抗剝落劑對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性能改善研究

李秀君，代 鵬，高世柱，李 宇，鄧輕松

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

泡沫瀝青冷再生技術(shù)是我國(guó)瀝青路面大中修工程實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的重要方式之一[1]，在國(guó)內(nèi)外高速公路大中修工程中，泡沫瀝青冷再生混合料已得到廣泛應(yīng)用[2]。但是由于不同地區(qū)的氣候條件、地形特點(diǎn)和原材料分布的客觀差異，造成泡沫瀝青冷再生混合料在很多關(guān)鍵問題上并沒有達(dá)成共識(shí)，各地方也沒有頒布統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。因此，對(duì)這類問題的研究仍處于探索階段。大量工程實(shí)踐表明，水損害是泡沫瀝青冷再生路面最嚴(yán)重的病害之一，部分道路水損害的占比甚至達(dá)到80%以上[3]。從泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試件破壞的地方大都是膠結(jié)料以及膠結(jié)料與銑刨料的界面[4]。分析其主要原因是該混合料中瀝青含量較低，導(dǎo)致膠結(jié)料的粘附性偏弱，空隙率較大，路面易出現(xiàn)早期裂縫，水順著裂縫進(jìn)入后會(huì)導(dǎo)致細(xì)集料流失，破壞原級(jí)配，導(dǎo)致一系列問題，最終形成混合料早期破壞。國(guó)內(nèi)外關(guān)于泡沫瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性能的研究較少，但關(guān)于普通瀝青混合料水穩(wěn)定性能的研究已經(jīng)較為成熟，向?yàn)r青中加入抗剝落劑是一種較為有效的方法。彭丹丹等[5]研究了摻加胺類與非胺類抗剝落劑后混合料的耐久性；朱建勇等[6]通過分子動(dòng)力學(xué)理論研究了抗剝落劑與瀝青的相容性；魏建明等[7]通過表面自由能理論來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能的強(qiáng)弱。本文通過空隙率、浸水馬歇爾和凍融循環(huán)試驗(yàn)探究向泡沫瀝青冷再生混合料中加入抗剝落劑來提高其水穩(wěn)定性能的可行性，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果確定抗剝落劑的最佳摻量，對(duì)工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 級(jí)配

本試驗(yàn)采用的瀝青路面銑刨料（reclaimed asphalt pavement，RAP）來源于嘉興某高速公路大中修工程，通過冷銑刨法獲取，各項(xiàng)性能滿足規(guī)范要求，RAP中的瀝青含量為4.3%。將RAP篩分后逐檔稱取，級(jí)配參考《公路泡沫瀝青冷再生路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB33/T 715-2018）[8]的級(jí)配中值，具體級(jí)配曲線如圖1所示。

1.2 最佳發(fā)泡條件的確定

采用德國(guó)Wirtgen 公司生產(chǎn)的WLB 10 S型室內(nèi)發(fā)泡機(jī)研究瀝青的發(fā)泡性能，該設(shè)備可以嚴(yán)格控制發(fā)泡時(shí)的溫度、水壓和氣壓。瀝青選擇市面常見的鎮(zhèn)海牌A級(jí)70#瀝青。發(fā)泡溫度和用水量是影響瀝青發(fā)泡性能的主要因素，以用水量為橫坐標(biāo)，膨脹率和半衰期為左右縱坐標(biāo)，研究各個(gè)溫度下70#瀝青發(fā)泡情況，具體發(fā)泡結(jié)果如圖2所示。數(shù)據(jù)表明，膨脹率和半衰期呈負(fù)相關(guān)增長(zhǎng)，在3種瀝青溫度下，過高或過低的用水量無法同時(shí)兼顧膨脹率和半衰期兩個(gè)指標(biāo)，用水量為2.5%最為合適，溫度為160 ℃時(shí)，發(fā)泡效果明顯優(yōu)于其他兩個(gè)溫度。綜上所述，鎮(zhèn)海牌A級(jí)70#瀝青的最佳發(fā)泡條件為發(fā)泡溫度160 ℃和用水量2.5%，發(fā)泡水壓與氣壓對(duì)發(fā)泡性能影響較小，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)定為0.5 MPa和0.4 MPa。在上述最佳發(fā)泡條件下，發(fā)泡結(jié)果為：膨脹率為18.5＞10（倍），半衰期為16.5＞8（s）。

圖1 泡沫瀝青冷再生混合料級(jí)配Fig. 1 Foamed asphalt cold recycled mixture grading

1.3 最佳拌和用水量和水泥劑量確定

為了確定混合料的最優(yōu)含水率，將烘干的銑刨舊料、水泥和石屑按擬定比例攪拌后進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知最佳含水量為6.0%。研究表明，拌合過程中的實(shí)際用水量與最佳含水率之間存在一定的系數(shù)關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者給出了幾種參考意見[9-11]。由表1可得，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為拌合用水量應(yīng)為最佳含水率的70%～80%，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)以及集料本身的干濕情況，確定本次試驗(yàn)拌合過程中的實(shí)際用水量應(yīng)為最佳含水率的80%，則最佳拌合用水量為4.8%。表中：Wadd為需加入集料中的含水量，%；Womc為最佳含水量，%；Wmoist為集料中的含水量，%；Wreduce為水分的減少量，其取值為0.3Womc?0.6，%。

圖2 瀝青發(fā)泡結(jié)果Fig.2 Asphalt foaming results

圖3 擊實(shí)曲線Fig. 3 Compaction curve

表1 典型的最佳拌和用水量與最佳含水率之間的關(guān)系Tab.1 Relationship between the typical optimum mixing water consumption and the optimum moisture content

采用普通硅酸鹽水泥，符合JTG/T F20的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)規(guī)范要求和以往工程實(shí)例，水泥用量確定為1.5%。

1.4 最佳泡沫瀝青用量確定

采用馬歇爾擊實(shí)儀，在1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%的泡沫瀝青用量下成型標(biāo)準(zhǔn)試件，在40 ℃鼓風(fēng)烘箱內(nèi)養(yǎng)生72 h后進(jìn)行干、濕劈裂試驗(yàn)。為了減小試驗(yàn)的變異性，每種泡沫瀝青用量成型8個(gè)試件（干、濕劈裂分別4個(gè)），試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，過高或過低的瀝青用量會(huì)削弱試件的干、濕劈裂性能，泡沫瀝青用量為2.5%時(shí)，干、濕劈強(qiáng)度均達(dá)到最大值，則混合料的最佳瀝青用量為2.5%。在此用量下，試件的干劈裂強(qiáng)度為0.61 MPa，大于0.5 MPa，干、濕劈裂強(qiáng)度比為77.5%，小于80%，水穩(wěn)定性能需要提高。

圖4 最佳瀝青用量Fig. 4 Optimum asphalt dosage

2 抗剝落劑對(duì)瀝青和泡沫瀝青混合料性能的影響

采用南通某公司生產(chǎn)的非胺類抗剝落劑，其主要成分是磷羥基有機(jī)物，是一種深褐色的黏稠液體，適用于普通瀝青及高分子改性瀝青，是工程中道路排水部位材料常用的添加劑。此抗剝落劑通過物理吸附或者形成化學(xué)鍵等方式，可以顯著改善瀝青與石料特別是酸性石料的粘附性能。但泡沫瀝青冷再生混合料中的集料被舊瀝青包裹，摻加抗剝落劑的泡沫瀝青很難與集料接觸，下文將探究此類抗剝落劑能否對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能起到改善作用。

2.1 瀝青性能

向?yàn)r青中摻加幾種不同劑量的非胺類抗剝落劑，根據(jù)抗剝落劑生產(chǎn)商的推薦范圍，抗剝落劑摻量分別為瀝青質(zhì)量的0.3%，0.5%，0.7 %和1.0%4種，對(duì)這4種瀝青分別進(jìn)行性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，隨著抗剝落劑摻量的增加，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，瀝青的針入度增大，延度和軟化點(diǎn)降低。究其原因是因?yàn)椋箘兟鋭┓肿恿枯^小，瀝青中添加抗剝落劑后輕質(zhì)組分含量增多，使得分子運(yùn)動(dòng)能力相對(duì)增強(qiáng)，造成瀝青對(duì)外界溫度和氧氣含量變化的敏感性較強(qiáng)[12]，提升瀝青的耐老化性能。

表2 不同抗剝落劑摻量下瀝青性能檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results for asphalt performance with different additions of anti-stripping agents

2.2 泡沫瀝青性能

不同抗剝落劑摻量下瀝青的發(fā)泡效果如圖5所示。結(jié)果表明，摻加抗剝落劑對(duì)瀝青的發(fā)泡效果有一定程度的削弱，且隨著抗剝落劑摻量的增加，膨脹率和半衰期均逐漸降低，但總體削弱程度不大，仍滿足規(guī)范要求。這是由于抗剝落劑是黏稠液體，抗剝落劑摻量越大，瀝青的黏稠度越大，需要更高的溫度使瀝青達(dá)到相應(yīng)的流動(dòng)性；在泡沫瀝青衰減的過程中，瀝青黏稠度增大抑制泡沫的形成，表現(xiàn)為泡沫瀝青膨脹率和半衰期的減小[13]。

圖5 抗剝落劑對(duì)瀝青發(fā)泡性能的影響Fig. 5 Effect of anti-stripping agent on foaming performance of asphalt

2.3 混合料水穩(wěn)定性

2.3.1 空隙率

圖6 車輛輪胎與面層相互作用引起的水力沖刷和擴(kuò)散Fig.6 Hydraulic scouring and diffusion caused by the interaction of vehicle tires and surface layers

由于溫差變化、降雨等因素的影響，瀝青路面上會(huì)存在一層水膜。相關(guān)調(diào)查顯示，車輛普遍出現(xiàn)超載和重載化現(xiàn)象，致使瀝青路面上面層出現(xiàn)許多微小裂縫。車輛行駛經(jīng)過這些裂縫時(shí)，輪胎表面的凸起塊與表層發(fā)生碰撞，腔內(nèi)的水被迅速壓縮，形成的正高壓水流從面層的微小裂縫中擠壓進(jìn)去，達(dá)到泡沫瀝青冷再生層時(shí)，具有正高壓的水流會(huì)沿著空隙迅速擴(kuò)散，如圖6（a）所示。隨著輪胎不斷滾動(dòng)，腔內(nèi)的水被進(jìn)一步壓縮，當(dāng)輪胎表面的凸起與面層分離時(shí)，空氣快速流入導(dǎo)致腔內(nèi)形成一定程度的真空狀態(tài)，使被壓縮進(jìn)去的水被抽離內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成負(fù)高壓水流，如圖6（b）所示。這一過程進(jìn)一步?jīng)_刷裂縫，并且在抽離過程中會(huì)帶離部分細(xì)集料，破壞原有級(jí)配。重復(fù)的過程導(dǎo)致空隙率越來越大，從面層流入的水越來越容易在泡沫瀝青層擴(kuò)散，最終造成嚴(yán)重的路面水損病害。

分析可知，控制泡沫瀝青冷再生層的空隙率可以有效緩解從裂縫中被擠壓進(jìn)入的水的擴(kuò)散，從而延緩水損病害的發(fā)生。向?yàn)r青中摻加抗剝落劑后進(jìn)行發(fā)泡，成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，然后采用表干法和真空法計(jì)算出試件的空隙率，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，摻加抗剝落劑可以有效改善膠結(jié)料的粘附性，使得細(xì)集料更好地填充進(jìn)粗集料骨架中的縫隙，進(jìn)而減小泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率；摻量為0.3%，0.5%和0.7%時(shí)效果較優(yōu)，未摻抗剝落劑與0.5%摻量成型試件的對(duì)比圖如圖7所示，改善效果較明顯。

圖7 馬歇爾試件外觀對(duì)比圖Fig.7 Marshall test piece appearance comparison chart

2.3.2 浸水馬歇爾試驗(yàn)

向?yàn)r青中摻加抗剝落劑后進(jìn)行發(fā)泡，成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。養(yǎng)生后將制備好的試件分為兩組，一組浸入60 ℃水中0.5 h后測(cè)其穩(wěn)定度，另一組浸入60 ℃水中48 h后測(cè)其穩(wěn)定度。每組按規(guī)范做4個(gè)試件來減小變異性，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。馬歇爾穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度比（MS0）與抗剝落劑摻量的關(guān)系見圖8。

表4 抗剝落劑對(duì)混合料水穩(wěn)定性能的影響Tab.4 Effect of anti-stripping agent on water loss resistance of mixture

圖8 殘留穩(wěn)定度比與抗剝落劑摻量關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between stability, MS0 and anti-stripping agent dosage

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)不大，結(jié)果表明：未摻加抗剝落劑時(shí)，混合料的力學(xué)性能滿足使用要求，但浸水殘留穩(wěn)定度不滿足規(guī)范；摻加抗剝落劑后，混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能均明顯提高，且摻量為0.5%時(shí)最為明顯，在此摻量下，力學(xué)指標(biāo)與浸水殘留穩(wěn)定度比達(dá)到峰值。究其原因，抗剝落劑可以提高瀝青與礦料的接觸程度，減小接觸角，使得瀝青在礦料表面的鋪展程度得到改善。瀝青在礦料表面的鋪展程度越大，機(jī)械粘附力就越大，表現(xiàn)為水穩(wěn)定性的提高。

2.3.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)也是檢驗(yàn)泡沫瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性的一種常用方法。試件養(yǎng)護(hù)完成后，在25 ℃水中放置0.5 h，然后在真空狀態(tài)下保持15 min，然后使試件在?18 ℃的低溫和25 ℃的水浴中交替放置12 h，每次循環(huán)后測(cè)其劈裂強(qiáng)度。經(jīng)受5次循環(huán)后的試件與實(shí)際路面的使用情況更加相似，對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)也更為準(zhǔn)確。通過上述辦法完成凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 摻加抗剝落劑后的凍融循環(huán)試驗(yàn)Fig.9 Freeze-thaw cycle test after adding anti-stripping agent

數(shù)據(jù)顯示：每次凍融循環(huán)后，混合料的劈裂強(qiáng)度均在一定程度上降低，未摻加抗剝落劑時(shí)下降得最快；5次凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度比僅為72.1%，小于75%，水穩(wěn)定性能不足；3種抗剝落劑摻量下的泡沫瀝青混合料，在5次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度比分別為76.5%，86.7%和80.6%，混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能均有大幅增強(qiáng)，且摻量為0.5%時(shí)效果最好。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，添加抗剝落劑可以有效提高泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性能。這是因?yàn)樵嚰谄茐臅r(shí)大多是膠結(jié)料和膠結(jié)料與銑刨料的界面發(fā)生破壞，集料本身并無破壞跡象。而加入抗剝落劑后，瀝青的黏度變大，與水和水泥混合能有效改善膠結(jié)料性能，減小空隙率，并且大幅提高瀝青在礦料表面的鋪展程度，從而提高混合料的水穩(wěn)定性能。

3 結(jié)束語

為了提高泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性，本文向混合料中摻加抗剝落劑進(jìn)行了試驗(yàn)分析和研究，研究結(jié)論如下：

a. 對(duì)于摻加適量抗剝落劑的瀝青，隨著摻量的增加，瀝青的針入度增大，延度和軟化點(diǎn)降低，瀝青耐老化性能提高，但摻量過高對(duì)瀝青性能的提升不明顯；

b. 在最佳發(fā)泡條件下，向?yàn)r青中摻加不同劑量的抗剝落劑然后進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn)，泡沫瀝青的發(fā)泡效果減弱，表現(xiàn)為膨脹率和半衰期的略微減小，但仍符合相關(guān)規(guī)范要求；

c. 向?yàn)r青中摻加抗剝落劑進(jìn)行發(fā)泡，泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性能明顯提高，摻量為0.5%時(shí)效果最好；在此摻量下，空隙率減小3%，在實(shí)際使用時(shí)可以有效減緩水在再生層的擴(kuò)散；力學(xué)性能提升比較明顯，穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度分別提高2 kN和3 kN，浸水殘留穩(wěn)定度比提高11.2%，每次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度均在一定程度上提升，5次凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度比提高14.6%。