泡沫沥青就地冷再生混合料力学性能影响因素研究

李鹏飞， 韩占闯

(1.山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006； 2.长安大学 公路学院)

泡沫沥青就地冷再生混合料(为表述方便以下简称“FAICRM”)是以泡沫沥青作为冷再生混合料的胶结材料，添加一定比例的填料、外加剂、新集料提高混合料性能，后加水拌和形成混合料。FAICRM主要被用于道路基层和底基层，要求FAICRM应具有较高的力学性能。对此，国内外道路研究人员进行了一系列研究：Liu等研究了级配对FAICRM力学性能的影响，指出过筛率是影响FAICRM级配性能的主要因素；Xu J Z等研究胶黏剂用量对FAICRM力学性能的影响，指出胶黏剂用量会影响混合料黏结力，但是在FAICRM配合比设计中可以忽略；Li Zhigang等研究了FAICRM早起强度影响因素，指出水泥影响早期强度，泡沫沥青影响后期强度；邹友泉等研究了水泥掺量对力学性能的影响，指出随水泥用量增加FAICRM力学性能逐渐增加；李秀君等研究了沥青黏度、延度对FAICRM力学性能的影响，指出延度是影响FAICRM力学强度的关键因素；王宏等研究了养生温度对FAICRM宏观、微观性能的影响，指出随养生温度升高，FAICRM劈裂试验试件的破坏界面呈线性增大的分布趋势；赵宾等研究了3种不同发泡机对FAICRM性能的影响，指出3种泡沫沥青发泡机中Wirtgen制备的泡沫沥青稳定性能最好，膨胀率最大。上述研究对FAICRM力学性能提升、推广应用起到重要作用。但是，上述研究大多是研究泡沫沥青用量、水泥掺量对FAICRM力学性能的影响，并未见有研究每档新集料对FAICRM力学性能的影响，该文分析水泥、9.5～19、19～26.5 mm粗集料对FAICRM力学性能的影响，并基于性能影响，选择添加相应新集料。

1 原材料

(1) 沥青。中海A级70#基质沥青，技术指标略；沥青发泡特性结果见表1。 表1中PE为膨胀率，HL为半衰期。

表1 沥青发泡特性结果

由表1可知：当发泡用水量为2%～3%时，在3种温度下，都能获得较好的发泡效果。最优发泡条件为：发泡温度为150 ℃，发泡用水量为2.0%，文中如无特殊说明，均采用此发泡条件。

(2) 新集料。山西华阳石料厂生产的9.5～19 mm和19～26.5 mm粗集料，技术指标略。

(3) 回收料。山西太原市双阳线的沥青路面面层回收集料(简称RAP)，级配筛分结果见表2。

(4) 水泥。采用P.O.32.5级，技术指标略。

(5) 水。普通饮用水。

表2 AC-25回收料级配

2 力学性能影响因素

原沥青路面经铣刨机或再生机铣刨后，沥青混合料中的一部分粗集料被破碎，因此，与原路面级配相比，铣刨后的级配缺乏粗骨料，相对较细。由表2可知：粒径小于9.5 mm的冷再生混合料占78.6%，粒径大于19 mm的占2.9%，因此AC-25冷再生混合料9.5～19、19～26.5 mm粗集料含量较少，无法形成骨架结构，0～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5 mm集料偏多，因此需要添加9.5～19、19～26.5 mm粗集料调整回收料级配，研究每档新集料对泡沫沥青就地冷再生力学性能的影响，从而推荐出调节回收料级配优先添加的新集料。

2.1 水泥掺量的影响

泡沫沥青冷再生主要用于道路的基层和底基层，水泥作为一种活性添加剂，对FAICRM性能具有重要影响。水泥掺量会直接影响冷再生混合料的力学性能，掺量过少使得力学性能过低，掺量过多使得冷再生混合料变脆，易产生裂缝。因此该文将研究水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料力学性能的影响。

(1) 级配及最佳含水率的确定

为研究水泥掺量对FAICRM力学强度的影响，对AC-25RAP回收料掺加不同掺量的水泥，不同水泥掺量下，泡沫沥青就地冷再生混料的级配及FAICRM的最佳含水率和最大干密度随水泥掺量的变化规律见表3。试验时固定泡沫沥青用量为3%，变化含水率，采用重型击实法成型试件。

表3 不同水泥掺量下FAICRM级配

(2) 最佳泡沫沥青用量

不同水泥掺量的AC-25RAP混合料，在各自最佳含水率下，变化泡沫沥青用量，成型Marshall试件，不同水泥掺量劈裂强度试验结果如图1所示。

图1 不同水泥掺量FAICRM劈裂强度

按照干湿劈裂强度最大的原则，确定最佳泡沫沥青用量。由图1可知：0、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%水泥用量时FAICRM最佳泡沫沥青用量分别为2.8%、2.9%、2.9%、3.0%、3.0%。

(3) 水泥掺量对力学性能的影响

不同水泥掺量对FAICRM劈裂强度、稳定度的影响见表4。表中σgp、σsp、σw分别为掺水泥与未掺水泥干劈裂强度、湿劈裂强度、稳定度的比值。

表4 不同水泥掺量下FAICRM力学性能

由表4可知：随着水泥掺量的增加，FAICRM的劈裂强度和稳定度逐渐增加，与不掺水泥相比，当水泥掺量为1.5%时，FAICRM的劈裂强度和稳定度分别增加13%、15、11%。这是因为水泥会和FAICRM发生水化，产生一种具有胶结能力的物质，与矿料交织在一起，形成空间网状结构，加强颗粒间的黏结强度，从而加强混合料强度；虽然水泥能够提升FAICRM力学强度，但是并不是水泥掺量越多越好，掺入过多水泥会增加FAICRM的脆性。冷再生混合料规范规定，水泥掺量不超过1.5%，因此，水泥掺量建议为1.5%。

2.2 9.5～19 mm粗集料的影响

(1) 级配及最佳含水率

固定水泥掺量为1.5%，改变9.5～19 mm粗集料掺量改变再生混合料级配。研究9.5～19 mm粗集料掺量对FAICRM力学性能的影响，不同9.5～19 mm粗集料掺量下FAICRM级配、最大干密度及最佳含水率试验结果见表5。试验时，固定泡沫沥青用量为3%，变化含水率，采用重型击实法成型试件。

表5 不同9.5～19 mm粗集料掺量下FAICRM级配

(2) 最佳泡沫沥青用量

不同9.5～19 mm粗集料掺量的FAICRM，在表5中的最佳含水率下，变化泡沫沥青用量，采用Marshall法成形圆柱体试件，不同9.5～19 mm粗集料掺量下FAICRM劈裂强度如图2所示。

按照干湿劈裂强度最大的原则，确定最佳泡沫沥青用量。9.5～19 mm粗集料掺量为0、10%、20%、30%时，FAICRM的最佳泡沫沥青用量分别为2.9%、2.6%、2.4%、2.2%。

(3) 9.5～19 mm粗集料掺量对FAICRM力学性能的影响

不同9.5～19 mm粗集料掺量对FAICRM劈裂强度、稳定度的影响见图2和表6。

图2 不同9.5～19 mm粗集料掺量下FAICRM劈裂强度

9.5～19 mm粗集料掺量/%干劈裂强度/MPa湿劈裂强度/MPa稳定度/kNσgpσspσw00.600.527.181.001.001.00100.690.618.541.151.171.19200.770.699.261.291.331.29300.720.648.821.191.221.23

由表6可知：随着9.5～19 mm粗集料掺量的增加，FAICRM劈裂强度、稳定度先增大后减小；当9.5～19 mm粗集料掺量为20%时，FAICRM的劈裂强度、稳定度达到峰值，与未掺加9.5～19 mm的FAICRM相比，劈裂强度、马歇尔稳定度分别增加29%、33%、29%。这是因为未添加9.5～19 mm粗集料时FAICRM级配偏细，没有足够的粗骨料形成骨架结构，随着9.5～19 mm粗集料掺量的增加，FAICRM逐渐形成骨架密实结构，当粗集料掺量为20%时，形成骨架密实结构，此时FAICRM性能最优，当粗集料掺量超过20%时，没有足够的细料起到填充作用，使得FAICRM密度减小，空隙率增大，力学性能降低。

2.3 19～26.5 mm粗集料的影响

(1) 级配及最佳含水率

固定水泥掺量为1.5%，改变19～26.5 mm粗集料掺量改变再生混合料级配条件下，研究不同19～26.5 mm粗集料掺量对FAICRM力学性能的影响，不同19～26.5 mm粗集料掺量FAICRM级配、最大干密度及最佳含水率见表7。试验时固定泡沫沥青用量为3%，改变含水率，采用重型击实法成型试件。

表7 不同19～26.5 mm粗集料掺量FAICRM级配

(2) 最佳泡沫沥青用量

不同19～26.5 mm粗集料掺量的FAICRM，在各自最佳含水率下，改变泡沫沥青用量，成型Marshall试件，不同19～26.5 mm粗集料劈裂强度如图3所示。

图3 不同19～26.5 mm粗集料掺量FAICRM劈裂强度

按照干湿劈裂强度最大的原则，确定最佳泡沫沥青用量。由图3可知：19～26.5 mm粗集料掺量为0、10%、20%、30%时，FAICRM的最佳泡沫沥青用量分别为2.9%、2.4%、2.3%、2.0%。

(3) 不同19～26.5 mm粗集料掺量对FAICRM力学性能的影响

不同19～26.5 mm粗集料掺量对FAICRM劈裂强度、稳定度的影响见表8。

表8 不同19～26.5 mm粗集料掺量对FAICRM劈裂强度、稳定度的影响

由表8可知：随着19～26.5 mm粗集料掺量的增加，FAICRM劈裂强度、稳定度先增大后减小；当19～26.5 mm粗集料掺量为20%时，FAICRM的劈裂强度、稳定度达到峰值，与未掺加19～26.5 mm的FAICRM相比，劈裂强度、马歇尔稳定度分别增加38%、45%、39%，其原因与9.5～19 mm粗集料相同。

综上所述，与未掺新集料泡沫沥青相比，掺加9.5～19、19～26.5 mm粗集料FAICRM力学强度分别至少提高29%、38%；因此，在对AC-25 FAICRM级配优化时，应优先推荐掺加19～26.5 mm粗集料和水泥，建议粗集料掺量为20%，水泥掺量为1.5%。

3 结论

(1) 研究了水泥掺量对混合料力学性能的影响，结果表明：当水泥掺量为1.5%，与不掺水泥FAICRM相比，力学性能至少提高11%。

(2) 试验研究表明：随着9.5～19 mm粗集料掺量增加，FAICRM劈裂强度、稳定度先增加后减小，当9.5～19 mm粗集料掺量为20%时，FAICRM劈裂强度、稳定度达到峰值，与未掺加9.5～19 mm粗集料相比，FAICRM力学强度至少提高29%；随着19～26.5 mm粗集料掺量增加，FAICRM劈裂强度、稳定度先增加后减小，当19～26.5 mm粗集料掺量为20%时，FAICRM劈裂强度、稳定度达到峰值，与未掺加19～26.5 mm粗集料相比，FAICRM力学强度至少提高38%。

(3) 对AC-25FAICRM级配优化时，应优先推荐掺加19～26.5 mm粗集料和水泥，建议粗集料掺量为20%，水泥掺量为1.5%。