推廣應用。

為進一步系統化、科學化評價泡沫瀝青冷再生混合料路用性能，筆者基于最佳發泡條件及含水率，對比分析了不同泡沫瀝青含量下泡沫瀝青冷再生混合料的各項路用性能指標，建立了基于功效系數法的泡沫瀝青冷再生混合料性能評價模型，系統研究了泡沫瀝青冷再生混合料路用性能，并確定了泡沫瀝青冷再生混合料中泡沫瀝青最佳含量。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

再生瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)采用連霍高速G30新疆境內小草湖至烏魯木齊段改擴建工程面層銑刨料，泡沫瀝青為烏奎段瀝青拌合站所采用韓國SK AH-90#基質瀝青制備的泡沫瀝青，水泥選用天山P·C32.5硅酸鹽水泥，新集料為優質玄武巖，原材料各項技術指標見表1。根據級配設計范圍，向RAP料中加入細集料和礦粉，并對其進行篩分，確定各料摻配比例和合成級配，如表2。

1.2 發泡條件

采用WLB10發泡試驗機，對瀝青進行不同溫度(145～165 ℃)、不同發泡用水量(2.5%～3.5%)條件下的發泡特性試驗，如圖1。

圖1 發泡特性試驗結果

由圖1可知：除了在發泡溫度為145 ℃、發泡用水量2.5%時，其它條件下該瀝青發泡特性都滿足現行規范所規定的泡沫瀝青最低發泡標準[11]，即膨脹率大于10倍，半衰期大于8 s。在3種不同溫度下，當發泡用水量為3%時即可獲得較好發泡效果，其膨脹率均在20倍以上，半衰期均不低于16 s。當發泡溫度為155 ℃時，各個指標值比較均衡。據此確定本研究中瀝青發泡條件為：發泡溫度155 ℃，發泡用水量3.0%。

1.3 水泥摻量及最佳含水率

水泥作為添加劑，其摻量會直接影響泡沫瀝青冷再生混合料強度。基于前期研究，泡沫瀝青摻量暫定為3.0%[12]，采用上述最佳發泡條件，以劈裂強度為主要評價指標[13]，系統分析了不同水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料力學性能影響，如圖2。

圖2 水泥摻量對混合料強度的影響

由圖2可知：隨著水泥摻量逐漸增大，混合料干、濕劈裂強度均隨之逐漸增大，當水泥摻量達到2.0%后，劈裂強度增幅減緩；而干濕劈裂強度比變化幅度較小，摻量提升至2.0%和2.5%后，干濕劈裂強度比分別增加了1.013%和1.014%。此外，考慮到雖然水泥摻量較大時能增強混合料顆粒間的黏結，可更好提升混合料力學強度，但過多的水泥會導致混合料脆性增加。因此筆者將水泥摻量設定為2.0%。

在此基礎上，將RAP、細集料、礦粉、水泥按所設計比例混合并成型試件，通過重型擊實試驗確定混合料的最佳含水率為6.8%，如圖3。

圖3 最佳含水率

1.4 路用性能測試方法

根據規范[14]，測試泡沫瀝青冷再生混合料高溫、低溫、水穩、抗疲勞等路用性能。① 高溫性能：采用動穩定度(60 ℃)來表征其高溫抗車轍能力；值得注意的是，本研究中水泥的主要作用為活性添加劑，且摻量較小，因此采用動穩定度評價泡沫瀝青冷再生混合料高溫性能還是較為合適的；② 低溫性能：采用劈裂強度來表征其低溫抗裂性能；③ 水穩性能：采用馬歇爾試件的殘留穩定度和凍融劈裂強度比(TSR)雙指標來評定；④ 抗疲勞性能：評價指標為疲勞壽命，采用四點彎曲疲勞壽命試驗，試驗溫度為15 ℃，應力比取0.5。

2 結果與討論

2.1 路用性能

將2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 wt%等5個泡沫瀝青含量命名為方案A1～A5，并制備泡沫瀝青冷再生混合料。通過測試這5種不同方案泡沫瀝青冷再生混合料的高溫、低溫、水穩、抗疲勞性能，對其路用性能進行系統研究和評價，如圖4。

圖4 不同方案的路用性能

由圖4可知：隨著泡沫瀝青用量增加，不同方案泡沫瀝青冷再生混合料的各項路用性能變化規律雖存在一定差異，但均呈現先增高后降低趨勢，這同普通瀝青混合料與瀝青含量變化規律相吻合，均是由于瀝青含量增加，集料與瀝青接觸面積增大，混合料黏聚力明顯增強，各項路用性能隨之提升；而隨著瀝青用量再次增加，自由瀝青增多，有效瀝青相應減少，反而降低了混合料黏聚力，各項路用性能隨之不斷下降。其中：混合料高溫、低溫、水穩、抗疲勞性能相對應的泡沫瀝青最佳含量分別為2.5%、2.5%、2.5%、3.0%、3.0%、3.0%，其數值各異。同時各項路用性能指標值較為接近，無法直觀對比分析。

基于此，針對不同路用性能對應最佳泡沫瀝青用量各異問題，為確定泡沫瀝青最佳用量，引入功效系數法，對不同泡沫瀝青冷再生混合料設計方案進行多指標綜合評價和科學決策。

2.2 綜合評價

基于上述研究，筆者利用功效系數法[15]構建起5方案6指標的功效系數評價體系，并對泡沫瀝青冷再生混合料路用性能進行綜合評價。

2.2.1 數據標準化處理

在對各項評價指標分析基礎上，確定評價指標滿意值(Xhi)和不允許值(Xsi)[16]。滿意值通常選擇評價標準最優限值；不允許值通常選擇評價標準最不利限值，見表3。

表3 評價指標標準化處理

2.2.2 單項功效系數計算

評價指標主要包括2種變量：極大型和極小型，其單項功效系數的確定方法分別見式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：d1i為第i個極大型評價指標的單項功效系數；Xi為第i個評價指標的實際值；Xhi為第i個評價指標的滿意值；Xsi為第i個評價指標的不允許值；d2i為第i個極小型評價指標的單項功效系數。

根據式(1)、(2)，計算各項評價指標的單項功效系數如圖5。

圖5 各項評價指標的單項功效系數

2.2.3 各項指標權重確定

單項功效系數確定后，根據各評價指標重要程度，采用變異系數法對各項指標進行賦權[17]；相比于目前專家打分等主觀賦權方法，該方法較為客觀合理。根據式(3)計算第i項評價指標變異系數νi。

(3)

根據式(4)計算第i項評價指標權重ωi。

(4)

根據式(3)、(4)，計算各項評價指標權重，如表4。

表4 各項指標權重

2.2.4 總功效系數計算

總功效系數Di可根據式(5)計算，得到不同方案基本性能總功效系數，見圖6。

圖6 綜合性能總功效系數

(5)

圖6為不同泡沫瀝青冷再生混合料設計方案綜合性能的總功效系數。其排序為：A3>A2>A4>A1>A5，A3的總功效系數最高，說明A3方案的綜合路用性能更優。在實際試驗過程中，3.0%含量的泡沫瀝青冷再生混合料具有優良的高、低溫性能，特別是抗疲勞性能尤為突出，這一結論與評價體系得出結論一致，表明泡沫瀝青冷再生混合料路用性能預測結果較好地反映了實際情況。同時，通過進行大型足尺試驗(200 cm×200 cm×5 cm)，經測試其各項路用性能良好，進一步驗證了泡沫瀝青冷再生混合料路用性能綜合評價體系的可靠性。

3 結 論

1)瀝青最佳發泡條件為：發泡溫度155 ℃，發泡用水量3.0%；最佳含水率為6.8%；在水泥劑量為2%條件下，泡沫瀝青含量為2.5%～3.0%時，混合料各項路用性能相對較好。

2)基于功效系數法，建立了泡沫瀝青冷再生混合料路用性能綜合評價體系，5種方案總功效系數值大小順序為A3>A2>A4>A1>A5；即泡沫瀝青最佳含量為3.0%時，泡沫瀝青冷再生混合料綜合路用性能最好。

3)將功效系數法用于泡沫瀝青冷再生混合料路用性能綜合評價的嘗試尚處于初步階段，存在某些問題有待進一步研究解決，例如：如何構建多變量多指標評價體系，從而解決不同變量、水平下的性能綜合評價。

4)本研究中路用性能還局限在常規基礎指標評價，在今后研究中，建議引入泡沫瀝青及混合料流變性能、微觀特征等方面指標，使路用性能綜合評價更為系統化。