泡沫与乳化沥青冷再生混合料抗剪性能比较

吴 冰

泡沫沥青及乳化沥青混合料均属于沥青稳定类材料，具有粘弹性特点，对温度有一定的敏感性，其抗剪强度和模量都随温度升高而急剧下降，永久变形是该类材料的主要破坏模式之一，而抗剪性能是决定路面在重复荷载作用下能否产生永久变形的关键因素。通过对各种剪切试验方法的分析，并结合实际的试验条件，本文选择了单轴贯入试验方法。所谓单轴贯入试验，就是在试件上通过一钢压头进行加压，压头的直径小于试件的直径，利用r/R来表示两个物体直径的比值，r为压头的直径，R为试件的直径，如果r/R比值足够小，则其受力状态应与路面的较为一致，单轴贯入是一种比较合理的沥青混合料抗剪强度测试方法，一方面其受力模式与路面一致;另一方面试验易操作，设备简单，适合工程应用。

1 泡沫沥青冷再生混合料抗剪性能研究

泡沫沥青冷再生混合料中采用维特根公司的WLB10室内沥青发泡机制备泡沫沥青，选用A，B两种级配，A级配:73.5%RAP+25%石屑+1.5%水泥;B级配:60%RAP+38.5%石屑+1.5%水泥。沥青为埃索 AH-70，沥青用量分别为1.6%，2.0%，2.5%，3.0%。抗剪强度试验全部采用φ100 mm×100 mm的圆柱体试件，用旋转压实仪旋转成型。乳化沥青C级配，采用PC-55沥青，沥青用量分别为1%，2%，3%，4%，5%，1.5%用量的水泥成型试件，养生后对其进行单轴贯入试验。

2 泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料抗剪性能的比较

2.1 抗剪强度的比较

选取25℃成型的旋转压实试件进行比较，详细结果见图1。

从图1可知，当混合料的拌和及成型温度为25℃，随着沥青用量的增加，两种混合料的抗剪强度均出现明显的下降趋势，其原因在于沥青用量的增加，导致混合料内“润滑剂”的增多，则降低了集料间的内摩阻力，进而使混合料的抗剪强度降低。从图1中还可看出，两种泡沫沥青混合料的抗剪强度均高于乳化沥青混合料，这与两种混合料的成型机理有关，前者通过沥青胶浆对集料的“点焊作用”形成混合料的强度，后者则通过沥青对集料的裹覆作用来形成强度，这就使得泡沫沥青混合料内部有更多的“石—石”接触面，而乳化沥青混合料中的集料基本被沥青包裹，只有少量的“石—石”接触面，更多的情况是在“石—石”接触面存在着新加入的乳化沥青膜。在较高的试验温度(40℃)下，混合料内的沥青发生一定程度的软化，对乳化沥青混合料而言，集料间的内摩阻力降低程度要高于泡沫沥青混合料;此外，前者粘聚力的下降幅度也大于后者，这两种作用最终导致乳化沥青混合料的抗剪强度低于泡沫沥青混合料。

2.2 水泥用量对混合料抗剪强度的影响

对级配A(2.5%泡沫沥青)及级配C(4.0%乳化沥青)混合料在不同水泥用量下的抗剪强度进行了比较，试件的成型温度均为25℃，结果见图2。

从图2可知，水泥用量对两种混合料抗剪强度的影响趋势基本是相同的，当水泥用量从0%提高到1.0%时，混合料的抗剪强度得到大幅提升，当继续增加水泥用量时，抗剪强度上升幅度有所减缓。

2.3 养生时间对混合料抗剪强度的影响

为了探求不同养生时间对两种混合料抗剪强度的影响，本文选取了1 d，2 d，3 d，4 d，5 d 5 种养生时间，乳化沥青混合料的沥青用量为4%，泡沫沥青混合料的沥青用量为2.5%，水泥用量均为1.5%，试件的成型温度均为25℃，养生温度为40℃，具体试验结果见图3。从图3可知，随着养生时间的延长，两种混合料的抗剪强度明显增大，这是因为随着水分的蒸发，集料间的内摩阻力及集料与沥青间的粘聚力逐渐增强，因而混合料的抗剪强度也得到提高。但不同的是，泡沫沥青混合料在养生的第3天基本达到较高的强度，而乳化沥青混合料则需要较长的时间，前者的养生速度要快于后者，这可能跟两种混合料内部孔隙结构不同有关，前者空隙数量少、体积大且易连通，后者数量多、体积小且易封闭，故前者的透水性较好，在高温下的水分蒸发速度远快于后者，相应地，混合料抗剪强度的增长速度也快于后者。

图1 乳化沥青与泡沫沥青混合料抗剪强度比较

图2 水泥用量对两种混合料抗剪强度的影响

图3 养生时间对两种混合料抗剪强度的影响（室内加速养生）

由于室内试验往往采取加速养生的方法，并不能完全模拟实际施工的冷再生材料的水分散失及强度增长速度。本次试验中，试件需置于40℃鼓风烘箱中进行养生，一方面风及烘箱的温度加速了试件的养生;另一方面，由于试件较小，其上、下及侧面均与烘箱中的热空气接触，得到了非常充分的养生，这是现场材料完全不可能实现的，因而室内养生并不能完全显示两种冷再生混合料的养生过程。在广东河惠高速公路改造工程中，采用了泡沫沥青及乳化沥青两种冷再生施工工艺，并现场对两种材料的水分散失速度进行实际测量，具体结果见图4。

从图4可以看出，对乳化沥青冷再生基层而言，在施工结束第7天时，其含水量为1.5%，低于2%;对泡沫沥青冷再生基层而言，在施工结束第3天时，其含水量已非常接近2%。苏小萍等也认为通常在高温季节，经过一周左右的养生，泡沫沥青再生基层的强度能达到80%～90%以上，乳化沥青的强度也能达到60%～70%以上。这也验证了上面的推测，更进一步的说明了与乳化沥青冷再生层相比，泡沫沥青冷再生层在养生速度上具有一定的优势。

图4 养生时间对两种混合料抗剪强度的影响（现场实际养生）

2.4 试验温度对混合料抗剪强度的影响

乳化沥青混合料选用3%，4%，5%三种沥青用量和1.5%用量的水泥成型试件，泡沫沥青混合料选用1.6%，2.0%，2.5%，3.0%四种沥青用量和1.5%用量的水泥，养生后对其进行单轴贯入试验，试验温度分别为40℃，60℃，具体的试验结果见图5。

图5 试验温度对两种混合料抗剪强度的影响

从图5可以看出，随着试验温度的升高，两种混合料的抗剪强度均出现下降的趋势，两种混合料在60℃的抗剪强度是它们在40℃时的50%左右，两者下降幅度基本相同。

3 结语

从以上的分析中可知，泡沫沥青混合料的抗剪强度要强于乳化沥青混合料，这是由二者的成型机理决定的。此外，根据室内试验及现场实地测量发现，前者的养生速度也快于后者，但由于室内试验采取加速养生的办法，并不能完全描述二者的实际养生状况。在实际的冷再生施工中，鉴于泡沫沥青冷再生混合料的抗剪强度更高且增长速度更快，建议在冷再生上覆层较薄、交通量较大及重载车辆较多、要求尽早开放交通的路面结构中优先选用泡沫沥青混合料。但是，必须注意的是，尽管冷再生混合料的抗剪性能受到越来越多的关注，在当前的各种设计方法中，间接抗拉强度及水稳性仍然是混合料的主要控制指标，因此，需在混合料的抗拉强度及水稳性满足要求的前提下，尽量选择抗剪性能更优的混合料。

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