安徽普通公路泡沫瀝青冷再生混合料中長期路用性能評價(jià)

劉 軍

（安徽省公路管理服務(wù)中心,安徽 合肥 230022）

0 引言

泡沫瀝青的冷再生經(jīng)使用泡沫瀝青與水泥作為穩(wěn)定劑，專用設(shè)備處理原瀝青路面進(jìn)行冷銑和冷刨舊材料并就地或經(jīng)廠混合方法添加泡沫瀝青、水泥、水的混合物在常溫、鋪裝、軋制等工序后實(shí)現(xiàn)了瀝青路面再生的技術(shù)[1]。其充分利用了“剩余價(jià)值”，推行低碳循環(huán)利用，減少浪費(fèi)，節(jié)約了工程造價(jià)。安徽省2019年首次在G105宿松段（K1376+800~K1391+200）水毀修復(fù)以及路面深層修復(fù)中應(yīng)用到泡沫瀝青冷再生技術(shù)，目前在部分普通國省干線公路上應(yīng)用了該技術(shù)，經(jīng)跟蹤檢測觀測，路面性能良好。然而安徽省近年來部分泡沫瀝青冷再生路面服役期均不足三年，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)還不足以對泡沫瀝青冷再生混合料的路面長期性能做出全面科學(xué)評價(jià)，因此，有必要基于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)對其路面使用性能進(jìn)行評價(jià)，為進(jìn)一步研究和改進(jìn)冷再生泡沫瀝青混合料的長期道路性能提供了依據(jù)。

近幾年以來，國內(nèi)外研究和改進(jìn)冷再生泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)，對使用性能和疲勞耐久性也進(jìn)行了一定的研究。叢培等[2]通過分析RAP、發(fā)掘再生劑和模擬使用時(shí)間對泡沫瀝青冷再生疲勞性能的影響對變形水平的變化更敏感因子，并且增加RAP摻量或添加再生劑有效改善其抗疲勞性能。張爭鵬等[3]結(jié)合天津地區(qū)現(xiàn)有泡沫瀝青冷再生高速公路工程，對泡沫冷再生材料的長期力學(xué)性能與長期路面使用性能進(jìn)行研究，但受再生層上鋪筑的瀝青面層厚度和交通等級影響較大。王宏等[4]研究了泡沫瀝青冷再生的力學(xué)性能在不同的養(yǎng)生溫度下，隨著養(yǎng)生溫度的升高，干濕混合再生泡沫瀝青的力學(xué)性能顯著提高。經(jīng)養(yǎng)生溫度升高后，混合物的單位體積的破壞變形能量明顯增加。

從國內(nèi)外研究結(jié)果中可以看出，通過提高養(yǎng)生溫度或添加改性劑等措施可以有效增強(qiáng)公路泡沫瀝青冷再生混合料長期道路性能。該文驗(yàn)證了泡瀝青冷再生混合料在不同條件下的物理性能及多次凍融循環(huán)后的水穩(wěn)定性、疲勞性能，其對研究和改進(jìn)冷再生泡沫瀝青混合料長期路用性能具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 回收瀝青路面材料（RAP）

RAP依托淮南市某國省干線路面修復(fù)工程獲取，為了分析不同再生速率下研磨材料級配的變化，現(xiàn)場取樣的時(shí)候可采用泡沫瀝青切割型原位冷再生機(jī)，切削厚為10 cm時(shí)，以3 m/min、5 m/min、7 m/min的三種速度銑削作業(yè)進(jìn)行研磨和取樣，通過室內(nèi)銑削作業(yè)篩選試驗(yàn)獲得不同的銑削材料的級配，如圖1所示。

圖1 不同銑刨速度RAP篩分結(jié)果

由圖1可知，再生機(jī)3 m/min銑刨速度下，舊混合料中最大粒徑偏小，均小于26.5，粗骨料含量較少；5 m/min銑刨速度下，舊混合料中整體級配適中；7 m/min銑刨速度下，銑刨料大塊偏多。因此，該文選擇5 m/min銑刨速度下銑刨料為原材進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

1.1.2 其他原材料

瀝青采用金陵石化AH-70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行發(fā)泡。為了進(jìn)一步提高冷再生混合物的早期強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，初始添加量為水泥1.5%，試驗(yàn)采用標(biāo)號為42.5的普通緩凝硅酸鹽水泥，新添加的粗集料采用石灰?guī)r。

1.2 試驗(yàn)方法

采用振動(dòng)擊實(shí)成型儀器，馬歇爾樣品在發(fā)泡瀝青計(jì)量的最佳條件下通過混合比測試成型。室內(nèi)按常規(guī)養(yǎng)生、添加抗剝落劑、40 ℃養(yǎng)生三種條件制備試件，三種條件按順序編號為A1、A2、A3。

A1方案：試件25 ℃恒溫箱養(yǎng)生4 d；

A2方案：按瀝青質(zhì)量0.5%摻加的某非胺類抗抗剝落劑，試件25 ℃恒溫箱養(yǎng)生4 d；

A3方案：試件40 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生3 d+室溫25 ℃恒溫箱養(yǎng)生4 d。

按以上方案依次測試泡沫瀝青冷再生混合料，基本力學(xué)性能：采用振動(dòng)成型的大馬歇爾試件的馬歇爾穩(wěn)定度以及干濕分餾阻力，以評估混合物的高溫性能和水穩(wěn)定性。長期路用性能：采用多次凍融循環(huán)后的劈裂試驗(yàn)和小梁疲勞試驗(yàn)來評定。

2 配合比

2.1 再生級配設(shè)計(jì)

結(jié)合PAR分類，調(diào)整不同的添加比進(jìn)行測試匹配，最終采取以下的材料成分進(jìn)行再生級配設(shè)計(jì)：93.5%RAP+5%粗集料+1.5%水泥。

2.2 最佳含水量的確定

采取振動(dòng)達(dá)到最大干密度比重型擊實(shí)的最大干密度1.02~1.04倍，為了更好地模擬現(xiàn)場施工，將烘干的銑刨舊料、水泥和新集料按擬定比例攪拌后采用維特根WLV1振動(dòng)擊實(shí)成型儀器進(jìn)行振動(dòng)沖擊測試，混合物最佳拌和用水量取合成集料最佳含水量的80%，并使混合料的含水量達(dá)5.3%這個(gè)最佳值，最佳拌和用水量4.3%，最大干密度2.185 g/cm3。

2.3 發(fā)泡溫度的確定

選擇150 ℃、155 ℃、160 ℃三種溫度，在室內(nèi)采用WLB10室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)對瀝青進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)。經(jīng)過分析總結(jié)出當(dāng)瀝青溫度在150 ℃的發(fā)泡性能作用下，發(fā)現(xiàn)該溫度下的最佳發(fā)泡用水量為2.7%，對應(yīng)的膨脹率為11.8，半衰期為8.7 s；當(dāng)瀝青溫度在155 ℃的發(fā)泡性能分析，發(fā)現(xiàn)該溫度下的最佳發(fā)泡用水量為2.4%，對應(yīng)的膨脹率為14.2，半衰期為11.3 s；當(dāng)瀝青溫度在160 ℃的發(fā)泡性能作用下，發(fā)現(xiàn)該溫度下的最佳發(fā)泡用水量為1.9%，對應(yīng)的膨脹率為12.2，半衰期為12.4 s。因此，該文選擇膨脹率與半衰期相加數(shù)值最大的155 ℃作為最佳發(fā)泡溫度。

2.4 最佳瀝青含量的確定

根據(jù)不同瀝青量的干濕分裂強(qiáng)度和干濕分裂強(qiáng)度的相對比值，分析回歸指數(shù)與瀝青泡沫成分的曲線相關(guān)聯(lián)因子，取干裂縫強(qiáng)度和干濕分餾強(qiáng)度比ITSR作為瀝青混合料的最佳用量，獲得最佳瀝青含量值為2.5%。

3 結(jié)果與討論

3.1 基本物理力學(xué)性能

3.1.1 空隙率

根據(jù)提出的方案，以維特根WLV1振動(dòng)沖擊機(jī)用于形成大馬歇爾試樣，采用求空隙率的蠟封法來進(jìn)行確定，結(jié)果如表1所示，方案A2和A3的孔隙率與A1相比明顯處于下降態(tài)勢，是因?yàn)榉桨窤1添加抗剝落劑能有效提高水泥的附著力，使細(xì)骨料能夠更好地填充粗骨料骨架中的空間，從而降低冷再生瀝青混合料成泡沫的孔隙率。適當(dāng)提高再生混合料的養(yǎng)生溫度，使冷再生混合料內(nèi)部泡沫瀝青的分布狀態(tài)從“點(diǎn)焊”變?yōu)椤捌摹保菽瓰r青膠漿的進(jìn)一步分散使得混合料空隙得到進(jìn)一步填充。

表1 不同條件下泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率

3.1.2 高溫穩(wěn)定度

按擬定方案采用維特根WLV1振動(dòng)擊實(shí)儀成型大馬歇爾試件，測定馬歇爾穩(wěn)定度，見圖2所示。三種條件下，高溫穩(wěn)定度基本相當(dāng)，說明泡沫瀝青冷再生高溫穩(wěn)定性對瀝青分散程度以及養(yǎng)生溫度不敏感，推測泡沫瀝青冷再生高溫性能主要依靠因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)與混合料中的細(xì)集料結(jié)合，其減少了瀝青膠漿在高溫下的流動(dòng)，并對粗集料起到加筋作用。

圖2 不同條件下泡沫瀝青冷再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度

3.1.3 干濕劈裂強(qiáng)度

按擬定方案采用維特根WLV1振動(dòng)擊實(shí)儀成型大馬歇爾試件，測定了對干濕分離的抵抗力，并評價(jià)了泡沫瀝青冷再生混合物的水穩(wěn)定性。如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用提高養(yǎng)生溫度或摻加抗剝落劑措施，都在一定程度上促進(jìn)瀝青與RAP料結(jié)合，可以有效改善膠結(jié)料性能，降低孔隙度，顯著增加瀝青向礦石表層的局部擴(kuò)散程度，有利于提升混合物中水的穩(wěn)定性能。

圖3 不同條件下泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度

3.2 長期路用性能

3.2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

按擬定方案采用維特根WLV1振動(dòng)擊實(shí)儀成型大馬歇爾試件，需要進(jìn)行五次凍融循環(huán)的抗裂性比試驗(yàn)，針對性地對混合料的長期水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，見圖4所示。在每個(gè)凍融循環(huán)節(jié)后，混合物的抗破裂性在一定程度表現(xiàn)出明顯的下降，A1方案在幾個(gè)凍融循環(huán)中下降表現(xiàn)出最快；五次凍融循環(huán)后的抗裂解率只有72.1%，明顯表現(xiàn)出水穩(wěn)定性欠佳；圖A2和A3中泡沫瀝青混合料樣品經(jīng)過五次凍融循環(huán)測試后的強(qiáng)度比分別達(dá)到77.1%和75.2%，均滿足瀝青路面再生規(guī)范75%的要求[5]。

圖4 不同條件下泡沫瀝青冷再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度比

3.2.2 疲勞性能

在通過車輪碾壓出的試樣，削制成為：長380 mm、寬63.5 mm、厚50 mm的梁試樣，并且每組準(zhǔn)備兩個(gè)平行試樣。疲勞試驗(yàn)控制溫度為20 ℃時(shí)，變形程度為：150 με、200 με、250 με、300 με，彎曲試驗(yàn)和分餾裝置使用的是4點(diǎn)法，使加載頻率為10 Hz，并設(shè)置疲勞試驗(yàn)終止條件為梁式試件勁度模量下降到初始勁度模量的50%。

由表2可以看出，隨著應(yīng)變水平的增大，發(fā)泡瀝青的冷再生混合物的模量已經(jīng)表現(xiàn)出降低，應(yīng)變水平由150 με增大至300 με，勁度模量降低幅度在50%左右。相同應(yīng)變水平下，采用添加抗剝落劑以及提高養(yǎng)生溫度措施，都可以提高發(fā)泡瀝青冷再生混合物的疲勞強(qiáng)度。

表2 不同條件下泡沫瀝青冷再生混合料的疲勞壽命

分析其原因?yàn)椋禾岣唣B(yǎng)生溫度，使得新舊瀝青遭受高溫相互作用后，泡沫瀝青與老化瀝青產(chǎn)生聚變，從而舊瀝青吸收再生劑輕質(zhì)組分后加速了性能恢復(fù)，具有與新瀝青一樣的黏結(jié)性，并隨之增長，其臨界面混合向冷再生瀝青混合料熱轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

（1）采用添加抗剝落劑、提高養(yǎng)生溫度等措施，可有效提高泡沫瀝青冷再生混合料的孔隙比率、抗裂性等物理方面的力學(xué)性能，但對高溫穩(wěn)定性影響不明顯。

（2）采用添加抗剝落劑、提高養(yǎng)生溫度等措施，有助于提升泡沫瀝青冷再生混合料的抗疲勞性能及多次循環(huán)后的水穩(wěn)定性。

（3）瀝青標(biāo)號、泡沫瀝青用量、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素均會(huì)對泡沫瀝青冷再生混合物的高溫穩(wěn)定性能產(chǎn)生相當(dāng)大程度的影響，不同摻量的抗剝落劑也對公路泡沫瀝青再生混合料中的長期使用性能存在一定影響，有關(guān)試驗(yàn)結(jié)論有待進(jìn)一步研究論證。