泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性影響因素分析

■李海敏

（廣東粵路勘察設(shè)計有限公司，廣州 510630）

近年來粵東地區(qū)地方經(jīng)濟迅速發(fā)展，沿線村鎮(zhèn)規(guī)模急劇擴大，廠礦日益增多，超載車輛非法上路行駛現(xiàn)象愈演愈烈，道路損壞情況逐步加劇，擬采用重做瀝青路面結(jié)構(gòu)、加鋪瀝青上面層等方案對現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)進行改造。 國道G206 線揭陽市某路段路面改造工程，路線全長24.008 km。 鑒于本項目途經(jīng)村鎮(zhèn)人口較為密集，對環(huán)保要求較高，采用溫拌瀝青技術(shù)，較常規(guī)的熱拌瀝青技術(shù)，可顯著降低混合料的拌合溫度，降低燃油消耗，有效減少有害、有毒氣體的排放，達到高節(jié)能、低排放的環(huán)保要求，因此本項目推薦采用溫拌瀝青技術(shù)進行設(shè)計。

基于溫拌瀝青混合料的技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)外已有大量路面工程應(yīng)用溫拌技術(shù)[1-4]。 溫拌技術(shù)可分為乳化類、有機添加劑類、泡沫瀝青類3 類技術(shù)。 泡沫瀝青的溫拌工藝無需添加外摻劑， 完全是物理反應(yīng)，成本低廉，技術(shù)成熟，應(yīng)用于制備溫拌瀝青混合料具有明顯的優(yōu)勢。 由于瀝青發(fā)泡需要用水，因此泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性是影響混合料耐久性和力學(xué)性能的關(guān)鍵，而泡沫溫拌瀝青混合料的影響因素較多，瀝青溫度、瀝青的發(fā)泡效果、發(fā)泡用水量、拌合溫度、外摻劑類型等因素都對溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能產(chǎn)生不同程度的影響。 王福[5]采用Sasobit-LM 與Honeywell TitanTM 2 種有機溫拌劑制備溫拌瀝青混合料，研究溫拌瀝青混合料抗松散性能與水穩(wěn)定性的相關(guān)性。 毛成等[6]基于浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價原樣瀝青及溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性。 黃川[7]采用正交試驗評價RAP 料摻量、溫拌劑用量、混合料粒徑等因素對溫拌再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。 經(jīng)隨機森林變量重要性分析，發(fā)泡用水量、發(fā)泡效果、瀝青溫度是重要性較高的變量，纖維摻量重要性較低。 以本項目采用的瀝青為例，擬以最佳發(fā)泡效果、瀝青溫度155℃，發(fā)泡用水量2%、纖維摻量0.3%的組合提高溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性。

1 試驗材料

1.1 主要材料及裝置

本次研究主要采用的試驗材料及裝置見表1。

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1.2 瀝青發(fā)泡特性

本試驗基于維特根WLB10 型瀝青發(fā)泡機進行瀝青發(fā)泡試驗，綜合評價瀝青的發(fā)泡效果。 設(shè)定中海油濱州70# 瀝青的發(fā)泡溫度范圍為135℃～165℃，發(fā)泡用水量范圍為2%～4%，實測膨脹比和半衰期數(shù)據(jù)， 膨脹比范圍為9～29 倍， 半衰期范圍為14.0～46.6 s。從膨脹比和半衰期數(shù)據(jù)可看出，膨脹比隨著發(fā)泡用水量的增加而增大，半衰期隨著發(fā)泡用水量的增加而減少。 總體而言，中海油濱州70# 瀝青的發(fā)泡效果優(yōu)異，滿足冷再生規(guī)范[8]的發(fā)泡要求（膨脹比≥10 倍，半衰期≥8 s）。 為便于后期發(fā)泡效果的影響分析，本文參考前人的研究經(jīng)驗[9]，綜合權(quán)衡不同溫度下的瀝青膨脹比和半衰期數(shù)據(jù)，將瀝青發(fā)泡效果劃分為3 個水平：優(yōu)秀（膨脹比約26.7 倍，半衰期約26 s）、良好（膨脹比約28.2 倍，半衰期約15 s）、中等（膨脹比約11 倍，半衰期約43.2 s）。

2 試驗設(shè)計

2.1 級配設(shè)計

本試驗采用GAC-20 型級配。

2.2 最佳拌合溫度

拌合溫度是瀝青混合料施工控制的關(guān)鍵因素[10]，本試驗通過測試不同拌合溫度下的溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的空隙率，以確定溫拌瀝青混合料的拌合溫度，如圖1 所示。

圖1 拌合溫度與空隙率的關(guān)系曲線圖

由圖1 曲線可知，當拌合溫度超過140℃時，結(jié)合熱拌瀝青混合料的空隙率5.0%， 表明溫拌瀝青混合料的壓實度超過熱拌瀝青混合料，密實性達到熱拌瀝青混合料水平。 因此，設(shè)定溫拌瀝青混合料的拌合溫度為140℃。

2.3 試驗設(shè)計

泡沫溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能是決定耐久性的關(guān)鍵，將通過研究影響其水穩(wěn)定性的因素（瀝青溫度、發(fā)泡用水量和聚合物纖維摻量），探索提高水穩(wěn)定性能的可操作性方法。 將瀝青發(fā)泡效果劃分為3 個水平：A、B、C；瀝青溫度劃分為135℃、145℃、155℃、165℃； 發(fā)泡用水量劃分為2%、2.5%、3%、3.5%、4%； 纖維摻量劃分為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%。 為了研究相關(guān)因素對水穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文采用控制單一變量的方法，在控制其他變量的前提下，探究單一因素對溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，最后基于隨機森林算法[11]對影響因素的相對重要性進行分析。

3 試驗分析

3.1 發(fā)泡效果影響

瀝青發(fā)泡效果是影響溫拌瀝青混合料的瀝青膜成形效果的關(guān)鍵因素，也是影響冷拌瀝青混合料的瀝青分散效果的關(guān)鍵因素。 瀝青發(fā)泡效果主要由膨脹比和半衰期反映，由發(fā)泡條件（瀝青溫度和發(fā)泡用水量）決定。 通過綜合衡量膨脹比和半衰期，設(shè)定瀝青發(fā)泡效果為3 個水平，如表2 所示。 為分析發(fā)泡效果單一因素的影響，故控制瀝青的發(fā)泡用水量、纖維摻量，僅調(diào)整瀝青溫度來控制發(fā)泡效果。

表2 瀝青發(fā)泡效果與發(fā)泡條件

由表3 及圖2 可知，泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性對泡沫瀝青的發(fā)泡效果很敏感，發(fā)泡效果越優(yōu)異，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比越高，溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越優(yōu)異。 分析其原因，瀝青發(fā)泡效果直接反映了泡沫瀝青的分散效果，泡沫瀝青的分散效果越好，形成瀝青膜對集料的裹覆越均勻，進一步影響混合料形成的初期強度和空間結(jié)構(gòu)，從而影響混合料的水穩(wěn)定性能。 由于遠超規(guī)范要求，在工程應(yīng)用中采用最佳發(fā)泡效果的泡沫瀝青進行溫拌工藝，有利于提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

圖2 不同發(fā)泡效果的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比曲線

表3 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗結(jié)果

3.2 發(fā)泡用水量影響

泡沫瀝青是瀝青、水、氣在高溫高壓下產(chǎn)生的，因此泡沫溫拌瀝青混合料在成型過程中是存在少量水分的，成型過程中泡沫瀝青體積急劇膨脹，實現(xiàn)了瀝青與低溫集料的拌合裹覆，拌合時間較短導(dǎo)致水分不能完全蒸發(fā)，水分的存在不可避免地降低瀝青對集料的滲透作用，導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)定性能難以達到熱拌瀝青混合料的效果。 由于發(fā)泡用水量同時顯著影響著瀝青的發(fā)泡效果，因此為了控制其他變量，研究單一變量發(fā)泡用水量對溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，將發(fā)泡用水量劃分為2%、2.5%、3%、3.5%、4%，纖維摻量0%，瀝青溫度155℃，同時調(diào)整相應(yīng)用水量下的瀝青溫度，使各用水量下的發(fā)泡效果接近相同或相似，然后進行溫拌瀝青混合料制備，開展浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗。 數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)

由表4 與圖3 可知，在瀝青發(fā)泡效果基本一致的前提下，溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比隨著發(fā)泡用水量的增大而逐漸減小，當發(fā)泡用水量在2%～3.5%時，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比均高于0.9，且當發(fā)泡用水量很低（2%左右）時，溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比與熱拌瀝青混合料較為接近，水穩(wěn)定性能較強；當發(fā)泡用水量超過3.5%時，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比低于0.9。

圖3 不同發(fā)泡用水量的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比曲線

3.3 瀝青溫度影響

瀝青溫度與泡沫瀝青的發(fā)泡效果和溫拌瀝青混合料拌合都有較強的相關(guān)性，直接制約著溫拌瀝青混合料的力學(xué)性能。 為探索瀝青溫度與溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的相關(guān)性，采用控制單一變量方法，設(shè)置瀝青溫度為135℃、145℃、155℃、165℃， 發(fā)泡用水量3%，纖維摻量0%，制備溫拌瀝青混合料，開展浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗。 數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)

由表5 與圖4 可知，當瀝青溫度155℃～165℃時， 殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比逐漸減小，在瀝青溫度155℃時，達到峰值；表明瀝青溫度對水穩(wěn)定性能并非單調(diào)化影響，主要原因在于瀝青溫度是瀝青發(fā)泡效果的重要影響因素，在發(fā)泡用水量為3%時，瀝青溫度155℃達到最佳水穩(wěn)定性能，這與155℃下瀝青最佳發(fā)泡效果一致， 這說明瀝青溫度對水穩(wěn)定性的影響主要應(yīng)從瀝青發(fā)泡效果的角度考慮。 在發(fā)泡用水量一定的情況下，適宜的瀝青溫度產(chǎn)生最佳的瀝青發(fā)泡效果，可有效提高瀝青混合料的拌合效果，增強混合料內(nèi)部強度，從而有利于提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，因此泡沫溫拌瀝青混合料應(yīng)采用最佳發(fā)泡效果下的瀝青溫度。

圖4 不同發(fā)泡效果的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比曲線

3.4 纖維摻量影響

設(shè)置纖維摻量為0%、0.2%、0.4%、0.6%，瀝青溫度145℃，發(fā)泡用水量3%，進行溫拌瀝青混合料制備，開展浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗。 數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)

由表6 與圖5 可知，隨著聚合物纖維摻量的增大，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并在纖維摻量為0.2%～0.3%時達到最大值。 纖維摻量增加且超過0.3%后，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比反而隨纖維摻量的增加而降低。 數(shù)據(jù)分析表明，纖維的加入的確對溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能產(chǎn)生了一定程度的影響，但是纖維摻量對水穩(wěn)定性能的影響呈拋物線狀，當纖維摻量處于最佳值時，溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能最強。 這表明適量的纖維在混合料內(nèi)部具有加筋效果，可有效強化混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有利于其水穩(wěn)定性能，纖維摻量過多導(dǎo)致加筋過度反而降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，摻量過少導(dǎo)致加筋不足，不能達到最佳的水穩(wěn)定狀態(tài)。 因此在實際工程應(yīng)用中，可嘗試性添加纖維（摻量為0.2%～0.3%），以提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

圖5 不同纖維摻量的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比曲線

3.5 參數(shù)重要性分析

隨機森林算法采用統(tǒng)計語言R 完成，以A 瀝青發(fā)泡效果、B 瀝青溫度、C 發(fā)泡用水量、D 纖維摻量為四項影響因素為輸入變量，以殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比為輸出變量建立隨機森林回歸模型，對變量進行重要性分析。 圖6 列出了隨機森林模型分析的變量重要性值。

由圖6 可知，根據(jù)隨機森林算法變量相對重要性分析，泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析與各影響因素都有相關(guān)性，但是影響權(quán)重區(qū)別很大。 在泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析中， 發(fā)泡用水量、發(fā)泡效果、瀝青溫度是重要性較高的變量，纖維摻量重要性較低。 這表明在提高水穩(wěn)定性的措施中，可優(yōu)先降低發(fā)泡用水量，而后設(shè)定泡沫瀝青的最佳發(fā)泡效果，再設(shè)定瀝青最佳溫度。纖維摻量雖然也能提高水穩(wěn)定性，但是影響權(quán)重較低，條件允許時可摻加纖維以提高水穩(wěn)性能，但是改善意義不顯著。

圖6 變量重要性

4 結(jié)論

（1）瀝青發(fā)泡效果、發(fā)泡用水量、瀝青溫度、纖維摻量是溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能的直接影響因素。 根據(jù)隨機森林算法變量相對重要性分析，在泡沫溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析中， 發(fā)泡用水量、發(fā)泡效果、瀝青溫度是重要性較高的變量，纖維摻量重要性較低。 在提高水穩(wěn)定性的措施中，可優(yōu)先降低發(fā)泡用水量，而后設(shè)定泡沫瀝青的最佳發(fā)泡效果，再設(shè)定瀝青最佳溫度，纖維摻量雖然也能提高水穩(wěn)定性，但是影響權(quán)重較低。

（2）泡沫瀝青的發(fā)泡效果直接決定了瀝青在集料表面的成膜均勻度，瀝青的發(fā)泡效果優(yōu)異，有利于瀝青與集料的裹覆效果，會進一步提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性，發(fā)泡用水的存在不利于溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，發(fā)泡用水量越小，水穩(wěn)定性越強，因此基于泡沫瀝青的溫拌瀝青混合料在保證泡沫瀝青發(fā)泡效果的前提下，盡量減少發(fā)泡用水量（建議發(fā)泡用水量低于3.5%），有利于提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

（3）隨著纖維的加入的確對溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能產(chǎn)生了一定程度的影響，但是纖維摻量對水穩(wěn)定性能的影響呈拋物線狀，當纖維摻量處于最佳值時， 溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能最強。 這表明適量的纖維在混合料內(nèi)部具有加筋效果，可有效強化混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 有利于其水穩(wěn)定性能，纖維摻量過多導(dǎo)致加筋過度反而降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，摻量過少導(dǎo)致加筋不足，不能達到最佳的水穩(wěn)定狀態(tài)。 因此在實際工程應(yīng)用中，可嘗試性添加纖維（摻量為0.2%～0.3%），以提高溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

（4）由于泡沫溫拌瀝青混合料的獨特性，導(dǎo)致該材料內(nèi)部有水分存在，因此水穩(wěn)定性是衡量溫拌瀝青混合料力學(xué)性能的重要指標。 本研究結(jié)果可為泡沫溫拌瀝青混合料設(shè)計中發(fā)泡效果、 發(fā)泡用水量、 瀝青溫度及纖維摻量因素方面提供技術(shù)參考。經(jīng)綜合分析后，以本文采用的瀝青為例，建議以最佳發(fā)泡效果、瀝青溫度155℃、發(fā)泡用水量2%、纖維摻量0.3%的組合提高溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性。