路面材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比設計

沈世鑫

（青海民族大學土木與交通工程學院，青海 西寧 810007）

0 引言

城市化的建設推動了道路發展，道路建設任務艱巨的同時，其養護與維修任務也日益繁重。現階段國內道路建設主要形式為半剛性基層瀝青路面，長期以來，在自然因素和人為因素的影響下，很多道路都會出現大量松散、裂紋等路面危害[1]。長年累月下，嚴重影響道路的安全，在道路路面的維修和養護方面需要消耗大量的資金和資源，并且在維修和養護的同時，有很多廢舊的混合料被廢棄，處理不當的情況下周圍的環境被嚴重污染[2]。因此，瀝青路面再生技術受到廣泛關注。但是面對現階段越來越多的道路建設和越來越重的車輛行駛負擔，并且混合料中同時存在泡沫結合料和舊瀝青，這兩種材料結合后，在高溫情況下，重復的車輛荷載作用將會造成混合料粘彈性變形，以往的一些配合比很難滿足現階段道路建設的養護下對泡沫瀝青混合料的實際需求。因此，需研究道路建筑材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比，通過科學合理的配合比，設計性能更好的泡沫瀝青冷再生混合料。

1 泡沫瀝青冷再生混合料的配合比

1.1 冷再生混合料礦料級配設計

冷再生混合料的使用需要時間較長的運輸過程中，導致混合料的拌和和攤鋪之間的延遲時間比較長，因此在泡沫瀝青冷再生混合料的配比中，應使用慢裂型泡沫瀝青，因此選用陽離子型泡沫瀝青[3]。

用于冷再生混合料中的活性填料為道路硅酸鹽水泥，水泥強度等級為42.5。采用這種規格的水泥作為活性填料，是為了加速泡沫盡快乳化，提高冷再生混合料的早期強度[4]。但是如果過多使用水泥填料，會降低冷再生混合料的疲勞性能，因此為了避免出現這種情況，在設計中設定水泥用量為2%以下。設計中使用的細集料為機制砂，粗集料為石灰巖碎石，瀝青路面材料則是從路面銑刨料中回收[5]。冷再生混合料配合比設計的目的是實現混合料的連續密實性，這就需要降低混合料的礦料間的間隙率。因此根據AC-20 的礦料級配范圍，優化組合上述3 種材料，經過計算得出兩種原材料組成比例。

1.2 確定最佳拌和用水量

為了確保良好的拌和效果與較好的壓實度，冷再生混合料在拌和過程中需加入適量的水。水量的多或少都會對冷再生混合料產生不良的影響，如果拌和水量過少，冷再生混合中粘結料不能均勻分散，容易產生瀝青團，降低了冷再生混合料的施工性[6]。如果拌和水量過多，則會降低泡沫瀝青對集料的吸附性，導致混合料孔隙率過大，強度下降。因此，為了保證泡沫瀝青冷再生混合料具有良好的實用性能，在拌和中確定一個最佳拌和用水量。

1.3 確定最佳泡沫瀝青用量及配合比驗證

道路路面基層主要承受豎向壓應力和水平拉應力作用，當基層底部的抗彎拉強度或粘結強度不能滿足規范的要求，在行車荷載反復作用下，基層就會被破壞，直接影響路面面層[7]。因此，考慮冷再生混合料穩定性的要求，在保持最佳拌和用水量不變的情況下，制備馬歇爾試件，用于確定泡沫瀝青用量。篩選出最合適的配合比，經過驗證得到結果見表1。標準：舊水穩基層銑刨料100%利用，水泥摻量為1.5%。泡沫瀝青最佳發泡溫度為150 ℃，發泡用水量為2.5%。水穩基層泡沫瀝青冷再生混合料的最佳含水量為6.5%，最大干密度為2.137 g/cm3。泡沫瀝青最佳用量為2.7%。

從表1 中結果可以看出，兩種配合比均符合技術要求，相比之下，合成級配1 的結果要優于合成級配2，因此，設計的合成級配1 為道路建筑材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比最佳結果。

表1 冷再生混合料性能驗證結果

2 實驗驗證

2.1 實驗材料準備

選用RAP 材料，并選取有代表性的舊料進行配合比實驗研究，在泡沫瀝青冷再生混合配料比實驗研究中，重復彎曲疲勞實驗和間接拉伸疲勞實驗是綜合評價效果最好的方法。從兩種實驗方法所需試件形式考慮，重復彎曲實驗中以輪碾成型的板塊試件切割出的小梁試件作為實驗樣本，間接拉伸實驗以采用馬歇爾擊實成型的標準圓柱體試件作為實驗樣本。

由于泡沫瀝青冷再生混合料中含有一定量的瀝青，材料具有一定的粘彈性性質，在實驗中不考慮高溫對材料的疲勞破壞，因此確定泡沫瀝青冷再生混合料配合比的疲勞性研究溫度為15 ℃±1 ℃。

2.2 疲勞性實驗結果及分析

疲勞性實驗研究中，使用UTM-100 萬能實驗機作為主要設備，實驗裝置包括加載設備、環境箱和控制及數據處理系統。實驗中采用3 種不同的泡沫瀝青冷再生混合料配合比，其中兩種是比較傳統的配合比，一種是設計的配合比。在間接拉伸疲勞性實驗中，采用擊實成型的馬歇爾試件加載波形，在應力比相同的情況測試3 種不同試件的壽命。實驗結果具體內容見表2~表3。劈裂測試需耗費至少24 h，不利于現場質量控制，為此提出一種快速方法，利用單級材料，分別采用馬歇爾穩定度及劈裂強度確定最佳油石比。將兩檔單級配料與各自所占的比例相乘，再相加，得出合成級配1。

表2 3 種不同配合比泡沫瀝青冷再生混合料的重復彎曲疲勞性實驗結果 MPa

表3 3 種不同配合比泡沫瀝青冷再生混合料的間接拉伸疲勞性實驗結果 MPa

表中RM1 表示第1 種傳統泡沫瀝青冷再生混合料配合比，RM2 表示第2 種傳統泡沫瀝青冷再生混合料配合比，RM3 表示設計的泡沫瀝青冷再生混合料配合比。對比觀察表中數據分布情況可知，RM1下的各個試件疲勞壽命較短，其標準差和偏差系數均比較高，很難滿足實際需求；RM2 下的各個試件雖然疲勞壽命較RM1 較長，但是其標準差和偏差系數均比較高；而RM3 下的各個疲勞壽命比較高，標準差、偏差系數比較低，能夠更進一步滿足實際需求。實驗中，考慮到實驗的嚴謹性和可靠性，在疲勞性實驗的基礎上，從材料的抗變形性出發，設計蠕變實驗，通過蠕變實驗，進一步驗證材料的性能。

2.3 蠕變實驗結果及分析

蠕變實驗中，向試件加載軸向荷載，并在一定時間后卸載，試件在此過程中將產生蠕變變形，通過加載末變形、卸載末變形、蠕變勁度模型等參數可以分析出試件的抗變形能力。泡沫瀝青冷再生混合料自身具有粘彈性，蠕變變形得到一定程度的恢復，但最終仍會殘留部分變形無法恢復，這種就是永久變形，永久變形量過高說明泡沫瀝青冷再生材料抗變形性能一般。

在荷載施加初始階段，蠕變變形迅速增大，3 種配合比下的材料卸載末變形所差無幾，產生的初始壓密變形也大致相同，但是蠕變變形進入穩定發展的階段后，在蠕變速率上，RM3 下的變形速度更小，說明其變化更穩定，再對比殘留變形百分率可知，RM3 下試件的殘留變形百分比更少，說明該材料蠕變變形恢復效果更好。在整個試件變形完成后，通過蠕變勁度模量和蠕變柔量可知，RM3 下的試件整體抗變形能力更好。

將疲勞性實驗結果與抗變形性實驗結果結合在一起，分析可知，設計的道路建筑材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比更為科學合理，在此配合比下生成的材料具有更好的實用性。

3 結語

本文圍繞著道路材料泡沫瀝青冷再生混合料配合比的設計展開研究，在原有研究資料和成果的基礎上，進一步提高其實際性能，相比以往一些常規的配合比，本文研究的冷再生混合料配合比更加科學合理，通過大量實驗研究，證明了在設計的配合比下，泡沫瀝青冷再生混合料的強度更好，更適合應用在實際項目中。但是由于時間有限，本文只進行了室內實驗，對于泡沫瀝青冷再生混合料的性能還需要進一步研究，結合室內和室外實驗予以驗證和補充。