泡沫瀝青冷再生混合料材料設計及其抗車轍性能評價

易紅晟

摘要：為研究如何合理利用瀝青路面回收材料，通過一系列室內試驗設計了泡沫瀝青冷再生混合料并評價了其路用性能（抗車轍性能）。混合料設計階段確定了最佳發泡條件：發泡溫度為150～155 ℃，發泡用水量為3%，膨脹比為16，半衰期為9 s，最佳瀝青用量為2.8%，混合料最佳含水量為3.81%。車轍試驗數據顯示：當空隙率為4.3%時車轍深度為1.63 mm，空隙率為5.0%時車轍深度為2.43 mm，空隙率為6.1%時車轍深度為3.45 mm，即隨混合料空隙率的增大，車轍深度逐漸增加且增加趨勢顯著，表明混合料抗車轍性能逐漸減弱，因此建議泡沫瀝青冷再生混合料空隙率設計不超過50%，且泡沫瀝青冷再生混合料適用于瀝青面層結構中的中下面層使用，不適用于上面層使用。研究結果為泡沫瀝青冷再生混合料進行路段試驗提供了理論參考。

關鍵詞：路基工程；瀝青混合料；泡沫瀝青；冷再生；抗車轍性能

中圖分類號：U416.2文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01012

Design of foamed asphalt cold recycled mixture material and

evaluation of its antirutting performance

YI Hongsheng

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Guang Dong Company Limited， Foshan， Guangdong 528200， China）

Abstract：In order to reasonably use the asphalt pavement recycling materials， this article would use a series of indoor experiment to design the cold recycled mixture of foam asphalt and evaluate its performance of rutting resistance. The best mix ratio and optimum foaming condition are determined as： foaming temperature： 150～155 ℃； optimum foaming water dosage： 3%； expansion ratio： 16； halflife： 9 s； optimum asphalt content： 2.8%； optimum water content： 3.81%. After conducting rutting test on the specimen， the results show that when the void fraction increases from 4.3%， 5.0% to 6.1%， the rut depth also deepens from 1.63 mm， 2.43 mm to 3.45 mm. It indicates that the increase of void fraction， and the gradual increase of rut depth with obvious increasing tendency would result in the reduction of rutting resistance， so the void fraction is suggested to be less than 50% in the design of foam asphalt cold recycled mixture. Based on the analysis of rutting test， this article suggests that the cold recycled mixture of foam asphalt should apply to the middle and lower layers of asphalt surface but not the upper layer. The study results provide theoritical reference for experiment on road of the cold recycled mixture of foam asphalt.

Keywords：subgrade engineering； asphalt mixture； foam asphalt； cold regeneration； rutting resistance performance

中國高速公路普遍采用瀝青路面。隨著大量新建瀝青路面的運營，后期的養護出現越來越多的問題。近年來，舊路面翻修改造項目越來越多，國內外研究學者越來越關注舊瀝青路面材料的回收循環再利用，其中泡沫瀝青冷再生技術是研究的熱門之一。泡沫瀝青冷再生混合料是由泡沫瀝青（熱瀝青）、水泥、新集料、回收集料、水等材料在常溫下拌合均勻而生成的一種新的復合材料。由于各種材料物理、化學性質差異較大，混合料力學性能的穩定性難以控制（水泥和瀝青是兩種截然不同的黏結劑，一剛一柔），因此泡沫瀝青冷再生混合料的設計與性能評價一直是研究重點[15]。

國內外研究學者發現，為保證瀝青混合料的內部黏結性能，形成一個內部穩定的混合料，就要首先保證混合料內部形成豐富的瀝青膠漿，依靠這些瀝青膠漿將粗集料裹覆起來。形成瀝青膠漿一方面在于泡沫瀝青的用量，一方面在于細集料用量，即0075 mm以下的細集料的含量。總結發現，現有國內外泡沫瀝青冷再生技術規范對0.075 mm細集料通過率的要求都很高，即泡沫瀝青冷拌混合料的設計需要足夠的細集料和瀝青膠漿以保證與粗集料裹覆的均勻性。王宏等研究發現泡沫瀝青冷再生混合料養生的溫度和含水量對其最終的力學強度有很大影響。HARVEY等[3]研究得出，隨著使用時間、環境溫度、交通荷載量的循環作用，泡沫瀝青冷再生混合料中的含水量逐漸損失，但其強度逐漸增大。然而泡沫瀝青混合料冷再生的設計方法及路用性能評價等一系列問題一直沒有得到有效的解決。基于此，本文根據以上國內外研究現狀[617]，進行泡沫瀝青冷再生混合料的設計，并對其抗車轍性能進行評價。

1泡沫瀝青冷再生混合料的設計與最佳參數確定

1.1瀝青發泡試驗

泡沫瀝青發泡機可以在常溫條件下讓瀝青順利發泡而產生所需的泡沫瀝青。本節擬通過改變不同發泡條件來研究泡沫瀝青的發泡性能。

由圖1可知，設置145～165 ℃發泡溫度區間，曲線中顯示膨脹比隨著用水量的增加而增大。 在145～160 ℃范圍內，膨脹比均滿足規范要求。當其發泡溫度為165 ℃，用水量低于3%時，膨脹比卻小于10，該種發泡設計不符合規范要求；當發泡用水量高于3%時，膨脹比卻大于10，該種發泡設計符合規范要求。總結發現，泡沫瀝青發泡溫度高于160 ℃時對用水量要求較嚴格，因此要合理并且嚴格地控制用水量和發泡溫度，推薦泡沫瀝青發泡溫度不超過160 ℃。

由圖2可知，當發泡溫度在145～165 ℃之間時，半衰期隨著用水量的增加而變異性較大。不同溫度和不同用水量下半衰期不同：發泡溫度為145，155和160 ℃時，半衰期約為7 s，基本滿足規范要求；當發泡溫度為150 ℃時，半衰期隨用水量的增加而變化顯著，發泡用水量在2.3%～3.2%范圍內時半衰期滿足規范值要求；當發泡溫度為165 ℃時，半衰期隨發泡用水量的增加而同樣變化較大，但半衰期卻基本滿足規范要求。

經綜合對比分析膨脹率和半衰期隨發泡溫度和用水量變化的趨勢，最終提出泡沫瀝青成型的最佳發泡溫度和發泡用水量（以鎮海70#瀝青為例），見表1。

1.2泡沫瀝青混合料配合比設計

通常瀝青面層舊料回收后經銑刨處理，銑刨料中細集料含量很少，尤其是0.3 mm以下的細集料極為缺乏。而13.2 mm以上的粗集料部分經過銑刨刀具的破碎作用使得部分被破碎，因此總體偏細一些。瀝青銑刨料（以下均簡稱為RAP） 的級配具有明顯的S型特點。本研究在考慮合成級配的過程中綜合考慮了各種因素，例如RAP料的綜合利用率，通過摻加不同比例的10～20 mm的新集料來適當增加級配中粗集料的含量。結合泡沫瀝青冷再生混合料配合比設計的基本原則和規范要求，在此初步設計5種級配，保證了配合比設計種類具有良好的涵蓋性，如表2—表3所示。

1.3混合料最佳配比的確定

本研究根據瀝青混合料標準試驗規程，結合一系列室內試驗，包括瀝青混合料標準擊實試驗、瀝青混合料劈裂強度試驗、瀝青混合料馬歇爾試驗等，通過數據分析，對比5種級配的各項技術指標，最終推薦級配5作為泡沫瀝青冷再生混合料的最佳配比，如表4所示，其他具體數據如下。

1）最佳含水量的確定

進行2組平行試驗，見圖3。

根據圖3泡沫瀝青冷再生混合料重型擊實試驗數據顯示，隨含水量的增大，混合料的干密度先增大后減小，變化曲線呈現拋物線形式，最大干密度對應一個含水量，取兩組最大干密度及其對應的含水量均值為級配5混合料設計質量控制指標，其中最大干密度為2.222 g/cm3，最佳含水量為4.76%，根據經驗和規范要求，泡沫瀝青冷再生混合料的生產最佳拌合用水量為其最佳含水量的80%，因此本次泡沫瀝青混合料設計的最佳含水量為3.81%。

2）最佳瀝青用量的確定

根據最佳配比5的篩孔通過率配制4組再生混合料，每組20 kg，拌合用水量為3.81%，分別與不同用量（2.0%，2.5%，3.0%和3.5%）的泡沫瀝青進行充分拌合制備泡沫瀝青混合料，每組混合料成型16個馬歇爾試件。試件養生后，分別進行25 ℃干燥劈裂強度試驗、25 ℃浸水劈裂強度試驗、15 ℃干燥劈裂強度試驗、15 ℃浸水劈裂強度試驗。圖4為不同泡沫瀝青用量的劈裂強度曲線圖。

通過圖4可知：干劈裂強度隨泡沫瀝青用量的增加而先增大后減小，強度變化曲線整體呈拋物線形狀，泡沫瀝青用量為2.0%～3.5%，且當泡沫瀝青用量為2.8%時，劈裂強度值達到最大，為733 kPa。

濕劈裂強度隨泡沫瀝青用量的增加而先增大后減小，強度變化曲線整體呈拋物線形狀，泡沫瀝青用量為2.0%～3.5%，且在泡沫瀝青用量為2.9%時，劈裂強度值達到最大，為446 kPa。

干濕劈裂強度比隨著泡沫瀝青用量增加而變化，呈現橫“S”型，無劇烈高低起伏改變，泡沫瀝青用量范圍為2.0%～3.5%時，干濕劈裂強度比基本維持在60%～70%之間，較穩定。

綜合考慮泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強度性能以及技術規范的要求，在此用干劈裂強度、濕劈裂強度和干濕劈裂強度比來共同評價泡沫瀝青冷再生混合料的強度和水穩定性能，并最終確定本次泡沫瀝青冷再生混合料設計中最佳泡沫瀝青用量為2.9%。

2泡沫瀝青冷再生混合料的抗車轍性能評價

車轍是瀝青路面早期病害的主要原因之一，考慮車轍對瀝青路面使用性能的影響，進行了泡沫瀝青冷再生混合料的抗車轍性能的研究。對配比5混合料試件進行車轍試驗評價，評價指標為車轍深度（CPN）。試驗設備是多輪旋轉加載輪轍儀，試驗設備及試驗方法不再贅述。

根據表5中不同空隙率試件的CPN值繪制均值柱狀圖如圖5所示，可知：1）空隙率相近的試件車轍深度差別不大；2）隨著平均空隙率的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的平均車轍深度逐漸增大，即空隙率越大其抗車轍能力越差，空隙率由4.3%增加到50%時車轍深度增加近50%，空隙率由5.0%增加到6.1%時車轍深度增加約33%。故建議其空隙率不超過50%。

3結論

1）通過室內試驗研究，提出泡沫瀝青最佳發泡條件為150～155 ℃，用水量為3%，膨脹比為16，半衰期為9 s。

2）提出本次泡沫瀝青冷再生混合料設計的最佳配比、最佳瀝青用量、最佳拌合用水量。

3）泡沫瀝青冷再生混合料空隙率越大其抗車轍性能越差，建議設計時其空隙率不超過50%。本文推薦級配5的泡沫瀝青冷再生混合料適用于瀝青面層結構中的中下面層使用，不適用于上面層使用。

4）本文創新點在于確定了泡沫瀝青的最佳發泡條件，提出冷再生混合料最佳配合比、最佳瀝青用量、最佳拌合用水量，并對成型的混合料試件進行抗車轍性能評價，不足之處在于未能進行試驗路段跟蹤觀測，后續研究將重點關注泡沫瀝青冷再生混合料試驗路段的路用性能。

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