泡沫再生瀝青混合料路用性能試驗研究

黃孫科

瀝青路面改擴建面臨著瀝青面層混凝土的破碎、拆除，將其進行再生利用可實現可持續發展。文章以柳南高速公路改擴建工程中產生的銑刨料為研究對象，采用泡沫瀝青進行綜合再生利用，銑刨料摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%，研究了泡沫再生瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性等路用性能，并對各指標進行歸一化賦值處理，推薦再生摻量應控制在20%～30%之間，為其他高等級道路改擴建中路面材料的再利用提供經驗參考。

泡沫再生;路用性能;舊料摻量;工程應用

U416.03-A-13-039-4

0?引言

高速公路在長期的服役過程中面臨著不同程度的大中修養護和改擴建工程，在此過程中會產生大量的廢舊瀝青混凝土材料，而將道路改擴建工程產生的廢舊瀝青混凝土進行回收再利用于路面重新鋪筑，不僅可以節約大量的礦料資源和建設成本，還可以實現變廢為寶、可持續發展理念[1-3]。國內外很多學者對再生瀝青路面技術做了大量研究，認為廢舊瀝青混凝土（銑刨料）應用于新建道路中最大摻量一般控制在30%～40%[4-5]。對于瀝青路面再生技術而言，一般可以分為熱再生、冷再生、溫拌再生三種典型形式，其中熱再生的應用技術最為成熟，冷再生和溫拌再生有待進一步研究和應用[6]。溫拌再生瀝青混合料一般是通過一定溫拌外摻劑或機械設備來實現溫拌技術的應用。相關的試驗室研究已初步實現廢舊瀝青混合料的可再生應用，但是有待進一步的實體道路鋪筑驗證[7]。本研究采用泡沫瀝青溫拌再生技術對廢舊瀝青混合料進行綜合再生利用，有利于為其他道路改擴建工程瀝青路面材料綜合利用提供技術經驗。

1?原材料

1.1?原材料

根據道路設計等級及服役環境不同，高速公路的路面結構的選擇可以多樣。根據道路設計說明要求，廣西柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴建工程K1441+400～K1469+300標段，全長27.9 km采用復合式道路路面結構。分別使用4 cmSMA-13型瀝青瑪蹄脂碎石混合料表面層、6 cmAC-20型瀝青混凝土中面層、8 cmAC-25型瀝青混凝土下面層、28 cm水泥混凝土基層。在本次道路改擴建工程中，將上面層和中面層的瀝青混凝土進行銑刨重鋪，回收銑刨料的技術參數如下頁表1所示。

對回收的銑刨料進行抽提，提取老化瀝青并進行瀝青性能測試（如表2所示），瀝青老化類型屬于中度老化。

1.2?泡沫瀝青

泡沫瀝青是通過溫拌發泡設備將普通瀝青進行泡沫化生產的過程，其本質是熱瀝青在冷水沖擊作用下產生體積膨脹。研究采用美國堪薩斯州TARMAC牌間歇式瀝青發泡設備生產泡沫瀝青。泡沫瀝青的生產質量與發泡溫度和用水量直接相關，研究采用150 ℃發泡溫度，1.5%的用水量，生產的泡沫瀝青性能如表3所示，泡沫瀝青制備如圖1所示。

1.3?配合比設計

對于道路改擴建工程中回收的廢舊瀝青混凝土，根據原設計說明將回收材料以AC-20級配再生應用于中面層中。中面層材料介于上面層和下面層之間，混合料的骨架結構穩定，也有利于再生瀝青混合料的長期使用。為對比不同銑刨料摻量下再生瀝青混合料的性能差異，研究分別采取了0%、10%、20%、30%、40%、50%不同摻量進行配合比設計，對應的目標級配如圖2所示，不同舊料摻量所需的油石比如表4所示。

2?泡沫再生瀝青混合料路用性能研究

2.1?高溫穩定性

高溫穩定性是表征瀝青混合料在抵抗高溫環境下所產生變形的能力。對于瀝青路面而言，夏季高溫和重載交通易使瀝青路面產生不同程度的車轍病害問題，會加劇瀝青路面龜裂、坑槽等病害的產生。國內常通過高溫車轍試驗來測試混合料的高溫穩定性，其基本原理是將固定尺寸的車轍板試件置于車轍加載箱內，在設定溫度下通過往復車輪進行加載直至產生目標車轍深度或達到指定時間。研究所采用的不同舊料摻量下泡沫再生瀝青混合料的動穩定度值如圖3所示。

如圖3所示，隨著銑刨料摻量的增加，泡沫再生瀝青混合料的動穩定度數值越高表明混合料的高溫穩定性越高，抵抗高溫環境下車轍變形能力越強。當舊料摻量為10%時，動穩定度數值提升比率為33.69%，隨著舊料摻量的增加，泡沫再生瀝青混合料的動穩定度也不斷增長，但增長速率逐漸降低。當舊料摻量為50%時，泡沫再生瀝青混合料的動穩定度值增長已不明顯。銑刨料表面裹附著一層老化瀝青，使得“黑色集料”變得更加堅固，在混合料拌和過程中，“黑色集料”再次被泡沫瀝青裹附。因此，銑刨料的摻入能提升材料的高溫性能，但是摻量過高也會對混合料在其他性能方面產生不利影響，在實際的瀝青路面生產過程中要慎重對待。

2.2?水穩定性

水穩定性是評價瀝青混合料抵抗水損傷的能力。雨水沖刷會浸入瀝青路面表層，若路面產生裂縫、坑槽等問題，雨水會沿孔隙滲入混凝土內部，伴隨著交通荷載的往復作用，雨水會進一步損傷內部混凝土，產生集料脫空、砂漿溢出等現象。此外，在冬季寒冷環境下，雨水的浸入會導致內部混凝土結構產生一定的凍融損傷。研究通常采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來表征混合料的水穩定性能，相關試驗結果如圖4～5所示。

由圖4～5可知，隨著舊料摻量的增加，混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均不斷減小，當舊料摻量達到50%時，殘留穩定度和凍融劈裂強度比的下降率分別為9.76%和12.51%。此時，泡沫溫拌再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比已不滿足規范要求。泡沫瀝青在混合料拌和過程中，將產生的泡沫瀝青噴灑在集料表面，加大了集料與瀝青的裹附程度。但是，由于銑刨料的存在，“黑色集料”內部易受到雨水的侵蝕，銑刨料呈現硬和脆的特點，在外部荷載作用下易產生開裂。因此，舊料摻量不能過高，否則會影響泡沫溫拌再生瀝青混合料的綜合質量。

2.3?低溫抗裂性

在冬季寒冷天氣，路面溫度常<0 ℃，而瀝青混合料在低溫環境下會變得更脆，易產生開裂病害。混合料在荷載作用下內部應力集中，在薄弱區會產生斷裂，裂縫沿路面結構層會向路面頂部開展，直至路面開始出現各種裂縫及坑槽。研究采用萬能試驗機，將長250 mm×寬30 mm×高35 mm的小梁試件在-10 ℃環境下進行加載，加載速度為50 mm/min，直至小梁斷裂。試驗結果如表5所示。

如圖6、圖7所示，隨著舊料摻量的增加，溫拌再生瀝青混合料的抗彎拉強度和破壞應變均逐漸降低。當舊料摻量在30%時，抗彎拉強度和破壞應變分別下降14.33%和25.06%;當舊料摻量為50%時，抗彎拉強度和破壞應變分別下降20.92%和29.26%。瀝青混合料在低溫環境下會變得更加脆硬，一旦材料內部呈現不均勻分布狀態，易在混合料離析界面處產生開裂問題。盡管泡沫瀝青已經較好地噴灑和裹附集料，但銑刨料呈現的不均質、不連續會使得材料的抗彎拉強度降低，從而導致低溫抗開裂性能降低。

2.4?溫拌再生瀝青混合料摻量比選

為量化分析不同舊料摻量下泡沫再生瀝青混合料的綜合性能，研究根據泡沫再生瀝青混合料的動穩定度、殘留穩定度、凍融劈裂強度比、抗彎拉強度等指標進行歸一化賦值處理，并將賦值后各指標隨舊料摻量的變化繪制曲線（如圖8所示）。

對賦值后各指標隨舊料摻量變化分析可知，舊料摻量的增加會提升混合料的高溫穩定性，但是，會對材料的水穩定性和低溫抗裂性產生不利影響。綜合各指標分析，建議在實際泡沫再生瀝青路面施工中采用20%～30%的舊料摻量比例。

3?結語

泡沫再生瀝青混合料作為一項新型的路面再生技術，不僅可以綜合再生利用廢舊瀝青混合料，還可以降低混合料拌和溫度、減少碳排放，研究對不同摻量的舊料進行再生利用路用性能試驗，推薦舊料摻量為20%～30%。本文研究可為其他泡沫再生路面工程提供參考經驗。

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[3]周志剛，劉?宇，段躍華，等.就地熱再生SMA路面路用性能試驗研究[J].西部交通科技，2019（8）：1-4.

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[6]肖?鵬，顧?萬，吳正光，等.泡沫瀝青再生瀝青路面膠結料的多尺度評價[J].江蘇大學學報（自然科學版），2019，40（4）：472-478.

[7]楊宏偉.溫拌再生瀝青混合料試驗研究[J].山東交通科技，2019（3）：101-103，127.