泡沫沥青冷再生混合料配合比设计初探

肖娴 肖毅

(贵州高速公路集团有限公司，贵州贵阳 550004)

1 研究背景

1956年，美国森义教授向高热的沥青中加入少量水，水急剧气化使沥青大量发泡，继而体积膨胀，这种状态的沥青因为视粘度相当低而具有拌和所需的工作性［1］。这项发明后来被申报为专利，但应用不普遍，发展较为缓慢。20世纪90年代，随着沥青发泡设备及工艺的改进使得泡沫沥青技术更方便实现与应用，再加上近年来对资源和环境保护的重视迫切需要对废旧路面材料再生利用，促进了这项技术的蓬勃发展［2］。

在国内，这项技术无论是室内试验研究，还是工程应用均处于起步阶段。1982年，交通部科技局正式下达将沥青混合料再生利用作为重点科技项目，同济大学开辟了沥青路面再生技术的先河［3］。在我国，泡沫沥青路面冷再生混合料设计方法还不完善，对冷再生材料的力学性能、路用性能研究还不够深入，在实际推广应用中还会出现质量不稳定等问题。所以本文对泡沫沥青冷再生混合料配合比进行设计研究，以求解决这些问题。

2 泡沫沥青的性质及其配合比设计思路

2.1 泡沫沥青的性质

泡沫沥青是以膨胀比(指当沥青与水拌和发泡后的最大体积与未发泡前体积之比)及半衰期/半缩期(由发泡的最大体积为准起算，至体积缩减至一半经过的时间)来描述沥青的发泡特性［4］。

膨胀比与半衰期的因素影响，主要有以下四项:1)温度。一般沥青发泡时的温度愈高，发泡特性会愈好。2)水量。一般发泡时加入的水量愈多，膨胀比愈大，但半衰期愈短。3)压力。一般沥青与水接触后发泡，若发泡舱中的压力较低(如低于3 Pa)，则不利于膨胀比及半衰期。4)消泡剂。

2.2 配合比设计流程

进行泡沫沥青混合料配合比设计，须有与工地泡沫沥青制备过程相似的室内沥青发泡设备，此设备由沥青加热槽，水、沥青、空气用量控制系统等组成，可将一定量沥青、水与空气喷入膨胀舱，并在舱中形成泡沫沥青，然后由喷嘴喷出［5］。根据改变加水量，可调整沥青的膨胀比和半衰期，以此为依据确定最佳用水量。一旦决定沥青的发泡用水量后，即可依所需添加的沥青用量，将泡沫沥青喷入骨材样品中，并以所附的拌和机，拌制完成沥青混合料。泡沫沥青混合料的拌制方法如下:首先，将预定配置的常温骨材试样，在拌和机内加入达夯实所需的最佳水量，并拌和均匀;然后，喷入欲添加的泡沫沥青量，拌和成混合料。一般情况下，配比设计要求至少五组不同沥青用量的混合料。有时在混合料中加入适量的石灰或水泥，目的是提升混合料拌和效率及抗水分侵害能力［6］。

3 混合料性能试验研究

3.1 发泡试验

虽然大部分沥青皆可以顺利发泡，但有些炼油厂的制备过程会基于运送及储存方便，在沥青中加入抑制发泡的药剂，而有些油源本身则有不容易发泡膨胀的现象，故有必要对所采用的沥青进行发泡特性量测［7］。试验采用70号埃索和中海两种沥青进行对比，实验步骤如下:1)将沥青置于沥青槽中，并将温度加热至所需温度。选定发泡试验温度为160℃，170℃，180℃三种。2)WLB10沥青喷出量约为100 g/s，膨胀量量测容器及量尺乃针对喷出量为500 g设计，故应调整空气槽压力、水槽压力，基准变更喷出时间设定为5 s。沥青经由喷嘴喷入空容器，秤重可得沥青喷出量，由所得沥青量来设定沥青喷出量在500 g时所需的喷出时间(秒数)。3)调整发泡用水量。由于WLB10之水量控制表读数所代表的用水量受喷出沥青流量所影响，应使用表1，用沥青喷出流量及预定的用水量，查得水量控制表读数值，以该水量控制表值正确控制发泡用水量。例如沥青流量为100 g/s，则设定的喷出时间为5 s，若发泡用水量为2.5%，则应将水量控制表值调设为9.0。4)根据不同的温度、水量重复进行沥青发泡试验，记录相应膨胀量、半衰期，并绘制成图，得到沥青发泡特性与温度及水量的关系图，用以决定该沥青最适合发泡温度及发泡用水量。WLB10发泡用水量控制表值如表1所示。

表1 试验所采用的WLB10发泡用水量控制表值

试验选择三种温度150℃，160℃，170℃，发泡用水分别为2% ，2.5% ，3.0% ，3.5% 。气压选定为 4 bar，水压为 5 bar。试验结果见表2，表3，发泡性能关系曲线分别见图1，图2。

根据数据分析结果，在相同的温度和用水量条件下，发泡效果:中海沥青均优于埃索沥青。因此，试验路发泡沥青选用中海沥青。

根据三种发泡温度下的性能关系曲线，得出:160℃为中海沥青的最佳发泡温度，加水量2.5%，此时膨胀比为24，半衰期11.6，这已优于工程经验(膨胀比12，半衰期8)，同时也满足规范(膨胀比12，半衰期8)技术要求。

表2 中海沥青发泡结果

表3 埃索沥青发泡结果

图1 中海沥青发泡性能关系曲线

图2 埃索沥青发泡性能关系曲线

3.2 泡沫沥青配合比设计研究

3.2.1 级配确定

本次研究共选取了掺加新料与不掺加新料的两种级配，以进行对比研究，分别为:级配1:基层料64%:面层料34.5%:水泥1.5%;级配2:基层料 51%:面层料 27.5%:机制砂 20%:水泥1.5%。级配曲线如图3所示。由图3可知，级配1和级配2合成曲线部分点在维特根推荐级配值之外，2级配曲线较1级配曲线理想，根据以往工程实践证明，2级配曲线基本能够满足要求。

图3 级配曲线图

3.2.2 确定最佳含水量

为保证泡沫沥青混合料具有良好的拌和效果与压实度，需加入一定量水。水可促进结团集料分解，拌和过程中有利于沥青扩散。此外，水在集料基体间也可充当润滑剂，但是，水过多却会影响压实效果，以及混合料强度，因此，确定最佳用水量非常重要［8］。

3.2.3 间接拉伸试验确定最佳沥青含量

将试件分为干、湿两组，干组试件在25℃恒温环境下养生1 h，湿组试件直接放入25℃恒温水槽中养生24 h。将养生后的试件进行间接拉伸试验(劈裂试验)。间接拉伸试验在沥青混合料综合性能试验机上进行，其步骤如下:1)将试体由25℃恒温水槽中拿出，放入间接拉伸试验环中，再使用50 mm/min的速率施力于试件;2)持续施压于试件至试件有裂缝产生为止，读取最大的压力强度并记录其值，将试件从仪器上取下，从裂缝处拉开试件，检查内部破裂面状况，并详细记录;3)计算试件的间接拉伸强度;4)计算残留间接拉伸强度比。残留间接拉伸强度比值(Retained ITS)是由湿组试件的间接拉伸强度除以干组试件的间接拉伸强度得来，这也意味着当沥青混凝土材料受到水损害后，间接拉伸强度的折减程度，其比值越高就代表沥青混凝土材料抵抗水损害的能力越强，反之则代表其无法有效抵抗水损害［9，10］。本研究泡沫沥青试件经间接拉伸试验后的破坏情形如图4所示，间接拉伸试验结果如表4所示。

图4 泡沫沥青执行间接张力试验过程及试体情形

表4 间接拉伸试验结果

由试验结果可知:选用级配2，添加部分细料能更好的保证间接抗拉强度。级配2的最佳沥青用量为2.50%，干劈强度0.61 MPa，湿劈强度为0.55 MPa，残留强度比为90.2%。

4 结语

1)泡沫沥青是一种新型的沥青拌和技术，以此作为冷拌再生的稳定剂具有较大的优势，经济效益比较明显;2)膨胀比和半衰期是评价泡沫沥青的两项重要指标，实际应用时，应追求两项的指标的平衡，以保证泡沫沥青有较好的发泡特性;3)泡沫沥青配合比设计完全不同于传统热拌沥青混合料的配合比设计，主要包括最佳发泡条件确定，最佳拌和水量确定，最佳沥青含量确定，配合比验证等几个方面;4)通过室内试验研究，最终确定了试验路泡沫沥青混合料配合比，对路用性能的研究具有指导意义。

［1］JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范［S］.

［2］李 冰，焦生杰.振动压路机与振动压实技术［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］JTG F41-2008，公路沥青路面再生技术规范［S］.

［4］戴利平.泡沫沥青冷再生混合料物理力学性能研究［D］.西安:长安大学，2009.

［5］郝合瑞.旧沥青路面材料冷再生技术研究［D］.西安:长安大学公路工程学院，2004.

［6］魏连雨.泡沫沥青稳定旧沥青路面混合料冷再生试验分析［J］.河北工业大学学报，2008(10):100-104.

［7］JTG F41-2008，公路沥青路面再生技术规范［S］.

［8］拾方治，吕伟民.泡沫沥青混合料的特性［J］.中外公路，2003，23(3):93-96.

［9］李自光，丁小峰，王 月.泡沫沥青及其冷再生施工工艺［J］.筑路机械与施工机械化，2004(12):24-27.

［10］孙大权，李牙君，拾方治，等.泡沫沥青特性与混合料设计方法的试验研究［J］.石油沥青，2004，18(4):14-17.