再生添加料对沥青路面泡沫沥青混合料性能影响

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(中国路桥工程有限责任公司， 北京 100011)

泡沫沥青由普通沥青和压缩空气、水混合制备而成，属于一种冷再生稳定剂，在沥青发泡过程中，其黏度会急剧下降，因此可与冷湿集料进行拌和形成混合料。在路面基层或底基层铺筑中，通常使用的是泡沫沥青再生混合料[1]。因受行车荷载的作用，泡沫沥青再生基层或底基层承受的压应力、拉应力、剪应力大小不同，若再生结构层强度较弱，这些应力作用则无法抵抗，路面就会出现碎裂、断裂、沉陷等现象，这会对道路正常使用造成严重影响[2-5]。因此，泡沫沥青再生结构层的强度特性必须合适，并具有足够刚度，以确保荷载作用下结构层不产生过量的变形，避免路面出现开裂等病害[6]。对于泡沫沥青再生结构层而言，其两个重要的力学特性为刚度和强度，要将再生层的使用性能提高，则要对影响再生层材料刚度和强度的力学特性因素进行分析，从本质上对再生结构层材料性能进行优化[7]。影响泡沫沥青再生混合料力学特性的因素包括再生料、泡沫沥青、水、水泥养生条件等[8]。本文基于再生沥青路面，研究了其在干燥条件下对泡沫沥青混合料抗拉强度的影响。

1 试验原料

1.1 泡沫沥青

选用茂名石化70号基质沥青，通过发泡设备Wirtgen WLB10，在茂名石化70号基质沥青制备泡沫沥青，发泡用水量为2.05%，温度为150.5 ℃，经测定，沥青发泡的半衰期为10 s，其实际效果为膨胀率的12.5倍。表1为茂名石化70号基质沥青技术指标。

表1 茂名石化70号基质沥青技术指标Table 1 Technical index of No.70 matrix asphalt in Maoming Petrochemical Company试验项目技术指标试验结果针入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)延度(15 ℃)/cm针入度指数闪点(COC)/℃软化点/℃蜡含量(蒸馏法)/%密度(25 ℃)(g·cm-3)溶解度(三氯乙烯)/%沥青旋转薄摸烘箱老化RTFOT质量变化/℃残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(10 ℃)/cm60～8075.8≥100201.4-1.5～+1.0-0.54≥260280.5≥4651.2≤2.21.55实测值1.13≥99.599.6≤0.71-0.51≥6172.5≥68.1

1.2 铣刨料

试验选用取自西安-渭南高速公路(A1)、西安-宝鸡高速公路(A2)的两种沥青路面铣刨旧料，其中A1对应的旧沥青含量为4.35%，A2为4.76%，表2为A1和A2旧沥青的级配组成。

表2 A1和A2旧沥青的级配组成Table 2 Gradation of A1 and A2 old asphalt筛孔ϕ/mmA1A2筛孔ϕ/mmA1A231.52100.0100.02.3845.531.826.5498.398.51.1926.220.519.1584.183.20.6128.810.916.0280.276.30.3223.111.913.2274.265.30.1616.918.79.5269.458.30.0810.47.04.7758.348.4

1.3 石屑及矿粉

石屑为淄博金日矿业有限公司的产品，其砂当量为74.3%，含水率为1.2%，坚固性为6%。矿粉为自行加工生产的石灰岩矿粉，其中<0.08 mm的含量为81.3%，矿粉视密度为2.73 kg/m3，含水量0.36%。

2 抗拉强度试验方案

试验中，两种旧沥青A1和A2掺量均为0%、25%、45%、65%、85%，其中旧沥青掺量为0%,表示泡沫沥青混合料试验全部采用新料进行。两种沥青旧料分别与对应的5种用量不同的泡沫沥青进行混和，从而获得成型试件，在室温进行24 h的放置后，在40 ℃烘箱进行72 h的养生，然后进行干燥条件下的25 ℃抗拉强度，即ITS试验，同时对残留抗拉强度比TSR进行测试。表3为不同旧沥青掺量下的泡沫沥青量及试验结果。

表3 不同旧沥青掺量下的泡沫沥青量及试验结果Table 3 The amount and test results of foamed asphalt under different old asphalt content沥青类别旧沥青掺量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳拌合用水量/%泡沫沥青/%05.532.494.092.2255.892.434.242.7A1456.052.364.403.2656.132.314.593.7856.202.284.634.205.532.494.482.2255.882.404.562.7A2456.032.324.673.2656.262.274.803.7856.312.244.824.2

3 结果与讨论

3.1 沥青用量及种类对混合料性能的影响

在茂名石化70号基质沥青最佳发泡条件下，A1和A2混合料设定的泡沫沥青用量均为2.2%、2.7%、3.2%、3.7%、4.2%；成型马歇尔试件，试验温度为15 ℃，根据T0716-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》方法进行干燥条件下泡沫沥青抗拉强度试验。表4为不同泡沫沥青用量的抗拉试验结果。

表4 不同泡沫沥青用量的抗拉试验结果Table 4 Tensile test results of different foamed asphalt content沥青类别沥青用量/%ITS/MPaTSR/%沥青类别沥青用量/%ITS/MPaTSR/%2.20.4366.82.20.3567.72.70.4876.72.70.4071.9A13.20.5979.4A23.20.4776.23.70.6684.73.70.5380.94.20.5877.34.20.4979.3

由表4知，随着泡沫沥青用量的增加，A1和A2两种沥青混合料抗拉强度先增大后减小，其残留抗拉强度比也逐渐增大然后再减小。这说明在泡沫沥青用量较少时，混合料足够的强度不能形成；而沥青用量在最佳条件下，粉料能够被完全包裹，此时沥青胶浆的粘结力最优；继续增大沥青用量，混合料的内摩擦角会降低，从而减低了其强度。在沥青用量为3.5%时，两种沥青抗拉强度均具有最大值，A1抗拉强度为0.66 MPa，A2为0.53 MPa，此时两种的残留抗拉强度比均具有最大值，A1值为84.7%，A2值为80.9%。

图1 不同沥青种类对抗拉强度的影响Figure 1 Effect of different asphalt types on tensile strength

图1为不同沥青种类对抗拉强度的影响，由图1知，在泡沫沥青用量相同时，A1再生混合料抗拉强度和残留抗拉强度比均要比A2优，抗拉强度最大可提高21.53%。这说明A1沥青发泡效果较好，泡沫沥青具有较长的半衰期，这样接触再生混合料的拌和时间就越长，混合料就会具有更好的拌和效果；由于泡沫沥青具有较大的膨胀比，其体积较大，因而在混合料中具有比较均匀的分散性，泡沫沥青能对细料进行更好的裹附，从而形成的沥青胶浆粘结力更强[9]，这样泡沫沥青冷再生混合料的抗拉强度会较高。

3.2 拌和用水量对混合料性能的影响

在含水量分别为32%、52%、62%、72%、82%、92%、112%、132%时，选用最佳发泡条件下的茂名石化70号基质沥青，在泡沫沥青最佳用量下，成型为拌和用水量不同的马歇尔试件，在完成养生后，根据T0716-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法进行抗拉强度试验[10]。表5为不同拌和用水量的抗拉强度。

表5 不同拌和用水量的抗拉强度Table 5 Tensile strength of different mixing water consumption含水量/%A1沥青A2沥青抗拉强度/MPaTSR抗拉强度/MPaTSR320.3242.60.2943.1520.4059.10.3558.9620.5877.30.4874.6720.6684.70.5579.3820.6484.00.5280.5920.5577.50.4677.21120.4769.70.4273.31320.4268.80.3666.8

由表5知，对于A1和A2沥青混合料而言，其抗拉强度和TSR随着拌和用水量的增加先增大后减小，这说明A1和A2沥青混合料均有一个最佳拌和用水量存在。A1沥青混合料的抗拉强度变化范围为0.32～0.66 MPa，TSR变化范围为42.6%～84.7%；A2沥青混合料的抗拉强度变化范围为0.29～0.55 MPa，TSR变化范围为43.1%～80.5%。因此，在A1和A2沥青混合料拌和用水量分别为62%～82%、72%～82%时，沥青具有良好的分散效果，拌和效果理想，沥青未有结团现象发生，且具有较好的压实效果，同时再生混合料具有较高的强度。A1和A2沥青混合料的拌和用水量由32%提高到72%时，抗拉强度和TSR逐渐增大，同时其具有较大的变化幅度。在拌和用水量不同时，A1和A2沥青混合料的抗拉结果变化规律比较类似，拌和用水量<62%时，泡沫沥青会有不同程度的沥青团出现，其分散不均匀，这会造成泡沫沥青混合料具有较差的压实效果，其水稳定性较差，空隙较大。拌和用水量>92%时，混合料成型会有溢水现象出现，降低了混合料的密实度，试件在养生后会有较大的空隙率，其混合料强度会减小，抗水损害性能则较差。

3.3 养生条件对混合料性能的影响

在一定温度下，对泡沫沥青冷再生混合料试件进行养生，使其水分的散失加速，从而形成最终强度。测定养生1 d、3 d、5 d、7 d、30 d、90 d试件的抗拉强度和TSR，分析养生条件下不同对再生混合料强度特性的影响。养生条件是在室温下，将试件不脱模进行24 h的静置养生，然后将试件脱模，同时放入41±2 ℃恒温通风烘箱中进行养生1 d、3 d的养生，随后在干燥室温下，对试件进行养生2 d、4 d的养生，也就是说养生时间为1 d、3 d、5 d、7 d，最后则直接在干燥室温条件下，进行养生30 d、90 d的养生。图2为养生时间与抗拉强度及TSR的关系。

图2 养生时间与抗拉强度及TSR的关系Figure 2 Relationship between health duration and tensile strength and TSR

由图2知，泡沫沥青冷再生混合料随着养生时间的延长，其TSR逐渐减小，抗拉强度逐渐增大。在养生时间为1 d时，试件可具有一定强度，但其强度较低，为0.35 MPa，是最大抗拉强度的50.2%，TSR值则较高，为1.87%。在养生时间从1 d增加到3 d时，抗拉强度具有较大的增长幅度，3 d时抗拉强度为0.68 MPa，提高了94.29%；3d时TSR值为0.19%，降低了89.84%。在进行3 d的养生后，试件强度则趋于稳定，抗拉强度和TSR值随养生时间的延长没有明显变化。在不同养生条件下，泡沫沥青冷再生混合料的强度具有一定的差异，这是由于养生时间不同，试件具有不同的含水量。在养生初期，再生混合料具有较高的含水量，水泥的水化不完全，这就造成其抗拉强度较低。对于1 d到3 d养生的试件，其抗拉强度具有大幅的增加，这是因为水泥此时已完全水化，其足够强度能够形成。在养生后期，试件含水量基本与0接近，抗拉强度变化不明显，此时抗拉强度具有最大值，这说明泡沫沥青冷再生混合料的抗拉强度和混合料中的含水量关系密切。

3.4 水泥掺量对混合料性能的影响

对A1和A2沥青混合料设定5种不同的水泥用量，分别为0%、1.1%、1.6%、2.1%、3.1%。试件不脱模，在室温下进行养生24 h的静置，然后将试件脱模，同时将其放入41±2 ℃的烘箱中进行3 d的养护再进行抗拉试验，图3为不同水泥用量下A1的抗拉强度变化，图4为不同水泥用量下A2的抗拉强度变化。

图3 不同水泥用量下A1的抗拉强度变化Figure 3 Variation of tensile strength of A1 under different cement dosage

图4 不同水泥用量下A2的抗拉强度变化Figure 4 Variation of tensile strength of A2 under different cement dosage

由图3、图4知，A1和A2沥青混合料的抗拉强度随着水泥用量的增加而显著增大，但A1和A2沥青混合料的TSR先增大后减小。与未掺水泥的A1试件相比，在水泥用量为1.1%和1.6%时，其抗拉强度分别为0.54、0.65 MPa，增加了42.11%、71.05%，其对应的TSR分别为78.2%、84.8%，增加了23.15%、33.54%。在水泥用量>1.6%后，抗拉强度的增幅较小，此时TSR则呈现逐渐减小的趋势。与未掺水泥的A2试件相比，在水泥用量为1.1%和1.6%时，其抗拉强度分别为0.41、0.53 MPa，增加了28.13%、65.63%，其对应的TSR分别为73.8%、79.1%，增加了11.99%、20.03%。在水泥用量>1.6%后，TSR逐渐减小，抗拉强度增幅较小。原因是未掺水泥的

混合料具有较大的空隙率，水容易对其造成破坏，这样就导致了混合料的水稳定性和抗拉强度的降低。在掺量水泥较为合理时，泡沫沥青冷再生混合料抗拉强度较好，其使用性能良好，这是由于水泥在进行水化反应时，会生成水化产物，这对改善矿料表面的棱角性有利，这样能使泡沫沥青分散均匀，对细料进行较好裹附，使再生混合料粘聚力得到提高，进而提高泡沫沥青冷再生混合料的整体强度。

4 结论

本文基于再生沥青路面，通过对沥青种类及用量、养生条件、拌和用水量、水泥用量等影响因素的分析，研究了其在干燥条件下对泡沫沥青混合料抗拉强度的影响，得出结论如下：

a.在泡沫沥青用量相同时，西安-渭南高速公路(A1)再生混合料抗拉强度和残留抗拉强度比均要比西安-宝鸡高速公路(A2)优，抗拉强度最大可提高21.53%。沥青用量对冷再生混合料性能的影响显著。随着泡沫沥青用量的增加，A1和A2两种沥青混合料抗拉强度先增大后减小，其残留抗拉强度比也逐渐增大然后再减小。

b.A1和A2沥青混合料的抗拉强度和残留抗拉强度比(TSR)随着拌和用水量的增加先增大后减小，在A1和A2沥青混合料拌和用水量分别为62%～82%、72%～82%时，沥青具有良好的分散效果，拌和效果理想，沥青未有结团现象发生，且具有较好的压实效果，同时再生混合料具有较高的强度。

c.泡沫沥青冷再生混合料随着养生时间的延长，其TSR逐渐减小，抗拉强度逐渐增大。在养生时间从1 d增加到3 d时，抗拉强度具有较大的增长幅度，3 d时抗拉强度为0.68 MPa，提高了94.29%；3 d时TSR值为0.19%，降低了89.84%。在进行3 d的养生后，试件强度则趋于稳定，抗拉强度和TSR值随养生时间的延长具有不明显的变化。

d.A1和A2沥青混合料的抗拉强度随着水泥用量的增加均具有显著增大，但A1和A2沥青混合料的TSR先增大后减小。未掺水泥的混合料具有较大的空隙率，水容易对其造成破坏，这样就造成了混合料的水稳定性和抗拉强度的降低。