基于泡沫瀝青溫拌再生瀝青混合料基體的半柔性路面路用性能研究

竇志榮

公路在進行維修和改擴建的過程中產生了較多的廢舊瀝青混合料，此類混合料會對環境造成污染，導致資源的浪費。如何對該類混合料進行高效利用是非常關鍵的問題，因此本文提出了對瀝青混合料進行再生的理念。針對該理念本文進行了如下研究：泡沫瀝青特性分析，基體混合料、溫拌基體混合料的設計，最后對該類混合料進行了路面性能分析。通過以上內容研究說明：基于泡沫瀝青的溫拌再生混合料能有效解決舊混合料浪費，污染環境的問題，達到節約資源的目的。因此本文對混合料的研究具有一定的指導意義。

我國最常使用的路面材料大致分為兩類，一類是水泥路面，一類是瀝青混凝土路面。水泥路面剛度大，壽命長，但路面平整度較低，維修養護費用高。瀝青混凝土路面能滿足平整度要求，但高低溫性能較差，針對該現象我國進行了半柔性路面的研究。郝培文等人通過對半柔性路面進行設計，表明該材料的路用性能良好，但低溫性能較差。王偉明通過半柔性路面材料的研究表明：該結構的基體瀝青混合料進行配合比設計時，空隙率為25%左右時最佳。肖天佑對半柔性材料的自愈合能力進行分析，加入砂漿后能改善路面的開裂性能。通過以上內容的分析說明傳統的路面材料限制了我國可持續發展的進程，再生技術和溫拌技術具有保護環境和節約能源的作用。但我國對半柔性路面的研究目前還較少，因此本文在前人研究的基礎上進行進一步探索，因此具有一定的實際意義。

一、泡沫瀝青特性分析

1.瀝青發泡原理

瀝青發泡主要原理是在膨脹室內熱瀝青與冷水接觸后，發生連鎖反應，主要過程如下：

（1）在熱瀝青表面滴入冷水滴，使二者發生熱交換現象，使水滴的溫度升高，瀝青的溫度降低，并逐漸擴散出去。

（2）溫度高于100℃時瀝青傳遞給水的熱能使冷水開始由液態轉為氣態，形成蒸汽。

（3）冷水形成蒸汽的過程，發泡腔內會產生大量氣體，同時使體積增大，壓力增強。在壓力作用下，蒸汽泡持續壓入瀝青內，瀝青在壓力和蒸汽泡作用下，會從噴嘴噴出。

（4）發泡過程中瀝青表層會形成一層瀝青膜，由于瀝青膜表面張力的作用，使水蒸氣被包裹在瀝青膜里面。蒸汽壓力與表面張力之間會形成平衡狀態，這種平衡狀態持續時間較短，隨即發生的現象為泡沫破滅。

對于泡沫破滅現象存在兩種理論分析：一種是當多個氣泡聚于一起時，液膜會凹向氣室，形成普萊特邊界。這種解釋適用的范圍為氣泡體積較大的情況。另一種原理解釋為：噴嘴噴出的泡沫瀝青在冷空氣的作用下，發生破滅，水蒸氣進行液化，殘留在瀝青內部，形成水飽和瀝青。

2.瀝青發泡影響因素

（1）發泡用水量

瀝青在進行發泡時，用水量的多少會直接影響瀝青的發泡體積。用水量增加時，瀝青產生的泡沫較多，從而使反應過程中的膨脹率增加。當瀝青單個泡沫的體積增大時，會使瀝青膜變薄，這樣會導致半衰期縮短。半衰期的變化規律與發泡用水量之間成反比變化，因此用水量常控制在1%~3%。

（2）瀝青發泡溫度

瀝青的發泡過程中對三大指標以及水蒸發產生的熱量影響較大的是溫度。當用水量一定時，溫度升高，反應的膨脹率也會增加，半衰期會減短。當溫度高于140℃時，發泡效果較好。

（3）瀝青來源和類型

瀝青的組分和成分不同，產生的發泡效果也不相同，瀝青的成分以及瀝青含量對發泡效果影響較大。當瀝青中蠟的含量較高時，膨脹率減小，半衰期減短；蠟含量適中時，發泡效果較好，當采用低標號的瀝青時，由于針入度小，因此發泡效果也不理想。研究發泡效果通常選用針入度80mm~150mm的瀝青。

二、混合料設計

1.基體瀝青混合料

通過經驗分析以及相關資料查詢可知：基體瀝青混合料能保證結構穩定性的空隙率25%，此時灌漿會有較好的效果，半柔性材料具有較好的性能。因此本文的目標空隙率設定為25%，基體瀝青混合料的配合比設計采用CAVF的方法進行。油石比通過工程經驗等差值間距取值為2.6%、3.1%、3.6%、4.1%、4.6%。通過計算最終可得最佳瀝青用量為3.5%。

2.溫拌基體瀝青混合料

依據前文中確定的目標空隙比進行再生料RAP摻量的確定，本節再生料產量分別設計為15%、30%、45%、60%。不同摻量的基體瀝青混合料指標如表1所示。

表1 指標變化表

通過表1的數值變化可知基于最佳瀝青用量的基體瀝青混合料指標均滿足要求。

三、路用性能分析

1.高溫性能分析

本文研究高溫性能主要通過的試驗方法是車轍試驗，具體試驗條件設定如下所示：碾壓0.7MPa，（一小時來回）；通過獲取t1和t2時間的車轍數據來計算混合料的評價指標，即動穩定度。

上式中DS指評價指標動穩定度；t1和t2表示獲取車轍數據的時刻；d1和d2表示該時刻的車轍深度。C1和C2表示試驗常數；N=42 次/min。

通過對試驗結果進行分析可知：再生摻量RAP為60%時，材料的DS不滿足規定要求，當齡期增大時，半柔性材料的動穩定度也增大，當RAP摻量為30%、45%、60%時，DS的增長值較小，該現象說明試驗過程中瀝青膠漿的影響程度較大，齡期增長主要表現為砂漿強度增加。因此通過對材料高溫性能研究得到結論：該材料具有較好的高溫性能，再生料的摻量應在45%以內。

2.低溫性能分析

低溫性能的試驗方法有很多種，但是試驗之間的關聯性并不理想，本文選取的試驗方法是低溫彎曲蠕變試驗，該方法是低溫試驗方法中最能反映低溫破壞狀態的試驗方法，具體如下：試件尺寸為250mm×30mm×35mm；彎曲蠕變試驗過程中環境溫度為-10℃，加載速率為50mm/min。該試驗選取的評價指標為最大彎拉應變和勁度模量。計算公式如下所示：

上式中：L、b和h分別表示試件的長度、高度以及寬度；Rb表示極限彎拉強度；εb表示最大彎拉應變；Sb表示試件的勁度模量。

通過對試驗結果進行分析可知：溫拌再生半柔性路面的低溫性能表現較差，摻加0%～30%的再生料時，再生料增加，半柔性材料的彎拉應變降低；摻加30%～60%的再生料時，再生料增加，半柔性材料的彎拉應變有所提高，但提高程度較低。

3.水穩定性能分析

我國主要采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗進行水穩定性研究。浸水馬歇爾方法能較好地反映路面的抗水毀能力，而且試驗方法簡單，試件制作方便。凍融劈裂試驗能夠較好地反映水對瀝青混合料的作用，而且能夠反映低溫環境下瀝青與集料產生分離和破壞的狀況。

通過對試驗結果進行分析可知：5種不同摻量的瀝青混合料經過凍融循環和未經過凍融循環時的劈裂抗拉強度均大于SMA-13，該現象表明溫拌再生半柔性材料具有較好的水穩定性。

四、結語

本文通過對溫拌再生半柔性材料進行相應地性能分析得出以下結論：

（1）瀝青發泡過程主要表現為瀝青與冷水滴之間的熱交換過程，瀝青發泡的影響因素主要有：發泡用水量、瀝青發泡溫度、瀝青的類型。

（2）通過對瀝青混合料進行設計可以得到最佳瀝青用量為3.5%，該值下對應的不同RAP摻量下材料的指標性能均符合要求規定。

（3）通過對半柔性路面的路用性能分析可知：該材料具有較好的高溫性能，再生料的摻量應在45%以內；摻加再生料后，半柔性材料的低溫性能并未得到較好的改善；經過凍融循環后，該材料扔具有較好的水穩定性。