溫拌改性泡沫瀝青再生混合料性能研究*

王海蛟，張慶宇，王 凱

(1.中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北交通職業技術學院土木工程系，河北 石家莊 050091)

0 引言

溫拌再生技術集溫拌技術和熱再生技術以最大限度利用舊瀝青路面材料、節能減排顯著而受到廣大道路工作者關注，成為近年來研究熱點[1-3]。

Honeywell(簡稱“Hon”)溫拌改性劑為針對當前瀝青路面性能需求開發的瀝青混合料添加劑，有助于提升瀝青混合料路用性能，且大大降低生產溫度。目前，瀝青混合料再生主要分為現場熱再生、現場冷再生、廠拌熱再生和廠拌冷再生[4]。溫拌改性泡沫瀝青再生混合料能在較低溫度下生產施工，降低了瀝青老化，同時，具有較好和易性，結構更密實。再生瀝青混合料應用于高等級公路上，最主要問題為疲勞性能和永久變形[5]。文獻[6]研究表明，溫拌再生瀝青混合料動態模量呈現更多黏彈性特征，且舊瀝青混合料(RAP)摻量越大，動態模量呈增大趨勢。文獻[7]認為溫拌再生瀝青混合料抗疲勞性能優于熱拌再生瀝青混合料。文獻[8]研究了RAP摻量對泡沫溫拌再生瀝青混合料路用性能的影響，得出RAP摻量為 30%時經濟適用性最優。目前相關文獻研究再生瀝青混合料的RAP摻量和路用性能較多，而對再生瀝青混合料溫拌改性泡沫瀝青應用及動態模量、疲勞性能等方面研究報道較少。以AH70作為基質瀝青，選取Hon7686作為溫拌改性劑，制備AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料，通過室內瀝青發泡試驗、劈裂強度試驗、動態模量試驗和間接拉伸試驗分析摻加30%銑刨料溫拌改性泡沫瀝青再生混合料路用性能和力學性能，推導建立AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料應力疲勞方程和動態模量主曲線方程，為溫拌改性泡沫瀝青再生混合料的應用提供指導和參考。

1 試驗準備

1.1 原材料

1)瀝青 采用A級70號瀝青(以下簡稱“AH70”)，主要技術指標檢測結果如表1所示。由表1可知，AH70瀝青主要技術指標滿足規范要求。

2)摻配材料 摻配材料包括石粉和活性填料。石粉為石灰巖，粒徑0～3mm。活性填料為P·S·A32.5 水泥。

3)改性劑 Hon7686改性劑外觀為白色粉末，為一種改善瀝青混合料綜合路用性能的改性劑，熔滴點為130～135℃，黏度為4.1～4.8Pa·s (150℃)。

1.2 Hon7686改性瀝青性能

將基質瀝青加熱至150℃，然后使用攪拌器將Hon7686改性劑分散，攪拌速率為1 000r/min，時間1h。改性瀝青指標測試結果如圖1所示，黏度測試結果如表2所示。

圖1 不同Hon7686摻量改性瀝青指標測試結果

表2 Hon7686改性瀝青黏度測試結果

由圖1及表3可知，隨著Hon7686改性劑摻量增加，瀝青針入度變小，但影響趨勢變緩；軟化點明顯提升，且保持持續增長；延度明顯下降。60℃黏度增加明顯，可提高瀝青混合料高溫穩定性性能；150℃高溫黏度略有增加，但幅度不大，可推斷出摻加Hon7686改性劑不會增加瀝青發泡難度。

1.3 室內發泡試驗

采用室內小型Wirtgen WLB l0S 試驗發泡裝置和 WLM 30型拌合機。室內發泡試驗測試結果如表3所示。

表3 室內發泡試驗測試結果

由表3可知，不同發泡溫度和用水量對改性瀝青發泡參數無影響，Hon7686改性瀝青不改變發泡性能。選擇Hon7686改性瀝青發泡溫度160℃，發泡用水量2.5%，相應最佳發泡膨脹比為19，半衰期為14s。

1.4 馬歇爾試驗

溫拌改性泡沫瀝青再生混合料礦料摻配比例為銑刨料30%、新料68.5%、水泥1.5%。礦料級配組成如圖2所示。

圖2 礦料級配組成

通過馬歇爾試驗和擊實試驗，確定Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料最佳油石比為4.9%，空隙率為4.8%。

2 高溫穩定性

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》碾壓成型300mm×300mm×50mm車轍板并進行車轍試驗。試驗結果如圖3所示。

圖3 車轍試驗結果

由圖3可知，隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料抗車轍能力明顯增強，特別是摻量為6%時，抗車轍能力達2倍以上。

3 水穩定性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》推薦的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價溫拌改性泡沫瀝青再生混合料水穩定性能。試驗結果如圖4，5所示。

圖4 浸水馬歇爾試驗結果

圖5 凍融劈裂試驗結果

由圖4，5可知，Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料殘留穩定度和殘留強度比均分別大于85%，80%，滿足規范規定的改性瀝青混合料水穩定性技術要求，且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，水穩定性能逐漸增強，具有較好的水穩定性能。

4 低溫性能

彎曲試驗適用于測定瀝青混合料試件在規定溫度和加載應力水平條件下彎曲破壞的力學性質[9]。瀝青混凝土小梁彎曲試驗是研究瀝青混凝土材料低溫抗裂性能的重要方法[1]。試驗溫度為-10℃±0.5℃，加載速率為50mm/min。適用于由輪碾成型后的試件切制成長250mm、寬30mm、高35mm棱柱體小梁，跨徑為200mm。低溫彎曲試驗結果如圖6所示。

圖6 小梁彎曲試驗結果

由圖6可知，Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料低溫彎曲破壞應變均>2 500με，滿足規范規定的技術要求，且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，低溫性能逐漸增強，具有較好的低溫性能。

5 力學性能

5.1 劈裂強度試驗

劈裂強度是評價瀝青混合料力學性能的重要指標[10]。試驗溫度為15℃±0.5℃，加載速率為50mm/min。馬歇爾擊實法成型圓柱體試件直徑(101.6±0.2)mm，高(63.5±1.3)mm，壓條寬12.7mm。干劈裂試驗在15℃恒溫水浴中保溫1h，濕劈裂試驗先在25℃恒溫水浴中保溫23h，再在15℃恒溫水浴中保溫1h。溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強度試驗結果如圖7所示。

圖7 劈裂強度試驗結果

由圖7可知，隨著Hon7686改性劑摻量增加，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強度逐漸下降，且摻量4.5% 以下干劈裂強度均>0.5MPa。干、濕劈裂強度比分別為92%，90%，90%，84%，均大于規范要求的75%，可根據Hon7686改性劑摻量用于路面基層和面層。

5.2 動態模量試驗

根據馬歇爾試驗確定的溫拌改性泡沫瀝青再生混合料制備參數，采用旋轉壓實成型，試件尺寸為直徑100mm、高150mm。選用SHRP推薦的SPT試驗儀進行動態模量試驗[12]。試驗參數如下：試驗溫度采用10，20，30，40℃。采用常應變控制方式，加載波形為正弦波，應力水平采用50～150微應變下對應的應力。軸向計量長度70mm。動態模量試驗結果如表4所示。

表4 動態模量試驗結果 MPa

由表4可知，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態模量對溫度具有明顯的依賴性。溫度升高，動態模量減小，溫度降低，動態模量升高。以5℃為溫度間隔，常用加載頻率1～25Hz，10～20℃，20～30℃，30～40℃溫度時，每升高5℃其動態模量分別降低2 800～4 000MPa，1 100～2 700MPa，300～1 200MPa。可見，溫度變化對瀝青混合料的動態模量影響很大。

加載頻率對溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態模量同樣具有較大影響。隨著加載頻率增大，荷載作用時間減小，動態模量增大，反之，動態模量降低。研究表明，加載頻率為10Hz時，荷載時間約為0.016s，相當于車輛行駛速度為60～65km/h。加載頻率為20～25Hz時，溫度由10℃升高至40℃，動態模量變化100～500MPa。由此說明，行車速度較高時(約為120km/h)，加載頻率的變化即行車速度變化，對瀝青混合料動態模量變化影響較小。

5.3 疲勞試驗

疲勞性能是溫拌改性泡沫瀝青再生混合料重要的技術性能[12]。試件采用旋轉壓實成型，直徑為100mm、高150mm。采用應力控制模式，加載波形為半正弦波，加載頻率10Hz，應力比為0.3，0.4，0.5，0.6，試驗溫度為10，20，30℃。疲勞試驗結果如圖8所示。縱坐標荷載作用次數為lg對數值。

圖8 溫拌改性泡沫瀝青再生混合料疲勞曲線

選用經典的應力疲勞方程，如式(1)所示。

(1)

式中：N為荷載作用次數(次)；σ0為應力(MPa)；K，n為擬合參數。

結合圖8，建立了不同溫度下AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料的應力疲勞方程，相關系數均在0.96以上，表明擬合效果良好。應力疲勞方程擬合參數如表5所示。

表5 瀝青混合料應力疲勞方程擬合參數

6 動態模量主曲線

瀝青混合料動態模量主曲線通常運用非線性最小二乘法通過S型函數擬合得到[13]。動態模量與加載頻率的關系如式(2)所示。

(2)

式中：E*為動態模量(MPa)；tr為縮減時間(s)；δ為動態模量E*最小值(MPa)；α為動態模量E*最大值(MPa)；β，γ為描述型函數波形參數。

時間-溫度位移系數α(T)表示不同溫度下瀝青混合料動態模量平移至參考溫度下主曲線距離。位移系數、加載時間與縮減時間的關系如式(3)所示。

lg[α(T)]=lgt-lgtr

(3)

式中：T為溫度(℃)；t為加載時間(s)。

采用基于礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA確定瀝青混合料動態模量主曲線的方法。根據Christensen和Andersen研究結果，通過Hirsch模型預估動態模量極大值，如式(4)所示[14]。

(4)

其中：

(5)

式中：|E*|max為最大極限模量。

溫拌改性泡沫瀝青再生混合料VMA=16.5%，VFA=62.3%，采用式(4)，(5)計算最大極限模量，并取對數作為Max；溫拌改性泡沫瀝青再生混合料Max為6.509。

采用阿侖尼斯(Arrhenius)方程計算縮減時間[15]，如式(6)所示。

(6)

式中：Tr為參考溫度(℃)；T為試驗溫度(℃)；ΔEa為擬合系數。

將式(6)代入式(7)，主曲線方程可表示為：

(7)

將式(3)和式(6)聯立，各溫度下位移系數可表示為：

(8)

將Max和參考溫度Tr=20℃代入式(7)，同時，采用1stopt1.5軟件數值擬合動態模量試驗數據確定方程參數。擬合結果如表6所示。

表6 Sigmoidal主曲線方程參數擬合結果

由表6可知，其相關系數平方接近1，表明相關密切，擬合良好。將表6中主曲線方程擬合參數代回式(8)，即可求出Tr=20℃時不同溫度位移系數，如表7所示。

表7 不同溫度下的平移因子

根據表7中不同溫度下的平移因子可建立參考溫度20℃時，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態模量主曲線，如圖9所示。根據動態模量主曲線可預估現有設備測試范圍外加載頻率下瀝青混合料動態模量。

圖9 溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態模量主曲線

7 結語

1)通過室內發泡試驗，確定Hon7686溫拌改性瀝青最佳發泡條件，即發泡溫度為160℃、發泡用水量為2.5%。

2)改性泡沫瀝青隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，針入度變小，軟化點明顯提升，延度明顯下降，60℃黏度明顯增大，150℃高溫黏度略有增加。

3)Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料具有良好的路用性能，且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，其高溫穩定性、水穩定性及低溫性能逐漸增強。

4)劈裂強度試驗表明，隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強度逐漸下降，推薦摻量宜≤4.5%。

5)依據間接拉伸疲勞試驗，建立AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料應力疲勞方程，其擬合相關系數平方均>0.95，相關性較好。根據S型函數建立參考溫度為20℃時溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態模量主曲線，可預估現有設備測試頻率范圍外動態模量，為瀝青路面結構設計及服役性能壽命預估提供參數。